第十七章離心式壓縮機(jī)的防喘振

教案正頁(yè)授課日期：化機(jī)0531班2007年6月授課班級(jí)：化機(jī)0531課題：第十七章離心式壓縮機(jī)的防喘振控制教學(xué)目的：了解目前工業(yè)上常用的各種壓縮機(jī)防喘振控制方案的基本結(jié)構(gòu)原理，進(jìn)而掌握各種壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的操作方法。為后面的“現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)和仿真實(shí)訓(xùn)”打基礎(chǔ)。教具及參考書(shū)《機(jī)組控制技術(shù)》教材、多媒體課件。講授過(guò)程：（課程內(nèi)容、教學(xué)環(huán)節(jié)）教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)：（1）復(fù)習(xí)提問(wèn)（2）以“壓縮機(jī)喘振的事故案例”導(dǎo)入新課（3）講新課，銜接《化工機(jī)器》課講過(guò)的壓縮機(jī)喘振內(nèi)容，講授防喘振控制方案。（4）小結(jié)、作業(yè)教學(xué)內(nèi)容：17離心式壓縮機(jī)的防喘振控制17.1離心式壓縮機(jī)的喘振17.2離心壓縮機(jī)防喘振控制方案17.3防喘振特例分析

課程類(lèi)型:理論課重點(diǎn)、難點(diǎn)、技能培養(yǎng)：重點(diǎn):離心式壓縮機(jī)防喘振控制方案難點(diǎn)：防喘振曲線數(shù)學(xué)模型。（難點(diǎn)的講法：①由《化工機(jī)器》課過(guò)渡：②對(duì)照曲線說(shuō)明數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用意義及各參數(shù)的意義和獲取方法；不要求學(xué)生記數(shù)學(xué)模型。）技能培養(yǎng)：了解目前工業(yè)上常用的各種壓縮機(jī)防喘振控制方案的基本結(jié)構(gòu)原理，進(jìn)而理解、掌握各種壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的操作規(guī)程。作業(yè)：一、選擇題（選擇正確的答案，將相應(yīng)的字母添入題內(nèi)的括號(hào)中。）下列流體輸送設(shè)備中，哪一種設(shè)備會(huì)產(chǎn)生喘振（C）（A）往復(fù)泵（B）離心泵（C）離心式壓縮機(jī)（D）往復(fù)式壓縮機(jī)為保證流體輸送設(shè)備不致?lián)p壞的保護(hù)性控制是（A）（A）防喘振控制（B）選擇性控制（C）三沖量控制（D）分程控制二、分析圖16-16壓縮機(jī)流量防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否正確并簡(jiǎn)述理由。答：不正確。因?yàn)榱髁繖z測(cè)點(diǎn)安裝在壓縮機(jī)出口管線上，是壓縮機(jī)負(fù)荷控制。課后記：以“壓縮機(jī)喘振的事故案例”導(dǎo)入新課，引起了學(xué)生的重視。17.離心式壓縮機(jī)的防喘振控制17.1離心式壓縮機(jī)的喘振(1)喘振現(xiàn)象：圖17-1所示為離心式壓縮機(jī)的特性曲線。它顯示壓縮機(jī)壓縮比與進(jìn)口容積流量間的關(guān)系。當(dāng)轉(zhuǎn)速n一定時(shí)，曲線上點(diǎn)C有最大壓縮比，對(duì)應(yīng)流量設(shè)為Qp，該點(diǎn)稱(chēng)為喘振點(diǎn)。如果工作點(diǎn)為B點(diǎn)，要求壓縮機(jī)流量繼續(xù)下降，則壓縮機(jī)吸入流量Q<Qp,工作點(diǎn)從C點(diǎn)突跳到D點(diǎn)，壓縮機(jī)出口壓力從土突然下降到三，而出口管網(wǎng)壓力仍為一七，因此，氣體回流，表現(xiàn)為流量為零，同時(shí)，管網(wǎng)壓力也下降到三，一旦管網(wǎng)壓力與壓縮機(jī)出口壓力相等，壓縮機(jī)又輸送氣體到管網(wǎng)，流量達(dá)到Qa。因流量QA大于B點(diǎn)的流量，因此，壓力憋高到三，而流量的繼續(xù)下降，又使壓縮機(jī)重復(fù)上述過(guò)程，出現(xiàn)工作點(diǎn)從B-C-D—A-B的反復(fù)循環(huán)，由于這種循環(huán)過(guò)程極迅速，因此，也稱(chēng)為“飛動(dòng)，由于飛動(dòng)時(shí)機(jī)體的震動(dòng)發(fā)出類(lèi)似哮喘病人的喘氣吼聲，因此，將這種由于飛動(dòng)而造成離心壓縮機(jī)流量呈現(xiàn)脈動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為離心壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象。(2)喘振危害：喘振發(fā)生時(shí)，壓縮機(jī)的氣體流量出現(xiàn)脈動(dòng)，時(shí)有時(shí)無(wú)，造成壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的交變負(fù)荷，使機(jī)體劇烈震動(dòng)、壓縮機(jī)軸位移，并波及相連的管線，造成設(shè)備的損壞。例如壓縮機(jī)部件、密封環(huán)、軸承、葉輪、管線等設(shè)備和部件的損壞和事故。喘振是離心壓縮機(jī)的固有特性。離心壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)與被壓縮介質(zhì)的特性、轉(zhuǎn)速等有關(guān)。將不同轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)連接，組成該壓縮機(jī)的喘振線。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要考慮安全余量。喘振線方程可近似用拋物線方程描述為(17-1)-2=a+bQ1P911式中，下標(biāo)1表示入口參數(shù)，2表示出口參數(shù)；P、Q、三分別表示壓力、流量和溫度；a、b是壓縮機(jī)系數(shù)，由壓縮機(jī)制造廠商提供。喘振線可用圖17-2表示。當(dāng)一臺(tái)離心壓縮機(jī)用于壓縮不同介質(zhì)氣體時(shí)，壓縮機(jī)系數(shù)會(huì)不同。管網(wǎng)容量大時(shí)，喘振頻率低，喘振的振幅大；反之，管網(wǎng)容量小時(shí)，喘振頻率高，喘振的振幅小。(17-1)17.1.2振動(dòng)、喘振和阻塞喘振是離心壓縮機(jī)在入口流量小于喘振流量Qp時(shí)出現(xiàn)的流量脈動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)是高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備固有的特性。當(dāng)旋轉(zhuǎn)設(shè)備高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，達(dá)到某一轉(zhuǎn)速時(shí)，使轉(zhuǎn)軸強(qiáng)烈振動(dòng)，這種現(xiàn)象圖17-2喘振線圖圖17-2喘振線圖17-3離心壓縮機(jī)的工作區(qū)、喘振區(qū)與阻塞區(qū)速乂阻塞區(qū)稱(chēng)為振動(dòng)。它是由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備具有自由振動(dòng)的頻率（稱(chēng)為自由振動(dòng)頻率）當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到該自由振動(dòng)頻率的倍數(shù)時(shí)，出現(xiàn)諧振（這時(shí)的頻率稱(chēng)為諧振頻率）造成轉(zhuǎn)軸振動(dòng)。振動(dòng)發(fā)生在自由振動(dòng)頻率的倍數(shù)時(shí)，因此，轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高或降低時(shí)，這種振動(dòng)會(huì)消失。壓縮機(jī)流量過(guò)小會(huì)發(fā)生喘振，流量過(guò)大時(shí)會(huì)發(fā)生阻塞。阻塞時(shí)，氣體流速接近或達(dá)到音速（315m/S），壓縮機(jī)葉輪對(duì)氣體所做的功全部用于克服流動(dòng)損失，使氣體壓力不再升高，這種現(xiàn)象稱(chēng)為阻塞現(xiàn)象。離心壓縮機(jī)的工作區(qū)、喘振區(qū)與阻塞區(qū)如圖17-3所示，圖中也給出了壓縮機(jī)的最小和最大操作轉(zhuǎn)速。17.2離心壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要防止離心壓縮機(jī)發(fā)生喘振，只需要工作轉(zhuǎn)速下的吸入流量大于喘振點(diǎn)的流量Qp。

因此，當(dāng)所需的流量小于喘振點(diǎn)流量時(shí)，例如生產(chǎn)負(fù)荷下降時(shí)，需要將出口的流量旁路返回到入口.或?qū)⒉糠殖隹跉怏w放空，以增加入口流量，滿(mǎn)足大于喘振點(diǎn)流量的控制要求。防止離心壓縮機(jī)喘振的控制方案有兩種：固定極限流量（最小流量）法和可變極限流量法。17.2.1固定極限流量防喘振控制該控制方案的控制策略是假設(shè)在最大轉(zhuǎn)速下，離心壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)流量為Qp（已經(jīng)考慮安全余量），如果能夠使壓縮機(jī)入口流量總是大于該臨界流量Qp，則能保證離心壓縮機(jī)不發(fā)生喘振?？刂品桨甘钱?dāng)入口流量小于該臨界流量Qp時(shí)，打開(kāi)旁路控制閥，使出口的部分氣體返回到入口，使入口流量大于Qp為止。圖17-4所示為固定極限流量防喘振控制系統(tǒng)。17.2.2可變極限流量防喘振控制該控制方案根據(jù)不同的轉(zhuǎn)速，采用不同的喘振點(diǎn)流量（考慮安全余量）作為控制依據(jù)。由于極限流量（喘振點(diǎn)流量）變化，因此，稱(chēng)為可變極限流量防喘振控制?？勺儤O限流量防喘振控制系統(tǒng)是根據(jù)模型計(jì)算設(shè)定值的控制系統(tǒng)。離心壓縮機(jī)的防喘振保護(hù)曲線如圖17-2所示，也可用模型描述為P=a+bQ2P1如果P2<a+b奠，則說(shuō)明流量大于喘振點(diǎn)處的流量，工況安全；如也〉b#，則說(shuō)P1°Pi8明流量小于喘振點(diǎn)處的流量，工況處于危險(xiǎn)狀態(tài)。采用差壓法測(cè)量入口流量，則有式中，二、Z、R、M分別為流量常數(shù)、壓縮系數(shù)、氣體常數(shù)和相對(duì)分子質(zhì)量，三是入口流量對(duì)應(yīng)的差壓。因此，可得到喘振模型力dN恭J（”2—口力1）（17-3）式中，：==，當(dāng)被壓縮介質(zhì)確定后，該項(xiàng)是常數(shù)；當(dāng)節(jié)流裝置確定后，二確定；力dN恭J（”2—口力1）（17-3）式（17-2）表明，當(dāng)入口節(jié)流裝置測(cè)量得到的差壓大于上述計(jì)算值時(shí)，壓縮機(jī)處于安全運(yùn)行狀態(tài)，旁路閥關(guān)閉。反之，當(dāng)差壓小于該計(jì)算值時(shí)，應(yīng)打開(kāi)旁路控制閥，增加入口流量。上述計(jì)算值被用于作為防喘振控制器的設(shè)定值，因此，稱(chēng)為根據(jù)模型計(jì)算設(shè)定值的控制系統(tǒng)。圖17-5所示為防喘振控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。圖17-5（a）中，PY-1是加法器，完成的運(yùn)算，PY-2是乘法器，完成頃-『）與f的相乘運(yùn)算，其輸出作為防喘振控制器-】的設(shè)定值。PT-1和PT-2是壓力變送器，測(cè)量離心壓縮機(jī)的入口和出口壓力，匚「-】是入口流量測(cè)量用的差壓變送器，其輸出作為防喘振控制器＜；-：的測(cè)量值?？勺儤O限控制系統(tǒng)是隨動(dòng)控制系統(tǒng)。測(cè)量值是入口節(jié)流裝置測(cè)得的差壓值％，設(shè)定

值是根據(jù)喘振模型計(jì)算得到的M（;:-"_），當(dāng)測(cè)量值大于設(shè)定值時(shí)，表示入口流量大于極限流量，因此，旁路閥關(guān)閉；當(dāng)測(cè)量值小于設(shè)定值，則打開(kāi)旁路閥，保證壓縮機(jī)入口流量大于極限流量，從而防止壓縮機(jī)喘振的發(fā)生。17.2.3測(cè)量出口流量的可變極限流量防喘振控制有些應(yīng)用場(chǎng)合，例如，壓縮機(jī)入口壓力較低，壓縮比又較大時(shí)，在壓縮機(jī)入口安裝節(jié)流裝置造成的壓降可能使壓縮機(jī)為達(dá)到所需出口壓力而需增加壓縮機(jī)的級(jí)數(shù)，使投資成本提高。這時(shí)，為防止喘振的發(fā)生，可將測(cè)量流量的節(jié)流裝置安裝在出口管線，組成可變極限流量防喘振的變型控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)是基于同一壓縮機(jī)出口的質(zhì)量流量應(yīng)等于入口的質(zhì)量流量，采用與入口流量可變極限防喘振控制系統(tǒng)的喘振模型，如下。=YiQ-=G2=Y2Q2式中，下標(biāo)1表示入口參數(shù)，2表示出口參數(shù)；?是氣體的重度；Q是氣體體積流量；G是氣體的質(zhì)量流量。推導(dǎo)出公式為:(17-6)(17-6)根據(jù)式（17-6）可組成圖17-6所示的防喘振控制的變型控制系統(tǒng)。當(dāng)壓縮比很大，即p2>>ap1時(shí)，可忽略后者ap「即a^0o式（17-6）可簡(jiǎn)化為(17-7)通常，壓縮機(jī)的出口和入口溫度之比是恒值K,此時(shí)，防喘振控制系統(tǒng)設(shè)定值的計(jì)算公式還可簡(jiǎn)化為

(17-8)根據(jù)簡(jiǎn)化公式組成的防喘振控制系統(tǒng)如圖17-7所示。(17-7)(17-8)根據(jù)簡(jiǎn)化公式組成的防喘振控制系統(tǒng)如圖17-7所示。17.2.4離心壓縮機(jī)串并聯(lián)時(shí)的防喘振控制離心壓縮機(jī)可以串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行，但這將增加運(yùn)行操作的復(fù)雜性，并使能量消耗增大，因此，并不推薦使用，僅當(dāng)工藝壓力或流量不能滿(mǎn)足要求時(shí)才不得不采用。這時(shí)，串并聯(lián)運(yùn)行的防喘振控制系統(tǒng)要比單臺(tái)壓縮機(jī)的防喘振控制系統(tǒng)復(fù)雜，即操作系統(tǒng)需協(xié)調(diào)。

離心壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的防喘振控制當(dāng)一臺(tái)離心壓縮機(jī)的出口壓力不能滿(mǎn)足生產(chǎn)要求時(shí)，需要兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的離心壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行。串聯(lián)運(yùn)行壓縮機(jī)與多級(jí)壓縮相似。圖17-8所示為離心壓縮機(jī)串聯(lián)運(yùn)行時(shí)采用的一種可變極限流量防喘振控制的控制方案。圖中，PY-1、PY-2是加法器，PY-3是低選器，PY-4、PY-5是乘法器。PT-1、PT-2和PT-3是壓力變送器，PJ-1、PJ-2是測(cè)量流量的差壓變送器，七。-1、LC-2是防喘振控制器。與單臺(tái)壓縮機(jī)的防喘振控制相同，對(duì)壓縮機(jī)1和2都采用可變極限防喘振控制，將計(jì)算的設(shè)定值送防喘振控制器，為了減少旁路閥，增加了一臺(tái)低選器，只要其中任一臺(tái)壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振，都通過(guò)低選器，使旁路閥打開(kāi)。防喘振控制器選用正作用，旁路控制閥選用氣關(guān)閥。使用時(shí)注意：離心壓縮機(jī)的串聯(lián)運(yùn)行只適用于低壓力的壓縮機(jī)，對(duì)高壓力壓縮機(jī)，考慮機(jī)體的強(qiáng)度，不宜采用串聯(lián)運(yùn)行；為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)后級(jí)壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況宜大于前級(jí)。(2)離心壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的防喘振控制當(dāng)一臺(tái)壓縮機(jī)的打氣量不能滿(mǎn)足工藝要求時(shí)，需要兩臺(tái)或兩臺(tái)以上離心壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。如果并聯(lián)運(yùn)行的壓縮機(jī)特性不一致，就會(huì)影響負(fù)荷的分配，并影響防喘振控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的防喘振控制有兩種方案。一種方案是每臺(tái)壓縮機(jī)設(shè)置各自的防喘振控制系統(tǒng)，這時(shí)，任一臺(tái)壓縮機(jī)都能夠單獨(dú)運(yùn)行，并可前后啟動(dòng)運(yùn)行，但儀表設(shè)備、工藝管線的投資較大，不常采用。另一種方案是采用低選器和選擇開(kāi)關(guān)，只用一個(gè)防喘振的旁路控制閥，如圖17-9所示。圖中，PT-1、PT-2是入口和出口的壓力變送器，PdT-1、PdT-2是壓縮機(jī)1和2的入口流量測(cè)量用差壓變送器，PY-1、PY-2、PY-3分別是加法器、乘法器和低選器，PCd是防喘振控制器，HS是手動(dòng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)開(kāi)關(guān)切換到A時(shí)，組成壓縮機(jī)1的防喘振控制；當(dāng)開(kāi)關(guān)切換到B時(shí)，組成壓縮機(jī)2的防喘振控制；當(dāng)開(kāi)關(guān)切換到C時(shí)，防喘振控制器的測(cè)量信號(hào)是兩個(gè)壓縮機(jī)入口流量的低值，即低選器的輸出，因此，用于兩個(gè)壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的防喘振控制。防喘振控制的設(shè)定值計(jì)算采用加法器和乘法器實(shí)現(xiàn)。實(shí)施時(shí)注意：兩個(gè)壓縮機(jī)的特性應(yīng)一致；不能實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)壓縮機(jī)前后啟動(dòng)運(yùn)行；為使單臺(tái)壓縮機(jī)獨(dú)立啟動(dòng)，需設(shè)置各自的手動(dòng)旁路閥。17.3防喘振特例分析17.3.1二氧化碳?jí)嚎s機(jī)的防喘振控制圖17-10所示為一臺(tái)二氧化碳離心壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)的控制方案。壓縮機(jī)分低壓段和高壓段兩級(jí)，由蒸汽透平帶動(dòng)。由于供應(yīng)的二氧化碳流量不穩(wěn)定，工藝允許過(guò)量時(shí)可放空，不足時(shí)應(yīng)減負(fù)荷。正常時(shí)，生產(chǎn)負(fù)荷由蒸汽透平的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。圖中，F(xiàn)Y-1、FY-2是低選器，ST-1和SC-1是轉(zhuǎn)速變送器和轉(zhuǎn)速控制器。二氧化碳離心壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)由下列控制系統(tǒng)組成。縮機(jī)入口壓力高，為此，設(shè)置入口壓力定值控制系統(tǒng)，當(dāng)壓力過(guò)高時(shí)，將CO2放空。（2）壓力PC-1與流量FC-1組成選擇性控制系統(tǒng)，與蒸汽汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速組成串級(jí)控制。系統(tǒng)當(dāng)CO2供應(yīng)不足時(shí)，應(yīng)選擇流量取代壓力控制系統(tǒng)。正常時(shí)，入口壓力P］和轉(zhuǎn)速S組成串級(jí)控制系統(tǒng)；當(dāng)壓力低時(shí)，由流量F1控制器FC-1替代壓力控制器PC-1，由流量F，和轉(zhuǎn)速S組成串級(jí)控制系統(tǒng)。FY-1選用低選器；放空閥選用氣關(guān)閥，蒸汽控制閥選用氣開(kāi)閥；轉(zhuǎn)速控制器SC-1選正作用，流量控制器FC-1和壓力控制器PC-1選反作用。（3）高壓段入口壓力放空控制系統(tǒng)當(dāng)高壓段入口壓力過(guò)高時(shí)，打開(kāi)放空閥，PC-3壓力控制器選反作用，放空閥選氣關(guān)閥。（4）高壓段出口壓力PC-4與高壓段入口流量FC-3組成的選擇性控制系統(tǒng)當(dāng)高壓段出口壓力過(guò)高時(shí)，部分出口氣體回流到入口，因此，壓力控制器PC-4選反作用，流量控制器FC-3選用正作用，旁路控制閥選氣關(guān)閥。（5）低壓段的防喘振控制系統(tǒng)低壓段采用出口流量F組成可變極限流量的簡(jiǎn)化控制方案（a=0）。防喘振控制方程為

02d法bK??Kp\=Gpi(17-9)式中，P02d法bK??Kp\=Gpi(17-9)（6）高壓段的防喘振控制系統(tǒng)高壓段采用入口流量F3組成可變極限流量的簡(jiǎn)化控制方案（a=0）。防喘振控制方程為9K*p2~C2p2（17-10）式中，p2是高壓段出口壓力，由PT-4壓力變送器檢測(cè)。17.3.2催化氣壓縮機(jī)的防喘振控制圖17-11所示為催化氣壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)，催化氣壓縮機(jī)由蒸汽透平帶動(dòng)，通過(guò)進(jìn)入蒸汽透平蒸汽量的調(diào)節(jié)，改變轉(zhuǎn)速，調(diào)整生產(chǎn)負(fù)荷，整個(gè)控制系統(tǒng)由以下兩部分組成。（1）入口壓力p/勺定值控制系統(tǒng)通過(guò)入口壓力的定值控制系統(tǒng)保證生產(chǎn)負(fù)荷的穩(wěn)定。（2）防喘振控制系統(tǒng)采用入口流量的壓差PF組成防喘振控制，與上述防喘振控制系統(tǒng)的區(qū)別是采用了式（17-3）的變型方程。根據(jù)式（17-3），兩邊除以入口壓力P］,得到疽肢p.°2（17-11）17-11催化氣壓縮機(jī)防喘振控制方案圖中，PT-1、PT-2分別是壓縮機(jī)入口壓力P］和出口壓力p2變送器，PdT-1、PdC-1是入口流量測(cè)量的差壓變送器和防喘振控制器，

PdY-1、PY-1是除法器，用