防喘振调节阀的应用分析

防喘振调节阀的应用分析
王凯
【摘要】介绍了离心式压缩机喘振发生的原因和两种解决方案,对当前广泛应用的增加防喘振控制系统的方案,分析了传统防喘振调节阀性能指标的不足,提出了防喘
振调节阀的新型动态功能指标,并对防喘振调节阀的设计和选型,进行了较详细的分
析和说明.
【期刊名称】《石油和化工设备》
【年(卷),期】2017(020)008
【总页数】4页(P65-68)
【关键词】压缩机;防喘振;调节阀;定位器;应用
【作者】王凯
【作者单位】海洋石油工程股份有限公司,天津,300451
【正文语种】中文
在海洋石油工程以及化工、冶金等行业中，压缩机是最重要且成本最高的设备，其生产过程中的维护和运行费用很可能超过其最初投入[1]。

然而，快速、高能量的
流体不稳定导致的压缩机喘振可能会损坏其内部元件，从而导致停机和产生昂贵的维修费用。

喘振是由于气体的可压缩性造成的，是离心式压缩机的固有特性[2]。

喘振与压缩
机负荷、被压缩气体的分子量、温度、压力及管网容量有关。

在压缩机运行过程中，如果其吸入量减少到一定值，一旦压缩比下降，输出管线中气体压力高于压缩机出
口压力，被压缩的气体很快倒流入压缩机，待管线压力下降后，气体流动方向又反过来[3]。

此时其吸入流量和出口压力周期性低频率大幅度波动，周而复始，产生
喘振。

喘振可以引起压缩机轴位移，使轴产生弯曲，造成机组振动加大，并波及到相邻的管网，喘振强烈时，可使压缩机遭到严重破坏[4]。

为防止发生喘振，有两种可行的方案。

一种是使压缩机运行在喘振线之上，然而这种方法并不能完全消除喘振。

同时使用这种方式就意味着压缩机不能得到充分利用。

另一种方案，即目前广泛应用的是增加防喘振控制系统，它主要由控制器、防喘振阀和一些附件组成。

图1是一个典型的防喘振控制方案，控制器将压缩机上游的温度（TT），流量（FT）和压力（PT），压缩机进出口的压力差（DPT）和速度进行了综合考虑。

喘振控制器工作在尽可能靠近喘振线的位置以最大化压缩机的效率，且不会影响到其性能。

因此，高性能的控制器，防喘振阀和附件是保证压缩机尽可能靠近喘振线运行及提高效率的关键。

1.1 传统防喘振调节阀的评价标准
防喘振调节阀在压缩机上的应用已有几十年，大部分防喘振阀是将压缩机出口的流体回流至入口，以保证压缩机的最小流量[5]。

另外一种不常见但同样有效的方式
是安装泄放阀将出口的压力降低。

由于喘振是瞬间快速发生的，需要防喘振阀能够快速打开，因此，阀的打开时间就显得极为重要，这个动作时间就是从全关到全开的时间。

在严峻工况下，打开时间是衡量阀性能极其重要的标准。

然而防喘振阀很少应用在这种工况下，尤其是防喘振控制器应用时。

完全打开防喘振阀会导致大量的流体回流或释放，大大降低压缩机的效率，并且这种方式也会导致整个工艺系统的性能恶化。

除特殊情况，防喘振阀一般要求打开时间小于2s[6]。

有时对关断时间也做要求，
但相对比较宽松，一般要求关断时间小于10s。

尽管打开时间是衡量防喘振阀的重要因素，如果把动作时间作为唯一标准，执行器附件往往需要慎重的选择和调整来满足要求，可能会导致系统的可控性和鲁棒性变差。

因此为充分实现压缩机的控制要求，需要在整个控制系统层面来考虑，并兼顾阀的各项要求。

1.2 新型动态性能评价标准
最近几年出现了一种新型的应用方案，它可以保证防喘振阀满足静态运行、动态运行、平滑启动、伺服鲁棒性和操作可靠性的需要，如表 1所示。

注意特定的应用
可能需要其他的参数和更加严格的限制。

表1中的第3条关断时间，此要求保证了不会出现大幅度的动态不对称性。

如果
阀在不同方向上的动作时间变化过大，就会使得阀的定位器和系统反应时间变得不好预测。

同样不对称动作会导致回路的切换问题。

通过设置附件参数，保证动态的对称，可以使得阀和系统的反应性能得以提高。

第6条大幅度步进要求，是传统
防喘振阀不具备的。

当压缩机靠近喘振点时，系统会快速打开阀，将压缩机恢复到更稳定运行点。

本表中从10%的开度开始是为了保证在两个方向上反应是快速和
准确的。

第11条频率响应测试，是评估定位器性能的常规方法，并需要在设备设计过程中确定。

一旦设备开始制造，一般就不再需要其他频率测试了。

许多防喘振阀，尤其是大型阀门，都是建立在客户气源上的气动阀门，并伴随有一系列的附件，如辅助气瓶，它保证了系统更大的动态特性。

频率响应测试应用了正弦测试信号，在量化动态鲁棒性方面非常有用，并能确定步进测试中不被发现的“盲点”。

为便于确定问题，测试信号的振幅必须慎重选取，以保证执行器附件能够全部在测试中不遗漏。

如果防喘振阀的设计和测试能够全部满足表1的评价标准，动态反应和鲁棒性将
会非常好，完全可以达到现场应用的要求。

2.1 阀体
标准的平衡阀有许多小的平衡孔。

在快速动作下，阀杆上方的空气会从这些小孔中释放，降低了打开过程中的阻力。

大型阀的阀杆都被重新设计过，通过应用辐条降低了阻力。

由于高流速产生轴向和径向推力，需要在阀杆的底部增加一个活塞圈来降低其影响。

重复的径向阀杆运动可能导致出口压力振动从而导致管线振动，活塞圈也有助于消除空隙流，但在低流量的工况下有可能会影响系统的可控性。

2.2 阀噪音
由于大型阀存在高流速和系统的高压差的使用工况，如果不使用特殊的噪音消除阀芯可能造成噪音过高。

通常情况下，防喘振阀的噪音范围在85dBA到100dBA之间，在增加外部减噪以前，噪音严禁超过110dBA，且流体速度不准超过0.3马赫。

如果高于这个标准可能导致管线、阀元件和附件损伤。

2.3 执行机构
由于防喘振阀要求动作很快，因而执行器和附件往往单纯地以达到动作时间为选取标准。

这样就可能导致在喘振情况下如果要求微量调节时，会出现不可接受的过量调节。

在小型系统中，广泛采用弹簧恢复的活塞或隔膜执行器，并通常设计成压力缺失时失效开。

在大型系统中，阀往往要求大执行器和长距离动作。

这种情况下通常使用双活塞执行式并需要一个脱扣阀和辅助气瓶来实现仪表气失效下的动作。

如果在防喘振系统中应用活塞式执行器，一定要注意系统中的摩擦影响。

往往需要在汽缸内部采用铬涂层和在活塞上使用垫圈，这就可以大大降低摩擦的影响和消除金属摩擦。

2.3.1 附件
获取快速动作的通常方法是在系统中增加辅助气瓶。

气瓶帮助增加气体量从而获得要求的动作时间。

在大型执行器应用和严禁大超调情况下，可以使用多级增压气瓶
来达到动态性能。

多级增压气瓶也会减轻阀的调谐要求。

2.3.2 调谐和控制
调节阀的定位器在提高执行器的控制和反应时间方面至关重要，这些需要定位器增益设置和监视系统性能的提高[7][9]。

智能型定位器是高增益、比例型和微分控制器，它具有三种调节方式：前向增益、次反馈增益和速度反馈增益[9]。

前向增益
用来设定反应速度，增益越高反应速度越快；速度反馈控制着次阻尼，用来减轻快速反应中的超调；次反馈控制主阻尼和减小反应中的滞后，从而获得更大的前向增益。

图2是对30英寸阀的测试结果，它的动作量程为24英寸，从开度10%步进到70%。

可以发现高增益使阀门对步进变化反应迅速且超调小。

阀门动作时间满足
要求，且具有精确的闭环回路控制能力。

正确选择定位器和应用附件可以在很大程度上减小滞后时间，同时提高阀杆定位的精度和线性化[10]。

传统的防喘振控制系统中，使用辅助气瓶和快速泄放阀的组合，可能需要一位资深工程师数小时的工作来选择。

现在去除掉快速泄放阀，而应用智能型定位器技术可以将这项工作时间减少到不足一小时。

防喘振调节阀的选择不仅仅在于满足噪声和动作速度的要求。

消除系统中潜在的有害振动通常是我们更为关心的。

综合考虑选择阀芯，可以提供更好的控制性能并消除潜在的轴向和径向振动。

但满足行程动作速度要求仍是我们首先要考虑的，它可以保证阀在整个闭合回路中性能良好。

智能型定位器的应用也保证了在增加增益的同时仍然可以防止系统出现超调。

通过选择应用最新的阀和执行器的技术，配合智能型定位器技术和良好的附件，完全可以实现防喘振系统性能的最优化。

【相关文献】
[1] 郑传江. 浅谈石油化工用压缩机技术与应用前景[J].环球市场信息导报（理论），2011，(47)：59.
[2] 郑水成，董爱娜. 离心式压缩机防喘振控制系统设计探讨[J].石油化工自化，2004，(5)：16-17.
[3] 王亮. 有关压缩机防喘振控制系统的探讨[J].电源技术应用，2013，(2)：400.
[4] 沙宇. 空气压缩机防喘振优化控制系统设计[J].电子世界，2013，(19)：131.
[5] 徐炳华. 调节阀在离心式压缩机防喘振控制中的应用[J].自动化仪表，1981，(6)：63-65.
[6] 陈玉玲. 防喘振阀的选型及动作时间探讨[J].中小企业管理与科技，2015，(1)：324-325.
[7] 鲍涛，呼宏安，韩超. 浅谈阀门定位器与控制阀的连接[J].科技创新与应用，2014，(26)：1-2.
[8] 王化祥，林慧. 智能式电气阀门定位器[J].电子质量，2003，(9)：17-18.
[9] 周欢喜. 气动智能阀门定位器设计与实现[D].南京：南京理工大学，2014.
[10] 任强. 智能阀门定位器[J].油气田地面工程，2007，26(6)：62.。