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。