這是「流程工業」發布的第 8984 篇文章
離心式壓縮機喘振產生的原因及解決方案——離心式壓縮機是工業生產中的重要設備，其具有排氣量大、結構簡單緊湊等優點，但也存在一些缺點如穩定工況區間較窄、容易發生喘振。喘振給壓縮機帶來危害極大，為了保障壓縮機穩定運行，必須應用有效的防喘振控制。本文主要介紹了離心式壓縮機喘振產生的原因，詳細敘述了壓縮機防喘振的意義與方法，以離心式空氣壓縮機為例，基於霍尼韋爾DCS系統如何實現防喘振控制。
文/葛昕煒、褚瑞華、傅江東、李翔
本文作者供職於杭州制氧機集團股份有限公司
離心式壓縮機工作及喘振原理
離心式壓縮機的工作原理
01
隨著我國工業的迅速發展，工業氣體的需求日益增長，離心式壓縮機因其優秀的性能及較大的排氣量而被廣泛應用於工業生產中。在離心式壓縮機中，汽輪機（或電動機）帶動壓縮機主軸葉輪轉動，在離心力作用下，氣體會被甩到工作輪後面的擴壓器中去。
而在工作輪中間形成稀薄地帶，前面的氣體從工作輪中間的進氣部分進入葉輪，由於工作輪不斷旋轉，氣體能連續不斷地被甩出去，從而保持了氣壓機中氣體的連續流動。氣體因離心作用增加了壓力，以很高的速度離開工作輪，經擴壓器後速度逐漸降低，動能轉變為靜壓能，壓力增加，同時氣體溫度相應升高，在單級壓縮不能達到壓力要求的情況下，需要經過多級壓縮，壓縮前需要經過氣體冷卻器冷卻，經過這種多級冷卻多級壓縮後，最終達到氣體壓縮的目的。
喘振產生的原因
02
喘振是目前離心式壓縮機容易發生的通病。離心式壓縮機的操作工況偏離設計工況導致入口流量減小，使得壓縮機內部葉輪、擴壓器等部件氣流方向發生變化，在葉片非工作面上出現氣流的旋轉脫離，造成葉輪通道中氣流無法通過。該工況下，壓縮機出口壓力及與壓縮機聯合工作的管網壓力會出現不穩定波動，進而使得壓縮機出口氣體反覆倒流即「喘振」現象。
另外，壓縮機的吸入氣體溫度發生變化時，其特性曲線也將改變，如圖1、圖2所示，這是壓縮機在某一恆定轉速情況下，因吸入氣體溫度變化時的一組特性曲線。曲線表明隨著溫度的升高，壓縮機易進入喘振區。
| 圖 1 離心壓縮機的性能曲線 | 圖 2 溫度對性能曲線的影響 |
喘振現象的發生，由於氣體反覆倒流，會打破壓縮機原有的運動平衡，導致轉子的振動增大，在旋轉中與定子接觸摩擦，通常監控上的表現為壓縮機出口的壓力反覆波動，軸承溫度逐漸升高。嚴重喘振時的強烈振動，會使壓縮機定子和轉子發生斷裂，密封和軸承損壞，造成事故，所以應防止壓縮機進入喘振工況。
為了避免壓縮機在正常運行時進入喘振區，通常會配有回流閥或放空閥，由於壓縮機發生喘振的根本原因是進氣量減小或用氣量降低，在控制中通過打開回流閥或放空閥增加壓縮機的進氣量或排出量，可以達到防止喘振的目的。
防喘振控制
喘振曲線的生成
01
空氣壓縮機隨機資料中，廠家通常會給出理論的喘振曲線：F（Nm3/h）-P（kPa），F表示壓縮機入口流量，作為曲線的橫坐標；P表示壓縮機的排氣壓力，作為曲線的縱坐標。喘振曲線一般是在第一象限中的一條弧線如圖3所示，喘振曲線的左側處於「小流量，高壓力」的工況，工作點到該區域中壓縮機就會發生喘振；喘振曲線右側處於「大流量，小壓力」的工況，工作點在該區域中可正常工作，不會發生喘振。
圖 3 壓縮機理論喘振曲線
壓縮機的工程師在現場會進行實際的喘振測試，以此來獲得最真實的喘振曲線，在壓縮機入口無流量計時，會用入口的喉部差壓代替流量進行計算，理論上喉部差壓與流量的平方成正比，具體步驟為：
1.將壓縮機出口去下游的管道切斷，一般會在出口管道加裝盲板，因為排氣無法進入下游，只能通過防喘閥放空，若防喘閥關小，則會造成出口壓力憋高、流量減小的情況，以此來模擬喘振的工況。
2.保證防喘閥全開情況下，起動壓縮機，用導葉調節合適的喉部差壓，然後緩慢關閉防喘閥，直至壓縮機的振動出現不規則波動，出口壓力出現周期性波動，表明出現喘振徵兆，需要迅速打開防喘振閥。
3.控制室人員查看控制系統中的歷史趨勢，記錄下喘振發生時的進氣溫度、排氣溫度、入口壓力、排氣壓力以及喉部差壓等參數，以此作為喘振曲線的一組數據。
4.改變導葉開度，以不同的入口的流量，重複進行2、3步驟，測試出不同工況下的喘振點。
5.將各喘振點擬合，做出喘振曲線。
防喘振控制方案
02
喘振試驗數據作為喘振聯鎖線，工作點運行到該線，判斷為已經發生喘振，需要立即聯鎖停壓縮機，並將防喘閥電磁閥失電，因為閥門故障開特性，防喘閥全開，以防止設備損壞；喘振線向右偏移5%作為保護線，工作點運行到保護線上，判斷為即將發生喘振，聯鎖防喘閥電磁閥失電，閥門全開，使工作點快速遠離保護線，但不停壓縮機，待機器工作穩定後，可以再次關小防喘閥重新加載；喘振線向右偏移10%作為控制線。工作點離喘振線越遠，越不容易發生喘振，但是過度的防喘振會導致大量氣體回流或者放空，造成能源的浪費，因此正常運行時需要將工作點控制在合適的區間裡，如圖4所示。
圖 4 壓縮機實際喘振曲線
由於吸入氣體的溫度對喘振有一定的影響，溫度越高，壓縮機的性能越差，其他條件相同的情況下越容易發生喘振，因此，還需對實際的喉部差壓進行溫度補償，補償到實測喘振曲線的入口溫度再進行計算，具體補償公式如下（P為喉部差壓）：
霍尼韋爾系統實現喘振保護
03
1.PID功塊
PID塊是防喘振保護中最重要的部分，PV引腳連接AI輸入即實測排氣壓力；OP引腳連接AO輸出即控制對象——定位器；SP引腳為被測量的設定值，在防喘振保護中會連接實際喉部差壓經防喘振控制線計算得到的排氣壓力。
在PID塊投入自動後，PID塊通過比較PV和SP的偏差，去計算OP的輸出，使PV向SP靠近，從而實現將工作點控制在防喘控制線附近。SAFEOP引腳可輸入模擬量，輸入的範圍可在OP的範圍中任意輸入，由於防喘振中的PID塊OP引腳一般連接的是閥門的定位器，通常OP的範圍是0~100 ；
SFIL引腳的作用是為了使PID無擾動地投入自動控制，當SILF引腳為ON時，將OP強制輸出為SAFEOP的值並且將PID塊的模式切換為手動，手動狀態下SP跟蹤PV的值。如圖5所示。
圖 5 PID 塊
2.折線塊
折線塊只有輸入輸出兩個引腳，均用於連接模擬量，在設置中可以輸出若干組X-Y的值，多組X-Y的值可以組合成一段連續的折線，輸入值通過Y(X)的折線函數計算得到輸出值，在防喘振保護中將實測到的喘振點輸入X-Y的值中，輸入引腳連接經過補償的壓縮機喉部差壓值，輸出引腳的值就是通過喘振曲線計算得到的對應排氣壓力值，可作為聯鎖或者控制的參數引用，可連到上述 PID塊的SP引腳，來實現對壓縮機工作點的控制作用，如圖6、圖7所示。
| 圖 6 折線塊 | 圖 7 折線塊設置 |
3.邏輯與運算功能塊
大於塊（GT）：比較IN[1]和IN[2]引腳，若IN[1]>IN[2]時，則輸出由OFF變為ON。
除法塊（DIV）：為數學運算中的除法，OUT=IN[1]/IN[2]。
最大值塊（MAX）：OUT輸出IN[1]、IN[2]中最大的值，如圖8所示。
圖 8 大於塊、除法塊、最大值塊
4.速率塊
速率塊的P1和PV引腳用於連接模擬量輸入和輸出如圖9所示，作用是當P1變化時，PV的值按一定速率變化到P1的值，這裡的一定速率是通過PVROCPOSLM和PVROCNEGLM兩個參數進行設置，PVROCPOSLM為上升速率限制，PVROCNEGLM為下降速率限制，速率的單位為「工程單位/分鐘」。通過速率塊可實現防喘閥的快開慢關，快開是為了能夠及時打開閥門防止喘振，慢關是為了調節工作點時使其慢慢靠近控制線，不至於因為調節過大而導致工作點撞到保護線，使電磁閥的聯鎖保護起作用。
圖 9 速率塊
5.手操塊
手操塊一般用於手動輸入給定OP的值如圖10所示，常用於手動給定閥門開度。和PID塊一樣，手操塊也有SIFL和SAFEOP引腳，功能與PID塊的相同。
圖 10 手操塊
6.防喘振邏輯搭建
（1）防喘控制線邏輯搭建
如圖11所示，PdI1.PV表示壓縮機的喉部差壓實測值；PI1.PV表示壓縮機排氣壓力實測值；K表示溫度補償係數，下同。
圖 11 防喘振控制線邏輯示意
一般，PID塊的模式應處於CAS（串級）模式，該模式下SP值由折線塊賦值得來，屏蔽了SP的手動寫入功能，使得喘振控制線啟用。
壓縮機的喉部差壓經過溫度補償後，進入防喘控制曲線的折線塊，計算得到對應的排氣壓力設定值，設定值連入PID塊的SP引腳，與PV引腳所連的排氣壓力實測值比較而改變OP值。
在操作員通過手操塊正常關小防喘閥時，由於速率塊對下降速率限制為1%/s，直接輸入目標開度，防喘會慢慢地關小，此時的MAX塊高選輸出為手操塊的OP值，若工況發生波動，排氣壓力實測值高於或快速接近SP引腳的值時，PID塊正作用將OP輸出值調大，當PID塊的OP值大於手操塊的OP值時由PID塊接管閥門控制，由於速率塊對上升速率限制為100%/s，所以防喘閥需快速地打開，使工作點下移。
（2）防喘聯鎖線邏輯搭建
當補償後的喉部差壓經過喘振線的折線塊計算後，得到排氣壓力的計算值，當實測的排氣壓力比計算值高時，引起壓縮機聯鎖停車，如圖12所示。
圖 12 防喘振聯鎖線邏輯示意
（3）防喘保護線邏輯搭建
與喘振聯鎖線相似，當排氣壓力高於保護線的折線塊的計算值時，聯鎖防喘閥的電磁閥失電，並給防喘閥的手操塊和PID塊輸出強制為100全開，防喘振保護線邏輯示意如圖13所示。
圖 13 防喘振保護線邏輯示意
結束語
本文介紹了離心式壓縮機的工作原理及喘振的形成原因，詳細敘述了防喘振控制的方案以及基於霍尼韋爾-PC系統如何實現防喘振控制，DCS中高集成度的模塊為系統組態以及後期維護提供了便利，簡單有效的防喘振控制對壓縮機的安全穩定運行提供了保障。
在「流程工業」推出的流程工業知識圈小程序上，雜誌已更新至最新一期~歡迎閱讀！全彩印刷，圖文並茂，您將獲得和翻閱紙質雜誌一樣的體驗。
流程工業
本文系「流程工業」首發，未經授權不得轉載。版權所有，轉載請聯繫小編授權（id：msprocess）。本文刊登於PROCESS《流程工業》2023年第3期，本文作者葛昕煒、褚瑞華、傅江東、李翔，供職於杭州制氧機集團股份有限公司，責任編輯胡靜，責任校對何發。轉載請註明來源：流程工業。歡迎您關注「流程工業」公眾號，第一時間獲取石油、化工、水處理、新材料、新能源最新市場動態，以及技術進展和項目信息。
點擊原文，免費閱讀流程工業電子雜誌