离心式压缩机防喘振控制系统的分析研究|离心式压缩机防喘振

　　[摘 要]本文从喘振产生的原理出发,分析了喘振发生的条件及其特性,并对常用的防喘振控制系统方法进行了比较,阐述了防喘振的最佳控制方案。解决离心式压缩机的喘振问题,对提高压缩机运行的质量和效率具有重要意义。
　　[关键词]离心式压缩机 防喘振 控制系统
　　[中图分类号]TH452[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)02-0119-02
　　
　　引言
　　离心式压缩机是工业生产中的关键设备,它具有排气压力高、输送流量小等优点,但也存在容易发生喘振等缺陷。喘振对压缩机的危害极大,因为一旦喘振发生,压缩机将处于不安全工作状态,为了保证压缩机的正常运行,必须配备控制系统来防止喘振的发生。
　　1 离心式压缩机喘振特性分析
　　喘振是由于离心式压缩机在某一个小流量下工作时,在叶轮和扩压器中产生强烈的气流分离引起的。离心式压缩机喘振取决于两个因素:一是内部的因素: 压缩机的实际运行流量小于压缩机的喘振流量。压缩机的运行工况远离设计点,流量小于最小值,在叶轮和扩压器内出现气流的严重旋转脱离;二是外部因素: 压缩机的出口压力低于管网压力,造成气体倒流,产生大幅度的振动。前者是内因,后者是外因,内因是在外因的促成下才发生喘振。
　　2 喘振的危害
　　喘振现象是离心式压缩机工作在小流量时的不稳定流动状态,喘振现象对压缩机十分有害,它的出现轻则使压缩机停机,中断生产操作造成经济上的损失,重则造成压缩机叶片损坏,能引起压缩机设备报废甚至造成工作人员伤害。喘振还能破坏工艺系统的稳定性以及损坏轴承造成恶性事故,所以防喘振是离心式压缩机控制的一个重要部分。
　　3 离心式压缩机防喘振控制系统
　　在正常情况下,离心式压缩机的喘振是由于吸入流量的减少,被输送气体的流量小于该工况下特性曲线的喘振点引起的。只要保证压缩机入口流量大于喘振点的流量,系统就会工作在稳定区,不会发生喘振。选择一个适于特定用途的的喘振控制系统,取决于许多因素,它包括:压缩机的种类、负荷的变化、测量元件的灵敏度、可靠性和喘振控制系统所要求的精确度。因此传统的离心式压缩机的防喘振控制方法主要有固定极限流量法和可变极限流量法两种。固定极限流量法通常用于恒速运行的离心机且一般流量调节器的给定值应大于额定喘振点流量的7%～10%;变极限流量法是采用随动防喘振流量控制系统在压缩机的不同工况下沿喘振曲线自动改变防喘振流量调节器的给定值抑制压缩机喘振的一种方法。
　　3.1 固定极限流量法控制系统研究
　　传统的压缩机类设备为达到控制流量或压力的目的,可以采取旁通回流、阀门节流、放空等控制手段,这些调节方式虽然简单易行,但却是以增加管网损耗,浪费能源为代价的。它不能充分使压缩机工作在其工况区,因此往往造成过早启动防喘振系统,浪费了能源,降低了经济效益。固定极限流量防喘振控制系统见图2,流量控制器是以Qp+S作为其设定值的防喘振控制器。当压缩机正常工作时,控制器的测量值大于其设定值,而回流阀是气关阀,输出达最大值时阀门关闭;当压缩机吸入量小于其设定值时,回流阀打开,压缩机出口气体经回流阀返回至压缩机入口,气量又增大到大于Qp+S值,这样就可以有效地防止喘振的发生。
　　这种控制方法是使压缩机的入口流量始终保持在大于某一固定值Qp+S(S为安全裕度)上,又称为单参数法。Qp为正常可以达到最高转速下的喘振流量值,从而可以避免进入喘振区运行。固定极限流量法的控制原理如上图1所示,压缩机正常工作时入口流量大于设定值Qp+S,则防喘振阀3完全关闭;若小于Qp+S,则安装在排气管路或进口管路上的流量传感器1便发出通讯讯号给伺服马达2,使伺服马达动作,将防喘振阀打开,使部分气体放空或返回压缩机吸入口循环使用。因此不论压缩机后续系统所需气量是多少,由于防喘振阀的作用使压缩机入口流量始终大于喘振流量,从而保证压缩机正常工作。
　　固定极限流量法控制方案简单可靠,并且投资小,一般适用于定转速或转速变化范围较小的机组。如果机组在转速较低的范围内运行,会造成流量裕度大,能量浪费很大。
　　3.2 可变极限流量法防喘振控制系统研究
　　在工艺条件波动的情况下,压缩机进气温度、气体组分的变化、压力等都会引起压缩机性能曲线和喘振点的变化。可变极限流量法防喘振控制系统如下图所示,流量控制器的设定值为M"(P2-aP1),当测量值大于该设定值时,旁路控制阀则始终关闭;当测量值小于该设定值时,控制器开启控制阀到一定位置,把一部分出口气体回流到入口处,从而增大压缩机的入口流量,防止喘振出现,确保压缩机的运行安全。
　　同一台压缩机压缩同样容积流量的气体 ,压缩机给气体提供的能量不变 ,多变指数不变。那么 ,进气温度增大、进气压力降低、分子量减小 ,都会引起排气压力的降低。可定性地得出:进气温度增大、进气压力降低、分子量减小都会使压缩机性能曲线下移。在压缩机负荷有可能通过调速来改变的场合,可知随着不同工况、压缩比、出口压力或转速 ,极限喘振流量是个变数。它随转速的下降而变小 ,所以最合理的防喘振控制方法 ,应是留有适当的安全裕量。变极限流量法是采用随动防喘振流量控制系统在压缩机的不同工况下沿喘振曲线自动改变防喘振流量调节器的给定值 ,使防喘振调节器沿喘振曲线右侧安全控制线工作,这样既安全又节能。采用可变极限流量法防喘振旁通阀打开点的设定很重要。设定过高时,压缩机在低负荷下消耗更大的能量。设定过低时,压缩机将被允许穿过喘振线而发生喘振。
　　3.3 防喘振技术研究方案
　　一般工业上防喘振控制技术方案的多是通过以下步骤获得:
　　(1)根据压缩机出厂的参数(流量、压力等),确定设计工况下的特性曲线和防喘振特性曲线;
　　(2)通过现场的实验,测取实际实验数据,并根据实验和计算的数据确定实际压缩机特性曲线和防喘振特性曲线:在压缩机转速一定的条件下,在一定范围内(正常工作区至接近喘振线)测取压缩机入口流量和入口、出口的压力,并绘制当前转速下的部分压缩机特性曲线,在此基础上进行分析计算,确定喘振区内的特性,绘制完整的特性曲线;监测压缩机的转速,通过适当改变压缩机转速,测取相应的数据,可得到压缩机在不同转速下的特性曲线,最终经过分析和计算可确定压缩机喘振极限曲线和安全工作线,得到实际的压缩机防喘振特性曲线;
　　(3)根据得到的实际压缩机特性曲线和防喘振特性曲线,与理论曲线进行比较,确定压缩机最佳工作状态,设计压缩机防喘振控制系统;
　　(4)应用工控机,通过编制控制软件,实时监测压缩机操作曲线,设计控制器控制回流阀阀位,实现无级自动,防止压缩机喘振现象的发生,并实现手自动切换。
　　4 结语
　　影响喘振的因素较多,离心压缩机的基本控制要求是在压缩机安全平稳运行的情况下,充分利用压缩机的工作区域,在工艺要求的压力和流量范围内,工况稳定可靠,操作方便,自动化程度高。为保证离心式压缩机高效、可靠地运行,因此必须设置相应的控制系统,对喘振现象产生的先兆加以快速准确地预测和判断,避免喘振现象的发生,从而保护压缩机安全平稳地运行。
　　
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