离心式压缩机防喘振控制

离⼼式压缩机防喘振控制
离⼼式压缩机防喘振控制的探讨
The research of anti-surge control for
centrifugal compressor
杨宝星
中国⽯油辽阳⽯化分公司芳烃⼚仪表车间
摘要：对离⼼式压缩机喘振产⽣的原因进⾏了分析，总结了防⽌离⼼压缩机喘振的控制⽅法。

重点阐述了本⼚压缩机防喘振的控制⽅法及实际操作中应该注意的问题。

关键词：离⼼式压缩机；喘振；防喘振控制
Abstract: This paper analyzes the reasons that surge occurs on centrifugal compressor and summarizes the control method of anti-surge control from centrifugal compressor. It especially illustrates the control method of anti-surge control from our plant’s compressor and discusses the problems in real operation. Keywords: Centrifugal compressor; surge; anti-surge control
1、引⾔
离⼼式压缩机具有体积⼩、流量⼤、重量轻、运⾏效率⾼、易损件少、输送⽓体⽆油⽓污染、供⽓均匀、运转平稳、经济性好等⼀系列优点。

因此，离⼼式压缩机在⽯油化⼯⽣产中得到了⼴泛的应⽤，但是它在⼀些特定⼯况下会发⽣喘振使压缩机不能正常⼯作，稍有失误就会造成严重的事故。

因此，压缩机不允许在喘振状态下运⾏只能采取相应的防喘振控制。

1.1 离⼼式压缩机喘振产⽣的原因
离⼼式压缩机在运⾏过程中，负荷下降到⼀定数值时，⽓体的排送会出现强烈的振荡，机⾝亦随之发⽣剧烈振动，这些现象被称为喘振。

其产⽣的原因是压缩机⼯作流量⼩于最⼩流量时，⽓流在离⼼式压缩机叶⽚进⼝处与叶⽚发⽣冲击，使叶⽚⼀侧⽓流边界层严重分离，出现漩涡区，从⽽形成旋转脱离或旋转失速。

1.2 防喘振控制原理
图1-1循环流量法防喘振⽰意图
为使压缩机不出现喘振，需要确保任何转速下，通过压缩机的实际流量都不⼩于喘振极限线所对应的最⼩流量。

其原理如图1-1所⽰。

1.3 喘振的极限线⽅程及安全操作线
将在不同转速下的压缩机特性曲线最⾼点连接起来所得的⼀条曲线，称为压缩机喘振的极限线。

图1-2 喘振极限线及安全操作线
对于喘振极限线，可以通过理论推导获得数学表达式。

在⼯程中，为了安全，在喘振极限线右边，建⽴⼀条“安全操作线”作为压缩机允许⼯作的界限。

这条安全操作线可⽤⼀个抛物线⽅程近似，其经验公式为：
a T Q K Ps Pd +=1
2
1 (1) 式中，1Q 为吸⼊⼝⽓体的体积流量；1T 为吸⼊⼝⽓体的绝对温度；Ps ，Pd 分别为吸⼊⼝、排出⼝的绝对压⼒；K ，a 均为常数，⼀般由压缩机⼚家给出，a
可为0,、⼤于0和⼩于0。

由于式（1）中的1Q 、Ps ，1T 有⼀定的关系，所以我们推导出⼀个更为实⽤的公式。

具体推导过程如下：
假如在压缩机⼊⼝处⽤差压变送器测量流量1Q ，测得的差压为1p ，由标准节流装置流量 111ρεp Q ?= (2)
式中，?为常数；ε为⽓体压缩系数；1ρ为⼊⼝处⽓体的密度。

根据⽓体⽅程
11zRT M p s =
ρ (3) 式中，z 为⽓体压缩修正系数；R 为⽓体常数；M 为⽓体分⼦量。

将式(3)代⼊式(2)并化简后，得 s
p p C T Q 112
1= (4) zR M C 2
2ε?= (5) 将式(4)代⼊式(1)得 (6) 式中， KC m 1=。

由式(6)可得 ma p p m p p s d s -
=1 (7) 或者 ()s d ap p m p -=1 (8) 式(7)和式(8)就是⽤差压计测量⼊⼝处⽓体流量时喘振安全操作线的表达式。

2、防喘振控制⽅案
（1）固定极限流量法
a p p m p p s s d +=11
图2-1 喘振极限值
采⽤部分循环法，始终使压缩机流量保持⼤于某⼀定值，从⽽避免进⼊喘振区，这种⽅法叫做固定极限流量防喘振控制。

图2-1s Q 即为固定极限流量值。

显然，⽆论压缩机运⾏在哪⼀档转速上，只要满⾜S Q Q ,压缩机就不会出现喘振。

⽤固定极限流量法设计的控制⽅案简单，图2-2中FIC,即以s Q 为设定值的防喘振控制器。

s Q 的取值应以现场压缩机能达到的最⾼转速所对应的喘振极限流量为好。

机组正常运⾏时，控制器的测量值PV 恒⼤于设定值SP,⽽旁路控制阀是⽓关阀，因此控制器是正作⽤控制器和PI 特性，控制器输出达最⼤时使阀关闭。

当机组PV
图2-2 固定极限流量法防喘振控制系统
这种固定极限流量法不⾜之处在于当压缩机低速运⾏时，压缩机的能耗过⼤，这对压缩机负荷需经常改变的⽣产装置就不够经济；但从另⼀⽅⾯讲，此法
具有控制⽅案简单易懂、系统可靠性⾼、投资少等优点。

（2）可变极限流量法
为了减少压缩机的能量消耗，在压缩机负荷有可能经常波动的场合，可以采⽤调节转速的办法来保证压缩机负荷满⾜⼯艺要求。

因为在不同转速下，其喘振极限流量是⼀个变量，它随转速的下降⽽变⼩。

所以最合理的防喘振控制⽅案应是在整个压缩机负荷变化范围内使它的⼯作点沿着图1-2所⽰的安全操作线⽽
变化，即只要保证a T Q K Ps Pd +≤1
2
1或者()s d ap p m p -≥1，就可以防⽌压缩机喘振。

根据这⼀思路设计的防喘振控制系统，就称为可变极限流量法防喘振控制系统，它的原理如图2-3所⽰：
图2-3可变极限流量法防喘振控制系统
图2-3的防喘振控制系统是按式(8)构成的，防喘振控制器FIC 的测量值是1p pv =，设定值()s d ap p m sp -=。

当测量值⼤于设定值时，旁路控制阀始终关闭。

⽽当测量值⼩于设定值时，则控制器去开启控制阀到⼀定位置，故能防⽌喘振的发⽣，进⽽确保压缩机安全运⾏。

在设计防喘振控制系统时，还需注意以下⼏点：
I 旁路控制阀在正常运⾏过程中，测量值始终⼤于设定值，因此必须考虑防喘振控制器的防积分饱和问题。

否则就会造成防喘振控制器动作不及时⽽引起事故的发⽣。

II 在实际⼯业设备上，有时不能在压缩机⼊⼝处测量流量，⽽必须改为在出⼝处，但是压缩机制造⼚所给的特性曲线往往是规定测量⼊⼝流量的，这时就需要将喘振安全操作线⽅程进⾏改写。

可以从⼊⼝、出⼝质量流量相等这⼀等式出发，写出1p 与出⼝流量的差压值2p 之间的关系式，然后把安全操作线⽅程中的1p 替换掉，再以此⽅程进⾏防喘振控制系统的设计。

III 喘振安全操作线⽅程式中的压缩机出、⼊⼝压⼒d p ，s p 均指绝对压⼒。

因此，若现场所⽤压⼒变送器不是绝压变送器，则必须考虑相对压⼒与绝对压⼒的转换问题。

3、重整氢增压机K262防喘振控制实例
芳烃⼚140万吨/年连续重整歧化联合装置中重整氢增压机是由美国Elliott 公司⽣产，ITCC 由北京康吉森⾃动化设备技术有限责任公司负责。

重整氢增压机主要⽬的是对氢⽓进⾏增压，分为低压和⾼压⼆段。

这两段增压都设有防喘振控制，下⾯就LP 段对防喘振控制进⾏探讨：
ITCC （Integrity Turbine & Compressor Control ）通过控制回流阀的开度来使⼯艺过程保持稳定。

它可达到4个⽬的。

（1）防⽌压缩机在喘振条件下⼯作，避免喘振对压缩机的破坏；（2）减少过程⼲扰，使其尽可能忽略；（3）充分利⽤控制参数，提⾼压缩机和相关设备的效率；（4）⽀持过程控制和透平控制理论。

在压缩机试车期间，喘振阀必须处于全开位置，当压缩机处于运⾏模式下，且压⼒⽐15.1≥s
d p p 时，我们可以选择两种控制模式：（1）⾃动控制模式：⾃动控制模式不允许操作员预设防喘振阀位，喘振阀由喘振控制器控制。

（2）半⾃动控制模式：此模式允许操作员或过程控制设定⼀个防喘振阀位。

操作员可对此开或者关。

然⽽基于喘振控制，喘振控制器优先于任何操作员设定的阀位。

在压缩机控制中，下位机选⽤Triconex 公司的Tristation 1131，下⾯将着重介绍防喘振控制软件包。

它是由许多功能块组成的，现将其分别介绍如下:
1、流量补偿
压缩机⼀段⼊⼝流量需要温压补偿。

补偿流量算式如下：
15.27315.273*1013
.0100*max +++=fo fob fob fo T T P P h
MFLOW MFLOW （3-1）
式中， h —⽂丘⾥流量0-100%（压缩机⼊⼝流量）
MFLOW -压缩机补偿质量流量
max MFLOW -最⼤质量流量，单位kg/hr
fo P -压缩机⼊⼝压⼒，单位MpaG
fo T -压缩机⼊⼝温度，单位℃
fob P -孔板设计压⼒，单位MpaG
fob T -孔板设计温度，单位℃
2、操作点的计算
在补偿质量流量可⽤情况下，此模块⽤于计算压缩机的操作点。

喘振控制器的测量值（操作点）计算公式如下：
100*15.27315.2731013.0*2
max +++=Tsb Ts Ps Psb MFLOW MFLOW H c （3-2）式中，c H -喘振控制器的测量值（操作点）
MFLOW -压缩机补偿质量流量
max MFLOW -最⼤质量流量，单位kg/hr
Ps -压缩机⼊⼝压⼒，单位MpaG
Ts -压缩机⼊⼝温度，单位℃
Psb -压缩机基准压⼒，单位MpaG
Tsb -压缩机基准温度（数值参考数据表），单位℃
3、压⼒⽐
压⼒⽐计算⽅法： 1013
.01013.0++=Ps Pd PRAT （3-3） PRAT -压缩机出⼊⼝压⼒⽐
Ps -压缩机⼊⼝压⼒,单位MpaG
Pd -压缩机出⼝压⼒,单位MpaG
4、实际操作裕度
实际操作裕度是指操作点与喘振点之间的距离。

图3-2 实际操作裕度
实际操作裕度在TS1131⾥实现⽅法为当前操作点与喘振点做差，⽅法如下：
图3-3 实际操作裕度在TS1131⾥的实现
5、重标定功能块
喘振发⽣后此块⽤来重新计算安全裕度。

我们定义：若是裕度降低到-1%以下，则认为喘振发⽣。

重标定功能块有效需具备⼀定条件:喘振控制器使能或喘振控制器⼯作在⾃动或⾮⼿动模式下。

喘振发⽣后此功能块就在原有安全裕度的
前提下累加⼀个增量作为新的安全裕度。

6、总安全裕度
此功能块⽤于计算操作安全裕度。

操作设定裕度可以是⼀个常数和⽐例项的组合。

图3-4对这两种不同类型的增益进⾏了阐述。

通常情况下，⼀个常数增益就⾜够了。

然⽽有些压缩机⼯作在介于喘振和阻塞流的狭窄范围内。

要么低速运转，要么导向叶⽚开度很⼩。

这种情形下就需要⼀个稍⼩的常数增益和⼀⽐例增益。

操作安全裕度的计算公式如下：
100_
*
_
_
MAR PROP
rSULIN
MAR
CONST
OP
rSAFETY+
= (3-4) 式中，CONST_MAR-常量安全裕度
PROP_MAR- ⽐例安全裕度（%）
rSULIN-喘振点
图3-4 控制线的绘制⽅法
总安全裕度是操作裕度和重标定裕度之和，它的实现⽅法如下：
图3-5 总安全裕度的实现
7、喘振控制器设定点功能块
此功能块⽤于计算并绘制喘振控制器设定点曲线（set point Hover line）。

Set point Hover强制喘振PID的SP跟踪压缩机的操作裕度。

当操作点远离喘振控制线时Set point Hover也随之跟踪。

图3-6 Hover line
8、喘振PID 模块
此功能块为喘振PID控制器。

控制器的给定值SP从Setpoint Hover 功能块获得，测量值PV为实际操作裕度，控制器为反作⽤控制器，即当流量突然降低得较快时，这时⼯作点往回运动地快，HOVER点跟踪不上，由于反作⽤，就会开喘振阀。

控制算法为经典PID控制。

微分时间
为零，只有⽐例和积分作⽤。

9、喘振超驰
超驰控制能够在喘振控制器起作⽤前达到保护压缩机的⽬的。

TS3000中有⼀个纯⽐例作⽤功能块，它不依赖于喘振控制器的PI作⽤，能够独⽴地对喘振阀进⾏控制。

如⼯艺扰动特别⼤或其它原因，造成机组突然喘振，喘振控制器来不及响应，这时该模块提供⼀个⽐例项输出值迅速打开喘振阀。

当操作点达到喘振线时，它控制喘振阀打开。

超驰控制能够克服喘振PID控制器控制作⽤滞后的缺点，能及时控制喘振阀
开启，进⽽达到保护压缩机的⽬的。

10、防喘振阀选择模块
此功能块选择最终输出信号控制喘振阀。

在喘振控制器控制喘振阀时有三种操作模式：⾃动、⼿动和半⾃动。

作⽤于喘振阀的信号是通过⾼选器选择的。

⾃动模式下，喘振阀接受到的信号是喘振PID输出、喘振超驰输出和过程超驰输出的最⼤值。

半⾃动模式下，输出信号是喘振PID输出、喘振超驰输出、过程超驰输出和⼿动给定信号的最⼤值。

⼿动模式下喘振阀的输出信号是HMI（⼈机界⾯）上的⼿动阀位输出。

K262⼀段防喘振控制就是由以上模块构成的，它通过控制⼊⼝回流量避免喘振的发⽣。

该功能由TRICON专⽤扩展函数模块来实现，执⾏速度快，应⽤有效的复杂控制算法防⽌机组喘振。

当喘振发⽣，喘振控制器控制防喘振阀迅速开启直到喘振消失，防喘振阀慢慢关闭，实现快开慢关功能。

喘振线由五段线段组成，将每段线段端点的纵坐标出⼝/⼊⼝压⽐（Pd/Ps）和横坐标流量差压（Hc %（0-100%））输⼊SRG_LINE模块，SRG_LINE 模块根据输⼊的实际⼯作压⽐（Pd/Ps）可以计算出对应的喘振点（Hc%）位置。

控制线在启机时默认安全裕度为10，⼯程师可在下位机Ts1131程序内设定安全裕度（初始10%，也可根据实际⼯况做适当调整。

）⼀旦⼯作点向左越过喘振线，即判定为喘振发⽣。

控制线会⾃动向右平移2%（⼯程师可根据实际⼯况做适当调整）此为控制校准线。

按reset键，控制线会恢复到初始设定。

当⼯作点向喘振区移动的速度⼤于跟踪点移动速度并且超越跟踪点时，防喘振阀将迅速打开，跟踪设定点迅速按相同的速率减少，直到该阀全开，并建⽴新的⼯作点。

在ITCC控制中，我们采⽤过程和喘振控制解耦的控制⽅式。

在ITCC 中，压缩机⼊⼝压⼒控制器和喘振控制器之间存在⽭盾。

维持⼊⼝压⼒恒定，我们是通过透平转速控制来实现的。

流量减少，若转速不变会引起⼊⼝压⼒降低，压⼒传感器检测到降低信号，发出信号使透平降低转速，在运⾏点接近喘振控制线时，降低转速对防喘不利。

为解决此⽭盾，我们采⽤了解耦控制。

这种⽅法是尽量使喘振控制器的测量值PV⼤于喘振控制器的SP，进⽽阻⽌喘振控制器对喘振阀的控制。

为达到此⽬的，就需要让⼊⼝压⼒控制器去开压缩机的防喘振阀。

喘振阀打开，⼯艺⽓体回流到⼊⼝，出⼝流量减少与此同时⼊⼝流量增加。

这样压⼒控制器便通过防喘振阀对⼊⼝压⼒进⾏控制。

4、总结
喘振是离⼼式压缩机的固有特性，具有较⼤危害。

喘振现象的发⽣取决于管⽹的特性曲线和离⼼式压缩机的特性曲线。

⽬前⽽⾔，压缩机防喘振控制以被动控制模式为主，防喘控制的基本⽅法仍采⽤最⼩流量限控制。

但随着控制技术的不断发展，可以针对不同的情形采⽤不同的对策，加之配以先进的软件系统和可靠的硬件系统，更能有效地防⽌喘振的发⽣和提⾼防喘控制的品质。

参考⽂献
[1] 王树青等.⼯业过程控制⼯程.北京：化学⼯业出版社,2002.
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[4] TriStation 1131 Turbo machinery Control Software.January,2005.。