離心式壓縮機(jī)的防喘振控制與閥門選型

1、晉升任職資格送審論文評(píng)審表論文題目離心式壓縮機(jī)的防喘振控制與閥門選型論文編號(hào)申報(bào)任職資格高級(jí)工程師撰寫時(shí)間2008-7-8評(píng)價(jià)要素評(píng)價(jià)等級(jí)優(yōu)良中差選題的科學(xué)性、針對(duì)性論證的邏輯性、論據(jù)的充分性結(jié)果的創(chuàng)新性、實(shí)用性工作的難度、深度及工作量表達(dá)的清晰性、結(jié)構(gòu)的規(guī)范性簡要評(píng)語：結(jié)論性意見（請(qǐng)?jiān)谙铝?項(xiàng)中選擇1項(xiàng)結(jié)論性意見，在方框中劃）：論文具有申報(bào)任職資格水平的：較高水平；達(dá)到水平；基本達(dá)到；不具備。專家簽名：年月日論文編號(hào)：專 業(yè)：生產(chǎn)過程自動(dòng)化論文題目： 離心式壓縮機(jī)的防喘振控制與閥門選型 內(nèi)容摘要： 離心式壓縮機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。本文對(duì)離心式壓縮機(jī)的固有特性喘振進(jìn)行了詳細(xì)的分析。重

2、點(diǎn)分析了乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)的獨(dú)特設(shè)計(jì)、工作原理及在TPS控制平臺(tái)上的邏輯實(shí)現(xiàn)，并對(duì)防喘振控制閥的合理選型進(jìn)行了有益的探討。這為離心式壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)。目 錄前 言1第一章 喘振的產(chǎn)生及預(yù)防1一、喘振的產(chǎn)生過程1二、喘振的預(yù)防2三、常用的防喘振控制系統(tǒng)2第二章 乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)的防喘振控制4一、概述4二、防喘振控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)4第三章 防喘振控制閥的合理選型10一、合理選型防喘振閥，至關(guān)重要10二、防喘振控制閥計(jì)算的步驟10三、以防喘振控制閥FV205為例說明閥門選型的計(jì)算11第四章 結(jié)束語12前 言 隨著石油化學(xué)工業(yè)不斷的向大型化發(fā)展，越來越多的要求

3、壓縮機(jī)向高壓、高速、大容量、高度自動(dòng)化水平方向發(fā)展。離心式壓縮機(jī)由于有調(diào)節(jié)性能好、控制氣量范圍大、運(yùn)行效率高，維修簡單，較好的經(jīng)濟(jì)性能等特點(diǎn)，因此在大型化工裝置中離心式壓縮機(jī)使用的越來越多。在某廠乙烯裝置中，裂解氣壓縮機(jī)（GB201）、丙烯壓縮機(jī)（GB501）、乙烯壓縮機(jī)（GB601）、三元制冷壓縮機(jī)（GB801）都采用的是離心式壓縮機(jī)。 雖然離心式壓縮機(jī)的應(yīng)用非常普遍，但壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，有可能出現(xiàn)一種現(xiàn)象，即當(dāng)負(fù)荷降低到一定程度時(shí)，氣體的排出量會(huì)出現(xiàn)劇烈震蕩，同時(shí)壓縮機(jī)本身也會(huì)劇烈震動(dòng)，并發(fā)出“哮喘”似的吼叫聲，這種現(xiàn)象叫做離心式壓縮機(jī)的喘振。喘振是離心式壓縮機(jī)的固有特性，且對(duì)壓縮機(jī)本身

4、來說危害巨大，因此必須設(shè)置相應(yīng)的防喘振控制系統(tǒng)，以確保壓縮機(jī)的安全運(yùn)行。第一章 喘振的產(chǎn)生及預(yù)防 一、喘振的產(chǎn)生過程圖1-1為離心式壓縮機(jī)的P-Q特性曲線。 圖1-1 離心式壓縮機(jī)特性曲線曲線上的A點(diǎn)為壓縮機(jī)正常工作點(diǎn)，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速為N。當(dāng)壓縮機(jī)減低負(fù)荷，流量逐漸減小到Qm時(shí)，工作點(diǎn)將由運(yùn)轉(zhuǎn)下限B點(diǎn)突變到C點(diǎn)，壓縮機(jī)的出口壓力就由PB突變到PC，在此變化瞬間，與壓縮機(jī)相連的管路系統(tǒng)的壓力仍然為PB，也即管路系統(tǒng)的壓力PB高于壓縮機(jī)的出口壓力PC，于是氣流向壓縮機(jī)倒流，管路系統(tǒng)的壓力PB漸漸降低到PC。由于壓縮機(jī)在此過程中繼續(xù)在運(yùn)轉(zhuǎn)，故一旦機(jī)內(nèi)壓力與管路系統(tǒng)壓力接近時(shí)，它又開始向管路系統(tǒng)輸送物料

5、，則流量QC迅速突變到QD，工作點(diǎn)由C點(diǎn)突變到D點(diǎn)，而D點(diǎn)的流量大于A點(diǎn)（正常工作點(diǎn)）的流量，超過系統(tǒng)的要求，管路系統(tǒng)壓力憋高，當(dāng)高到PB時(shí)，工作點(diǎn)又到達(dá)B點(diǎn)，接著又突變到C點(diǎn)，反復(fù)上述過程，氣體從管網(wǎng)向壓縮機(jī)倒流，喘振重復(fù)發(fā)生。由于壓縮機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)，這種循環(huán)過程進(jìn)行的非常迅速因而氣體由壓縮機(jī)忽進(jìn)忽出，使轉(zhuǎn)子受到高變負(fù)荷，機(jī)體發(fā)生劇烈震動(dòng)并波及到所連接的管線。同時(shí)機(jī)器發(fā)出周期性間斷的巨大噪聲，使壓縮機(jī)各部件軸承和密封環(huán)損壞，嚴(yán)重時(shí)打碎葉輪，燒壞軸瓦，使壓縮機(jī)受到嚴(yán)重破壞。喘振現(xiàn)象的發(fā)生與管網(wǎng)特性有關(guān)。管網(wǎng)容量越大，喘振的振幅越大，頻率就低；反之振幅也小，頻率就高。二、喘振的預(yù)防使壓縮機(jī)發(fā)生喘振

6、的原因很多。一般來說，離心式壓縮機(jī)在吸入氣體流量小到一定程度時(shí)會(huì)產(chǎn)生喘振；被壓縮氣體吸入狀態(tài)（如分子量、溫度、壓力等）的改變往往也是造成喘振的原因。如裂解氣壓縮機(jī)，裂解氣組分的改變、吸入氣體壓力降低、壓縮后氣體溫度升高導(dǎo)致聚合生成積聚物堵塞流道等都會(huì)造成壓縮機(jī)喘振。為了防止壓縮機(jī)在喘振狀態(tài)下運(yùn)行，采用的辦法就是將壓縮機(jī)出口的部分氣體返回其入口。如上面所述，離心式壓縮機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下有一個(gè)喘振點(diǎn)流量。如果把不同轉(zhuǎn)速下不同的喘振點(diǎn)連接起來，就得到該壓縮機(jī)的喘振邊界線（如圖1-2）。此線左側(cè)為喘振區(qū)。防圖1-2 壓縮機(jī)的喘振邊界線喘振的目的就是使壓縮機(jī)的工作點(diǎn)不進(jìn)入喘振區(qū)。在轉(zhuǎn)速一定時(shí)，經(jīng)旁路返回壓縮

7、機(jī)入口的流量Q返須喘振起始點(diǎn)流量QB與壓縮機(jī)入口氣體QA之差，即Q返QB-QA，這樣一旦壓縮機(jī)的氣體流量減小到QB以下，就須打開旁路閥，使一部分出口氣體回流到入口保持壓縮機(jī)內(nèi)的氣量始終大于喘振點(diǎn)流量值QB，從而避免了喘振。三、常用的防喘振控制系統(tǒng)目前主要有兩種防喘振控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的防喘振控制。一種是旁路返回的氣體流量值為定值；另一種是在滿足Q返QB-QA的情況下，旁路返回的氣體流量隨壓縮機(jī)運(yùn)行工況不同而改變的防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)。3.1 對(duì)于第一種防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)叫固定極限流量防喘振也叫最小流量控制。在壓縮機(jī)及管路系統(tǒng)一定的條件下，當(dāng)壓縮機(jī)的流量小于某一數(shù)值以后，壓縮機(jī)即發(fā)生喘振。我們可用如圖1-

8、3所示的調(diào)節(jié)系統(tǒng)使壓縮機(jī)的流量始終保持大于某一定值流量。這類方案可靠性高，使用于相對(duì)固定轉(zhuǎn)速的離心式壓縮機(jī)，但轉(zhuǎn)速降低時(shí)，容易浪費(fèi)能源。圖1-3 固定極限流量防喘振3.2 離心式壓縮機(jī)的另一種防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)為可變極限流量防喘振。這種調(diào)節(jié)方案可使壓縮機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速（即不同的負(fù)荷）下有不同的喘振極限流量。它是根據(jù)壓縮機(jī)的通用性能曲線，采用近似的方法，建立一個(gè)離喘振曲線有一定裕量（通常為3%5%）的防喘振控制線（圖1-4）所示，通過防喘振控制線的軌跡確定防喘振調(diào)節(jié)器的給定值，確保壓縮機(jī)運(yùn)行在喘振控制線的右側(cè)。這種控制方式一般用于負(fù)荷可能經(jīng)常波動(dòng)的離心式壓縮機(jī)。其調(diào)節(jié)系統(tǒng)簡圖如圖1-5所示。 1-4

9、防喘振控制線的確立 圖1-5 可變極限流量防喘振第二章 乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)的防喘振控制一、概述 裂解氣壓縮機(jī)（ES-GB201）是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，它運(yùn)行的好壞直接影響著乙烯裝置的安穩(wěn)長滿優(yōu)運(yùn)行。本廠乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)GB201使用的是三菱重工生產(chǎn)的三缸五段蒸汽透平式離心壓縮機(jī)。DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用的是Honeywell的TPS系統(tǒng)，該系統(tǒng)有線性輸出、溫壓補(bǔ)償和低選的功能,為實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)防喘振自動(dòng)控制提供了平臺(tái)。二、防喘振控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)GB201為三缸五段壓縮機(jī)，從前面的論述可以看出，為了防止喘振的產(chǎn)生，要求各段入口流量至少不能低于正常流量的75%，否則將可能發(fā)生喘振。因此GB201共設(shè)計(jì)了

10、兩套防喘振控制系統(tǒng)。在前三段設(shè)計(jì)了一個(gè)以三段出口流量為測(cè)量值而控制三段出口到一段入口流量的控制系統(tǒng)FIC205（簡稱三返一），這樣保證了三段出口流量，從而也就保證了一、二段的流量。與此相仿，在四五段設(shè)置一套以五段出口流量為測(cè)量值控制五段出口至四段入口流量的控制系統(tǒng)FIC275（簡稱五返四）。由于壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定，因此采用了固定極限流量（流量加溫壓補(bǔ)償）的方法來防止喘振的產(chǎn)生。下面分別對(duì)GB201的兩套防喘振控制系統(tǒng)進(jìn)行說明。（一）三返一防喘振控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)1.1 對(duì)于三返一簡要的工藝流程圖如圖2-1所示： 圖2-1 三返一防喘振控制系統(tǒng)1.2 三返一防喘振控制系統(tǒng)的組成 儀表位

11、號(hào)控制點(diǎn)名稱范圍制造廠家FT205FE205三段出口流量檢測(cè)（差壓變送器）節(jié)流裝置（文丘里管）0250KNm3/hRosemountFC205PT203流量控制器壓力變速器 01.5MPaGRosemountTE204FV205熱電偶防喘振調(diào)節(jié)閥0200oCFisher 1.3 控制系統(tǒng)在上的控制原理圖如圖所示。 圖三返一防喘振控制原理1.4 三返一控制系統(tǒng)在Honeywell TPS上的實(shí)現(xiàn)1.4.1 由于裂解氣三段出口標(biāo)準(zhǔn)流量會(huì)隨著出口壓力和溫度的變化而變化，因此設(shè)置了出口流量的溫度和壓力補(bǔ)償。在這里溫度取自信號(hào)TE204，壓力取自信號(hào)PT203，這兩個(gè)信號(hào)的檢測(cè)點(diǎn)都取自壓縮機(jī)三段出口。1

12、.4.2 控制器FC205為帶溫壓補(bǔ)償?shù)目刂破鳎漭敵龅挠?jì)算式如下： FO=F1×aPb× Tbb×ZbZa（1） FY205為實(shí)際壓縮因數(shù)計(jì)算器，其輸出Za可用下面的公式計(jì)算： Za=Zb×Kp×Kt（2）1.4.3 幾個(gè)參數(shù)的含義： F1：FI205的測(cè)量值 （KNm3/h） FO: FC205溫壓補(bǔ)償后的輸出值 （KNm3/h） Pb：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)壓力 （0.942MPaG） Tb：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度 （91） Za：實(shí)際壓縮因數(shù)（compressibility factor） Zb：基準(zhǔn)壓縮因數(shù) （0.973） Kp：在Tb溫度下對(duì)Z的修正系數(shù)

13、Kt：在Pb壓力下對(duì)Z的修正系數(shù) a： PI203的測(cè)量值 b： TA204的測(cè)量值 注1：Kp/Kt的值由修正系數(shù)圖F205P和F205T所示曲線決定； 注2：如果壓力或溫度值超出修正系數(shù)圖上的范圍，則Kp/Kt將保持最后一個(gè)顯示值；1.4.4 Kp和Kt的修正系數(shù)圖1.4.4.1 圖2-3為FY205的修正系數(shù)Kp（F205P） 圖2-3 在基準(zhǔn)溫度下FY205的修正系數(shù)Kp1.4.4.2 圖2-4為FY205的修正系數(shù)Kt（F205T） 圖2-4 在基準(zhǔn)壓力下FY205的修正系數(shù)Kt（二）五返四防喘振控制系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)對(duì)于五返四防喘振系統(tǒng)來說，其與三返一系統(tǒng)類似。下面簡要說明一下。2.1

14、五返四防喘振控制系統(tǒng)的組成儀表位號(hào)控制點(diǎn)名稱范圍制造廠家FT275FE275五段出口流量檢測(cè)（差壓變送器）節(jié)流裝置（文丘里管）0250KNm3/hRosemountFC275PT255流量控制器壓力變速器 05MPaGRosemountTE206FV275熱電偶防喘振調(diào)節(jié)閥0200oCFisher2.2 控制系統(tǒng)在上的控制原理圖如圖5所示。 圖2-5 五返四防喘振控制原理2.3 五返四控制系統(tǒng)在Honeywell TPS上的實(shí)現(xiàn) 2.3.1 控制器FC275為帶溫壓補(bǔ)償?shù)目刂破鳎漭敵龅挠?jì)算式如下： FO=F1×aPb× Tbb×ZbZa（1） FY275為實(shí)際壓

15、縮因數(shù)計(jì)算器，其輸出Za可用下面的公式計(jì)算： Za=Zb×Kp×Kt（2）2.3.2 幾個(gè)參數(shù)的含義： F1：FI275的測(cè)量值 （KNm3/h） FO: FC275溫壓補(bǔ)償后的輸出值 （KNm3/h） Pb：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)壓力 （3.577MPaG） Tb：設(shè)計(jì)基準(zhǔn)溫度 （92.6） Za：實(shí)際壓縮因數(shù)（compressibility factor） Zb：基準(zhǔn)壓縮因數(shù) （0.921） Kp：在Tb溫度下對(duì)Z的修正系數(shù) Kt：在Pb壓力下對(duì)Z的修正系數(shù) a： PI255的測(cè)量值 b： TA206的測(cè)量值2.3.3 Kp和Kt的修正系數(shù)圖2.3.3.1 圖2-6為FY275的修正

16、系數(shù)Kp（F275P）圖2-6 在基準(zhǔn)溫度下FY275的修正系數(shù)Kp2.3.3.2 圖2-7為FY275的修正系數(shù)Kt（F275T）圖2-7 在基準(zhǔn)壓力下FY275的修正系數(shù)Kt第三章 防喘振控制閥的合理選型一、合理選型防喘振閥，至關(guān)重要作為壓縮機(jī)防喘振控制的硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu),防喘振控制閥的重要性是不言而喻的,閥門選型的合理與否，直接關(guān)系著壓縮機(jī)的安全運(yùn)行。因此必須選用高效、可靠的控制閥。在控制閥的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：1) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作形式:故障開還是故障關(guān)。2) 控制閥的流量特性:線性、快開或等百分比。3) 由于磨損或設(shè)計(jì)缺陷,當(dāng)動(dòng)作方向改變時(shí),控制閥的機(jī)械動(dòng)作會(huì)出現(xiàn)死區(qū)?？梢栽O(shè)定一

17、個(gè)閥門死區(qū)偏差,當(dāng)控制作用變化時(shí),控制信號(hào)可疊加上這一偏差。4) 防喘振閥必須能夠承受很大的工藝系統(tǒng)擾動(dòng),必須能夠通過在出口設(shè)計(jì)壓力和最大性能曲線下壓縮機(jī)的滿負(fù)荷流量。由于喘振的發(fā)生是十分迅速的(一個(gè)喘振周期往往只有1 s) ,因此要求防喘振閥的動(dòng)作速度也必須很快，動(dòng)作緩慢會(huì)降低壓縮機(jī)系統(tǒng)的安全性。因此,必須盡可能地縮短防喘振閥的行程時(shí)間,最好能夠小于2 s。 5）控制閥門的噪聲問題：噪聲不能太大二、防喘振控制閥計(jì)算的步驟防喘振控制閥和普通的閥門一樣，是一個(gè)局部阻力可以改變的節(jié)流元件?？刂崎y的計(jì)算最主要的依據(jù)和工作程序就是計(jì)算流量系數(shù)。計(jì)算流量系數(shù)的基型公式是以伯努利方程為基礎(chǔ)的。流體的流動(dòng)有

18、非阻塞流和阻塞流兩種情況。阻塞流是指當(dāng)介質(zhì)為氣體時(shí)，由于它具有可壓縮性，當(dāng)閥的壓差達(dá)到某一臨界值時(shí)，通過控制閥的流量將達(dá)到極限，這時(shí)，即使進(jìn)一步增加壓差，流量也不會(huì)再增加；當(dāng)介質(zhì)為液體時(shí)，一旦壓差增大到足以引起液體氣化，即產(chǎn)生閃蒸和空化作用時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)這種極限的流量。在這兩種情況下所用的計(jì)算公式是不相同的。當(dāng)流體的壓差比（壓差與入口絕對(duì)壓力之比）X< FKXT時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生阻塞流，當(dāng)X> FKXT時(shí)則產(chǎn)生阻塞流。從工藝提供數(shù)據(jù)到算出流量系數(shù)，到閥門口徑的確定，需要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟。（1）計(jì)算流量的確定，根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)能力、設(shè)備的負(fù)荷及介質(zhì)的狀況決定計(jì)算流量Q。（2）流量系數(shù)的計(jì)算，按

19、照工作情況判定介質(zhì)的性質(zhì)及阻塞流情況，選擇合適的計(jì)算公式或圖表，求取Kv值。（3）流量系數(shù) Kv值的選用，根據(jù)已經(jīng)求取的Kv最大值，進(jìn)行放大或圓整，在所選用的產(chǎn)品型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)系列中，求取大于Kvmax值并與其最接近的那一級(jí)Kv值。（4）調(diào)節(jié)閥開度驗(yàn)算。 （5）調(diào)節(jié)閥實(shí)際可調(diào)比的驗(yàn)算。（6）閥座直徑和公稱直徑的決定,驗(yàn)證合適之后，根據(jù)Kv值來確定。三、以防喘振控制閥FV205為例說明閥門選型的計(jì)算防喘振調(diào)節(jié)閥FV205的計(jì)算如下：（1）計(jì)算流量的確定和所需的變量要求的閥門形式：FISHER EWT-2高性能籠式閥，流量特性為線性要求閥門開啟時(shí)間2秒過程流體：裂解氣操作工況：閥前壓力P1=1180KP

20、a（絕壓）閥后壓力P2=40KPa（絕壓）入口溫度 T1=40.9正常流量Q=87240Nm3/h最大流量Qmax=145400 Nm3/h管道外徑/內(nèi)徑=508/488mm（2）流量系數(shù)的計(jì)算首先判斷是否屬于阻塞流。壓差P=1140KPa壓差比X=P/P1=1140/1180=0.966FKXT=0.85×0.767=0.652X> FKXT是阻塞流情況 在阻塞流的情況下 ，流量系數(shù)的計(jì)算公式可采用簡化公式：KV= 式中：Kv流量系數(shù)； Qg氣體標(biāo)準(zhǔn)體積流量，Nm3/h； p1閥前壓力，KPa； T1閥入口的絕對(duì)溫度，K； N氣體的標(biāo)準(zhǔn)密度，Kg/m3 Z壓縮系數(shù)，無量綱； k氣體絕熱指數(shù)； XT臨界壓差比。由于裂解氣是乙烯、丙烯、甲烷等氣體的混合體?，F(xiàn)已乙烯為主要介質(zhì)查相關(guān)的參數(shù)表。查乙烯氣的臨界壓力pc=5160KPa查乙烯氣的臨界