摘要：该文对压缩机喘振现象及其预防方法做了充分地阐述，对不同方法的优缺点进行了比较。结合发电机组实际情况，提出适用于该机组循环氢压缩机的防喘振方法，并对系统的主要设备选型和功能做了简要介绍。在此基础上，进一步引出了循环氢压缩机防喘振系统的结构和控制原理、计算方法、开闭环控制功能等，重点对控制器中的裕度计算和响应线漂移功能做了详细说明。对该系统实际使用中存在的问题和改进措施做了简要说明。
关键词：循环氢压缩机；防喘振；喘振线；响应线；裕度
1前言
在现代石油、化工等工业生产系统中离心式压缩机是重要的气体传输设备，喘振是离心式压缩机的固有特性，当离心式压缩机在喘振状态下运行时，容易造成设备发生损坏更严重者造成物质的泄露事故，不得不停工停产进行检修工作，为企业带来严重的经济损失。
2喘振的定义、发生与危害
在压缩机运行过程中，如果进入压缩机的气体流量小于一定压力下的限定值，那么通过压缩机的气流将变得不稳定，气体流量、流向和出口压力将会产生剧烈变化，引起强烈的振动和异音。这种现象就是压缩机的喘振。
图1压缩机出口压力－流量关系图
图1描述了压缩机运行工况与喘振的关系。压缩机在一定的负荷条件下，都存在一个由能够保持正常运行的最小流量和最大出口压力所组成的坐标点，将不同负荷条件的坐标点相连，就组成了该压缩机的喘振线。喘振线的左上方是不稳定区域，压缩机在这个区域内将会发生喘振；喘振线的右下方则是稳定区域。假设在某个流通阻力条件下，压缩机的出口压力和流量组成的坐标点为1，这就是压缩机此时的工作点。在其他条件不变的情况下，如果流通阻力增加，那么压缩机的工作点就会沿着负荷特性线，从点1滑到点2。这样，压缩机的出口压力增大，而流量则会减小，且工作点距离喘振线更近了。如果流通阻力进一步增加，压缩机的工作点就会继续滑到点3，出口压力更大，流量则进一步减少。此时，压缩机的工作点已触碰喘振线，压缩机进入了不稳定区域，就会开始出现喘振现象。压缩机喘振引起的振动和气流脉动会对压缩机本体和相关设备造成严重的损害，包括叶片/叶轮、推力轴承、轴封、滤网、消音器、连接法兰等各种组件都会因此发生磨损、断裂等现象，直接导致压缩机停车。此外，就本机组而言，由于压缩机内部的流通介质属易燃易爆有毒有害物质，一旦压缩机发生较大损坏，造成循环氢大量泄漏，极有可能发生严重的生产安全事故。
3喘振的主要控制方法
为了防止压缩机喘振现象的发生，目前已有比较成熟的控制技术得到了应用。此外，基于最新的控制原理与技术，一些新型控制技术也在不断研究和发展之中。
图2固定极限流量法
3.1固定极限流量法
在最大负荷条件下，压缩机开始喘振时的流量Q比其他负荷条件都要高，因此可以简单的将压缩机的最小流量限定在Q以上的5%～10%左右，称为Qmin。一旦流量低于这个限值，就会打开相应阀门，使部分流通介质排空或者回流至压缩机入口，使得压缩机内部流量重新回到限值之上。这种方法的优点在于控制原理简单，检测仪表数量较少。但这种方法也存在较大的缺陷，即当压缩机的负荷较低时，很大一部分流量都白白浪费，降低了系统的效率。如图2所示，当压缩机处于最小负荷时，将有Qmin－Q'的介质处于无效率的循环或者排空状态。因此，只有压缩机绝大部分时间都工作在最高负荷的情况下，才推荐使用这种方法。
3.2可变极限流量法
如果压缩机的负荷经常变化，那么就应当考虑到不同负荷条件下，压缩机开始喘振的不同位置。但如果将喘振线作为防喘振的控制限值，压缩机就会在喘振线附近来回波动，难免出现喘振现象。因此，一般将喘振线右侧5%～10%的一根曲线作为限值，称为喘振响应线（简称响应线，下同），这样就可以保证压缩机不会频繁地进入不稳定区域。喘振线和响应线之间的区域称为安全裕度。如图3所示，在最大负荷条件下，当流量降低时，压缩机的工作点从点1沿着负荷特性线滑到点2；如果流量继续降低，则工作点将会沿着响应线向左下方移动至点3。这时，压缩机的负荷特性也会随之改变，其转速或入口静叶角度会相应降低。
相较之固定极限流量法，这种方法在压缩机负荷较低时，循环或排空的流通量大大降低，可以提高效率，节约能源。不过，这种方法要求防喘振阀门（简称防喘阀，下同）需要选用快开特性的阀门，或者使用电磁阀、放大器等组件，用来加快阀门在紧急情况下的打开速度；同时，需要设置较多的检测仪表，除了流量之外，还要求有压缩机入口的压力、温度和出口压力，检测精度的要求也较高。
图3可变极限流量法
3.3新型控制技术的探索与应用
随着计算机技术和控制理论的不断发展，一些新方法正在不断被研究和应用。例如，利用模糊控制原理，将模糊控制器与PID调节器组合成模糊PID调节器，充分发挥两种控制方法各自的长处，提高控制的动态响应；使用预估控制，可以在压缩机尚未进入喘振状态，但其工作点向喘振方向移动速度过快时，提前作出干预。有些方法仍处于试验探索阶段，尚未达到工业化应用的程度；另一些则开始用来改善甚至替代原有的控制技术。
4防喘振控制器的设计
4.1控制的主要目标
对于可变极限流量法来说，控制的主要目标是压缩机的工作点与响应线之间的距离，又称为控制裕度（简称裕度，下同），即通过将防喘阀打开一定的角度，使得裕度在保持正值的条件下尽量靠近零。防喘振控制器的主要目标，就是解决好以上两个问题。
4.2裕度的计算方法与
PI调节功能对压缩机控制裕度的计算，首先需要得到一条响应线。前文中谈到，响应线一般是喘振线右侧5%～10%的一根平行线。但考虑到控制程序中的函数拐点个数的限制，防喘振控制器的响应线设置了10个拐点，以便在最大程度利用程序能力的条件下，尽可能地拟合理论响应线。
4.3开环控制功能
为了最大限度地提高效率，防喘振控制器的裕度必然不会太高。因此，如果系统中出现较大幅度的工况变动，极有可能使得压缩机靠近甚至越过喘振线。所以，还有一系列的开环控制功能，作为PI调节器的辅助，共同作用于防喘阀。
4.4防喘振控制的快开保护
循环氢压缩机组发生喘振后易造成机组及管道损伤，氢气泄露，后果十分严重，所以需设置快开保护程序，而且为满足防喘振控制要求，防喘振阀需选用快开慢关的阀门。1.当工作点位于喘振区域内时就会触发快开保护程序，防喘振电磁阀失电，阀门全开，以保护机组不发生喘振。2.当压缩机停机后，防喘振电磁阀失电，阀门全开。
5结束语
通过不断地摸索和学习，防喘振控制系统提高了稳定运行能力，技术人员提高了业务水平，对机组正常高效运转起到了至关重要的作用。
参考文献：
[1]陈浩然，陈奎，赵冬，孟飞，林凡.离心式压缩机防喘振方法的应用现状[J].重庆理工大学学报（自然科学）2015.
论文作者:罗浩
论文发表刊物:《基层建设》2018年第16期
论文发表时间:2018/7/16
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