固定转速离心压缩机的喘振控制系统

余世玲

（北京温菲尔德石油技术开发有限公司 基建处，北京100016）

1 概述

对于固定转速离心压缩机（简称压缩机）流量、压力关系见图1。当流量降至Q1，操作点移至S1，压缩机发生喘振工况，叶轮和扩散器开始出现倒流，出口压力降低，噪音和振动发生，压缩机失去维持稳定操作的能力。严重的喘振可能导致压缩机机械密封、轴承及叶轮的损坏，造成不可挽回的经济损失。对于离心式压缩机，启动、停车、以及入口介质的压力、温度、比热、摩尔质量和压缩系数等任何参数发生变化，都可能使压缩机操作点到达S1，引起压缩机的喘振。在喘振系统设计时，通常通过设定喘振控制点S2（图1）和喘振实际发生点之间的安全余量来为喘振调节系统提供反应、调节时间。

图1 离心压缩机的性能曲线

通过打开喘振控制回流阀，调节压缩机入口流量，避免压缩机因流量太小使操作点到达S1，因喘振工况对压缩机造成损坏。

2 压缩机的喘振控制工艺流程

喘振控制的工艺流程通常有热气、冷气循环流程以及冷气加热气旁通循环流程。

2.1 热气循环流程

图2为热气循环流程。热气循环流程是指当压缩机的操作点达到S2时，为防止压缩机操作点接近或达到S1（图1），从压缩机出口止回阀的上游（尽可能靠近压缩机出口）将压缩机出口气体通过喘振控制调节阀循环到压缩机入口，增大压缩机流量以避免喘振工况的发生。热气循环流程中出口管道的体积较小，有利于提高压缩机喘振系统的反应速度；较小的出口管道系统体积有利于快速降低出口管道系统的压力，在压缩机紧急停车时，有利于控制喘振。但其系统容积较小，压缩机启动过程中容易由于压缩机出口气体过热而引起压缩机喘振。

图2 热气循环流程

2.2 冷气循环流程

图3为冷气循环流程。冷气循环流程是指当通过压缩机的操作点达到S2时，为防止压缩机操作点接近或达到S1，从压缩机出口冷却器或分离罐的下游将压缩机出口气体通过喘振控制调节阀循环到压缩机入口，增大压缩机流量以避免喘振工况的发生。相对于热气循环系统，冷气循环系统流程使压缩机出口管道系统有较大的容积，由于较大的管路系统体积，系统各参数的变化相对较慢（主要为压力、温度参数），喘振系统获得变化的工艺信号的时间相对较长，在一定程度上降低了压缩机喘振系统的反应速度，不利于在压缩机紧急停车时喘振的控制。但在压缩机启动过程中，在一定程度上延长了启动时的循环时间，降低了对压缩机启动时间的限制要求。

图3 冷气循环流程

2.3 热气旁通循环流程

图4为热气旁通循环流程。热气旁通回路是指系统中考虑了热气循环的同时也考虑了冷气循环，整个系统以热气循环为主，冷气循环为辅的一种气体循环调节模式。热气旁通流程在一定程度上兼顾了冷气和热气循环的优点，克服了热气循环和冷气循环系统的不足。在热气旁通循环系统中，冷气回路的阀门推荐选用调节型，而热气回路的阀门推荐选用快开型，冷气调节阀推荐独立于热气调节阀的计算口径。

图4 热气旁通循环流程

3 压缩机的喘振控制工况

压缩机喘振控制工况通常可分为启动工况（发生在压缩机启动过程中）、正常工艺操作工况和紧急停车工况。

3.1 启动工况

在压缩机启动的过程中，出口阀门关闭，气体在出口截断阀和入口截断阀之间循环。直至喘振控制调节阀完全关闭，压缩机达到额定转速，出口阀门开启，上游系统开始持续进气，压缩机进入正常操作状态。在压缩机启动过程中，由于整个系统处于密闭循环状态，所有功率消耗大部分用于加热系统内的气体，出口气体过热引起压缩机的喘振是在启动过程中存在的关键问题。

解决压缩机出口气体过热通常有3种方法：减少启动时间以减少气体的循环时间、增大循环回路中气体的体积、增加冷却气体循环量。

针对解决出口气体过热问题的几种方法和各种控制流程的优缺点，对于小功率压缩机，由于其启动时间要求较短，热气循环工艺流程是较合理的选择。对于大功率压缩机的启动工况，由于启动时间较长，需要较长时间密闭循环气体以使压缩机达到额定转速，为避免在循环过程中由于出口气体过热而引起压缩机喘振，进而造成停车，冷气循环系统是较合理的选择。

3.2 正常工艺操作工况

正常工艺操作和紧急停车的控制与启动有比较明显的区别，正常工艺操作情况下，压缩机的喘振主要是由于压缩机入口介质的组分、流量、压力等工艺参数发生变化引起的，压缩机的喘振曲线决定了喘振系统的工作性能。如果喘振曲线较平，说明该喘振系统对扬程的变化很敏感；较陡的喘振曲线说明该喘振控制系统对流量变化较敏感。在正常工艺控制过程中，压缩机的喘振系统控制应该满足压缩机的操作范围要求。所以喘振系统设计时，应该考虑所有可能的工艺操作条件，避免压缩机在正常要求的工况范围内出现喘振［1］。

正常工艺操作过程中的控制，关键问题是如何正确、合理地避免压缩机操作点越过控制喘振设定的控制点和喘振实际发生点之间的安全余量区域（从S2到S1的区域，通常为10%左右（图1），如果压缩机喘振控制性能较差，可能达到15%～20%）。由于压缩机喘振发生非常快，据统计数据显示，喘振一旦发生，通过压缩机的流量会在0.05s内降低，在2s内开始出现倒流［2］，喘振控制点和实际喘振点之间的安全余量是为了保证喘振控制系统有足够的反应时间，避免实际的喘振发生，正常操作过程中的控制喘振调节阀获得的信号以及阀门的反应速度也应该和启动、紧急关断有所区别，在正常工艺操作控制中，喘振调节阀获得的应是低增益值的信号［1］，对阀门的反应速度并没有特别严格的要求。

3.3 紧急停车工况（ESD）

当因工厂停电或者其他工艺操作安全原因，导致压缩机系统在没有任何控制、调节的情况下停车时，如何快速降低压缩机出口系统压力是紧急停车的关键问题。要求喘振控制系统有更快的反应速度，喘振控制调节阀快速自动全开，提供足够的回流流量。由于热气循环系统（图2）出口体积较小，反应速度较快，所以针对紧急停车工况而言，热气循环流程是有利的。

综合上面对启动、正常工艺控制和紧急停车几种工况下喘振发生和控制的描述，对于大功率压缩机，推荐选用热气旁通循环流程（图4）；而对于功率较小的压缩机，推荐选用热气循环流程（图2）。

4 喘振控制系统的主要部件及选择

4.1 喘振控制模型

喘振控制主要包括控制最小流量、控制最大压力、控制压缩比与实际流量的关系。喘振控制模型通常采用压缩比与实际流量的关系。这个模型的优点在于能够提供准确的喘振预测，同时气体组分的变换对喘振线的形状和位置几乎没有什么影响，这样就能维持喘振控制点和实际喘振点之间的安全余量在一个比较稳定的范围内，避免操作过程中因气体组分发生变化使操作越过喘振安全余量区而导致喘振发生。

4.2 主要部件

（1）进口流量计、进／出口压力仪表、温度表。主要用于提供喘振控制系统的工艺信号。由于现场将根据仪表系统对压缩机实际喘振线进行进一步的调整和验证，并使喘振控制线与之相适应，因此对流量、温度和压力仪表的精度并没有特别严格的要求。但是由于喘振发生的速度非常快，为使喘振控制系统的反应速度满足喘振调节的要求，所有流量、温度和压力仪表需要较高的取样频率；另外，喘振信号采集仪表的重复性是选择仪表的一个重要依据。基于信号采集频率的要求，不推荐使用智能型流量和压力仪表（采样频率较低）［2］。

入口流量计。文丘里流量计和孔板流量计通常用于压缩机入口流量的计量；由于孔板流量计压降较大，当压缩机吸入压力较低（小于0.3MPa）时，通常不采用孔板流量计。

压力传感器。由于表压传感器更通用且比绝压传感器容易标定，在压力高于0.15MPa时，推荐选用表压传感器；当压力低于0.15MPa，推荐选用绝压传感器［2］。

对于高吸入压力、低压缩比的压缩机，推荐采用压缩机进、出口差压作为喘振信号的输入，同时仍然需要安装入口压力传感器。

温度传感器。温度信号并不是喘振基本信号，但温度信号的输入可以用于介质摩尔质量变化时的流量校正，所以通常要求进、出口安装温度传感器，并将信号送入喘振控制器。由于工艺系统的温度变化较慢，温度传感器的反应速度并不是一个主要因素，因此可以使用智能型温度传感器。

（2）喘振控制调节阀。线性或者等百分比调节阀通常用作喘振控制调节阀。但是由于等百分比调节阀在低CV值时比线性调节阀有更好的稳定性，所以在选择喘振控制调节阀时，推荐使用等百分比调节阀［2］。

（3）止回阀。压缩机出口止回阀推荐采用缓闭式止回阀。

5 结束语

离心式压缩机的喘振系统工艺设计应该根据离心式压缩机的功率等自身特点，结合工艺要求的操作范围、操作介质的特性、管路系统的特点，综合考虑启动、正常工艺控制和紧急停车等不同工况，选择合理的喘振工艺控制系统，避免因喘振造成压缩机轴承、叶轮、机械密封等机械部件的损坏，造成不可挽回的经济损失。

［1］BRUN K，NORED M G.Application guideline for centrifugal compressor surge control systems［M］.Release Version 4.3.Texas：Gas Machinery Research Council Southwest Research Institute，2008：9-30.

［2］MCMIUAN G K.Centrifugal and axial compressor control［M］.North Carolina：Instrument Society of America，1983：33-42.