轴流风机的防喘振控制

长岭分公司关键机组防喘振控制长岭分公司机动处李晖一概述透平式压缩机是利用高速旋转的叶轮（叶片组）对气体作功，将机械能加给气体，使气体压力升高，速度增大。

在叶轮后部一般设置有面积逐渐扩大的扩压元件（扩压器），高速气体从叶轮流出后再流经扩压器，使气体的流速降低，将气体的速度能（动能）部分转变为压力能，压力继续提高。

透平式压缩机气体的吸入、压缩和流出均是在连续流动的状况下进行的。

透平式压缩机按气流运动方向可分为三类：离心式—气体在压缩机内沿离心方向流动轴流式—气体在压缩机内沿与转轴平行方向流动混流式—气体在压缩机内的流动方向介于离心式和轴流式之间长岭分公司的关键机组分二种：离心式压缩机和轴流式压缩机，它们的原动机有三种：电动机，烟气轮机和蒸汽轮机，压缩机的主要作用是压缩空气和富气等工艺介质，使之达到工艺所需的流量、压力。

关键机组是生产中的关键设备，它们的运行工况对压缩机安全、稳定、经济地运行和生产装置的正常运行十分重要，而在关键机组的诸多自控回路中，其防喘振控制是一项重要的安全保护措施。

二防喘振控制系统喘振是透平压缩机的一种固有特性。

1.喘振的产生压缩机的运行工况任何时候都可以用性能曲线来表示，通过性能曲线可以反映压缩机各种运行参数之间的关系并确定其性能，如图1所示的是反映压缩机出口压力与入口流量之间关系的性能曲线(入口温度、压力和转速不变)。

当压缩机的流量沿着性能曲线减少流量达到其驼峰点流量（喘振点）时，在排出管内出现时大时小、时正时负的不稳定工况，在叶轮及扩压器的某一通道内还会发生时出现时消失的边界脱离涡流区，并且依次传给相邻的管道，产生一种低频率、高振幅的气流脉动，从而引起严重的振动和吼叫声，严重时可能引起压缩机和管道系统遭到破坏。

2. 喘振的机理由于叶轮与叶片扩压器的形状及安装位置不可能完全对称及气流的不均匀性，当进气流量减小到某一个值时，进入叶栅的气流发生分离，这种分离首先发生在一个或几个叶片的流道中，影响进入相邻的流道的气流方向，由于进气冲角的变化及气流的分离区沿叶轮逆流旋转，以比叶轮旋转速度小的相对速度移动，在绝对运动中分离区沿叶轮旋转方向并以比叶轮旋转速度小的速度进行，即产生旋转分离。

当旋转分离扩散到整个管道，压缩机出口压力突然下降，后面管路（或容器）中的气流倒流至压缩机内，瞬时弥补了压缩机流量的不足，恢复机组的正常工作，把倒流至压缩机内的气体压出处，又使压缩机流量减小，压力再度下降，压缩机后管道中的气体又重新倒流至压缩机内，重复上述现象，压缩机及入口流量出口压力1图1 压缩机性能曲线图气体管路产生低频率、高振幅的气流脉动，并发出很大的响声，机组产生剧烈振动，以至无法工作，甚至损坏设备。

3.防喘振方案由于压缩机喘振对机组及生产的危害，在压缩机正常运行时，必须防止喘振的发生；在机组发生喘振后，必须尽快采取措施使机组回到正常运行工况。

因此，压缩机防喘振系统设计的主要目标就是寻找一种可靠的方案，使机组工作点离开喘振点，保证机组正常、安全地运行。

目前有二种防喘振方案：一种是应对式防喘，这种方案主要是机组发生喘振后，尽快采取措施使机组回到正常运行工况；另一种是采用防喘振控制系统，这种方案主要是在压缩机正常运行时，采用近似的方法(到目前为止，对于不同摩尔质量、温度、压力的压缩气体，还没有一种可行而固定的方法来精确地测量及计算压缩机的喘振点或喘振线)，建立一个离喘振曲线有一定余量的控制点或控制线，通过防喘振控制系统的控制响应防止喘振的发生，根据控制值的情况，这种防喘振控制系统又可分为二类：固定极限流量防喘振控制系统和随动可调极限流量防喘振控制系统，其中固定极限流量防喘振控制系统是根据压缩机组的性能曲线，用预定的最小流量值作为防喘振控制系统的给定值，这类方案可靠性高，使用于固定转速的离心式压缩机，但转速降低时，容易浪费能源；而随动可调极限流量防喘振控制系统是根据压缩机的通用性能曲线，采用近似的方法，建立一个离喘振曲线有一定余量的防喘振控制线，通过防喘振控制线的轨迹确定防喘振调节器的给定值，一般用于负荷可能经常波动的离心式压缩机及大型的轴流式压缩机。

长岭分公司的关键机组防喘振控制名细如下表：4.设计防喘振控制系统的基本思想从喘振的形成过程可以看出，导致压缩机喘振的条件有二个：首先在于压缩机越过最小流量（进入喘振区）时，会产生严重的旋转分离和分离区急剧扩大的情况；其次是压缩机与管路联合工作时性能曲线的状况和其交点的位置如何。

因此，防止喘振的方法主要是防止流量过小和出口压力过高，当操作需要流量减小到可能低于喘振点的流量时，应尽快采取措施，降低系统压力，达到降低机组出口背压，增大进气流量的目的，使工况点往大流量区（稳定工作区）移动，使压缩机正常运行时的工作点离开喘振点，从而防止喘振的发生。

由此看来，为了实现防喘振的要求，控制系统应具备以下基本条件：①系统能根据所控制的压缩机的性能曲线，预先给出防喘振控制器的给定值②压缩机出口应设防喘阀，能进行旁路调节或放空调节：旁路调节是当生产要求的气量比压缩机排气量小时，将其排气的一部分经气体冷却器冷却后，返回压缩机入口的调节方法；放空调节是当压缩介质为空气时，不需要返回入口而直接放空的调节方法③应能测出实际运行工况，并判断所处的位置，发生相应的控制响应。

其中，根据所控制的压缩机的性能曲线，预先给出防喘振控制器的给定值尤为重要，特别是对工业介质离心式压缩机和大型轴流式机组而言，一方面要根据机组安全要求，要提供一个额外的安全空间来保证机组在预料的最坏工况下的安全，同时又要防止防喘阀频繁动作，降低压缩机的压缩效率，导致能源浪费。

因此，这些机组普遍采用通用性能曲线控制方案，即采用随动可调极限流量防喘振控制系统，随压缩机的不同工况（压缩比、出入口压差、出口压力、转速等）自动改变防喘振控制器的给定值，而采用随动可调极限流量防喘振控制系统的关键又在于机组防喘振控制线的确定和防喘振模型的建立。

下面通过长岭分公司1#催化C302富气压缩机和B101轴流式空气压缩机的防喘振控制系统为例，介绍随动可调极限流量防喘振控制系统的设计。

三1#催化C302富气压缩机的随动可调极限流量防喘振控制系统1#催化C302富气压缩机是变速机组，原动机为杭州汽轮机厂的NG40/32型汽轮机,压缩机为沈阳鼓风机厂的2MCL606(一缸二段)，整机用于压缩1#催化分馏塔顶富气至一定压力后入系统管网，维持后部系统压力平稳。

正常工况下，采用分馏塔顶压力控制压缩机的转速来保证分馏塔顶压力平稳，恒速运行时，通过调节压缩机出口旁路防喘振调节阀来保证分馏塔顶压力平稳（分馏塔顶压控和防喘振调节组成低选系统）。

1#催化C302富气压缩机防喘振控制采用通用性能曲线控制方案（随动可调极限流量），该方案能够比较准确地确定压缩机入口气体条件：温度、压力等在一定范围内改变时的喘振点，能够设定压缩机最佳防喘振保护时的防喘振控制线，从而减少不必要的回流，提高机组效率，机组防喘振控制自控流程如图2所示：图2 1#催化C302防喘振自控流程简图1. 通用性能曲线防喘振控制方案1#催化C302富气压缩机防喘振控制调节是机组相关参数送入HONEYWELL的TPS 系统内的防喘振调节回路，通过出口旁路防喘振调节阀的控制响应来实现，1#催化C302富气压缩机入口气体流量测量仪表FT3520为V—CONE流量计配智能差压变送器(仪表量程：0-50KNM3/H)，出口旁路防喘振调节阀FV3520为HCU笼式调节阀配低功耗ASCO 电磁阀，入口温度为TT3520(仪表量程：0-100℃)，入口压力为PT3520（表压，仪表量程：0-200KPa），出口压力为PT3520D（表压，仪表量程：0-2500KPa），分馏塔顶压力控制为PC3201D2（PT3201 表压，仪表量程：0-200KPa）。

假设压缩机入口气体体积流量Q，入口流量差压H S，入口绝对压力P S，出口绝对压力P d，入口温度为T，则存在如下关系：Q = K1（H S/ρ）1/2根据克拉珀龙方程：PV=MZRT/u 可得：ρ= P S（u /ZRT）K1为流量计流量系数，ρ为压缩机入口的气体密度，M为气体质量，Z为气体压缩系数，R为气体常数，u为气体摩尔质量压缩机入口工作状态下的体积流量Q实= K1（H S/P S）1/2[（ZRT / u）实] 1/2对应到标准状态下（P0=101.325Kpa,T0=273.150K）的参考流量可表示为：Q标= Q实ρ实/ρ标一般来说，在压缩机入口温度、压力变化不是很大的情况下，Z基本不变，气体成分不变时，u和R不变，可得下式：Q标= Q实（T0 P S）/（T P0）对一台离心式压缩机来说，实践已经证明，它的喘振流量值在相同的压缩比下几乎具有相同的质量流量（对应标准状态体积流量Q标），也就是说不管压缩机入口的进气条件怎么变化（在气体的摩尔质量几乎不变时），以流量变量Q标为X轴，以出入口压力比变量P d/P S为Y轴，根据压缩机在设计条件下的工作性能曲线，经过计算，可以作出一条比较精确而固定的压缩机喘振线，这条曲线叫压缩机通用性能曲线。

压缩机通用性能曲线防喘振控制就是基于上述的压缩机通用性能曲线，通过建立一条防喘振控制线来完成控制的，考虑到整个系统的响应时间以及工艺过程、机组的安全性和稳定性，压缩机防喘振控制线一般定在高于压缩机喘振线5—10%的流量上（1#催化C302富气压缩机取10%），机组正常工作时，防喘振控制的入口流量的设定值就是根据压缩机压缩比，通过防喘振控制线来确定,考虑到简化压缩机防喘振控制系统的设计、测试、维护，采用TPS内的线性化模块,采用折线近似法对输入信号进行非线性化补正,故防喘振控制线为折线近似而不是直线近似，使之更接近压缩机特性曲线，降低能耗。

2. 压缩机通用喘振曲线和防喘振控制线的确定在设计条件下（气体分子量36.998、入口温度40 0C、入口压力2.04 ATA），沈阳鼓风机厂提供的压缩机预期性能曲线如图3：根据压缩机预期性能曲线的数据，可制表如下： 经过数据处理， 可得到1#催化C302富气压缩机的喘振曲线，根据喘振曲线确定的实际防喘振控制曲线如图4所示。

0.0020000 10.0015.00 20.0025.0018000 14000 22000 24000 26000 2800016000出口压力P (ATA) 入口流量Q(M3/H)图3 压缩机预期性能曲线6847RPM7228RPM7608RPM7988RPM5.887.609.31 13.01在图4中：①富气分子量取36.998②为了安全起见,将喘振曲线右移10%,得到了实际防防喘控制喘线③预期性能曲线是在绝对出口压力下测试得出的,实际上用出入口压缩比;入口流量由设计条件下的流量对应到标准状态下流量。