離心式壓縮機的防喘振控制與閥門選型

1、晉升任職資格送審論文評審表論文題目離心式壓縮機的防喘振控制與閥門選型論文編號申報任職資格高級工程師撰寫時間2008-7-8評價要素評價等級優(yōu)良中差選題的科學(xué)性、針對性論證的邏輯性、論據(jù)的充分性結(jié)果的創(chuàng)新性、實用性工作的難度、深度及工作量表達的清晰性、結(jié)構(gòu)的規(guī)范性簡要評語：結(jié)論性意見（請在下列4項中選擇1項結(jié)論性意見，在方框中劃）：論文具有申報任職資格水平的：較高水平；達到水平；基本達到；不具備。專家簽名：年月日論文編號：專 業(yè)：生產(chǎn)過程自動化論文題目： 離心式壓縮機的防喘振控制與閥門選型 內(nèi)容摘要： 離心式壓縮機在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。本文對離心式壓縮機的固有特性喘振進行了詳細的分析。重

2、點分析了乙烯裝置裂解氣壓縮機防喘振系統(tǒng)的獨特設(shè)計、工作原理及在TPS控制平臺上的邏輯實現(xiàn)，并對防喘振控制閥的合理選型進行了有益的探討。這為離心式壓縮機防喘振控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了值得借鑒的經(jīng)驗。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的防喘振控制4一、概述4二、防喘振控制系統(tǒng)的實現(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、防喘振控制閥計算的步驟10三、以防喘振控制閥FV205為例說明閥門選型的計算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、壓縮機向高壓、高速、大容量、高度自動化水平方向發(fā)展。離心式壓縮機由于有調(diào)節(jié)性能好、控制氣量范圍大、運行效率高，維修簡單，較好的經(jīng)濟性能等特點，因此在大型化工裝置中離心式壓縮機使用的越來越多。在某廠乙烯裝置中，裂解氣壓縮機（GB201）、丙烯壓縮機（GB501）、乙烯壓縮機（GB601）、三元制冷壓縮機（GB801）都采用的是離心式壓縮機。 雖然離心式壓縮機的應(yīng)用非常普遍，但壓縮機在運行過程中，有可能出現(xiàn)一種現(xiàn)象，即當(dāng)負荷降低到一定程度時，氣體的排出量會出現(xiàn)劇烈震蕩，同時壓縮機本身也會劇烈震動，并發(fā)出“哮喘”似的吼叫聲，這種現(xiàn)象叫做離心式壓縮機的喘振。喘振是離心式壓縮機的固有特性，且對壓縮機本身

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)，以確保壓縮機的安全運行。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為離心式壓縮機的P-Q特性曲線。 圖1-1 離心式壓縮機特性曲線曲線上的A點為壓縮機正常工作點，壓縮機的轉(zhuǎn)速為N。當(dāng)壓縮機減低負荷，流量逐漸減小到Qm時，工作點將由運轉(zhuǎn)下限B點突變到C點，壓縮機的出口壓力就由PB突變到PC，在此變化瞬間，與壓縮機相連的管路系統(tǒng)的壓力仍然為PB，也即管路系統(tǒng)的壓力PB高于壓縮機的出口壓力PC，于是氣流向壓縮機倒流，管路系統(tǒng)的壓力PB漸漸降低到PC。由于壓縮機在此過程中繼續(xù)在運轉(zhuǎn)，故一旦機內(nèi)壓力與管路系統(tǒng)壓力接近時，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，工作點由C點突變到D點，而D點的流量大于A點（正常工作點）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，工作點又到達B點，接著又突變到C點，反復(fù)上述過程，氣體從管網(wǎng)向壓縮機倒流，喘振重復(fù)發(fā)生。由于壓縮機在高速運轉(zhuǎn)，這種循環(huán)過程進行的非常迅速因而氣體由壓縮機忽進忽出，使轉(zhuǎn)子受到高變負荷，機體發(fā)生劇烈震動并波及到所連接的管線。同時機器發(fā)出周期性間斷的巨大噪聲，使壓縮機各部件軸承和密封環(huán)損壞，嚴重時打碎葉輪，燒壞軸瓦，使壓縮機受到嚴重破壞。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)防使壓縮機發(fā)生喘振

6、的原因很多。一般來說，離心式壓縮機在吸入氣體流量小到一定程度時會產(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，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造成壓縮機喘振。為了防止壓縮機在喘振狀態(tài)下運行，采用的辦法就是將壓縮機出口的部分氣體返回其入口。如上面所述，離心式壓縮機在某一轉(zhuǎn)速下有一個喘振點流量。如果把不同轉(zhuǎn)速下不同的喘振點連接起來，就得到該壓縮機的喘振邊界線（如圖1-2）。此線左側(cè)為喘振區(qū)。防圖1-2 壓縮機的喘振邊界線喘振的目的就是使壓縮機的工作點不進入喘振區(qū)。在轉(zhuǎn)速一定時，經(jīng)旁路返回壓縮

7、機入口的流量Q返須喘振起始點流量QB與壓縮機入口氣體QA之差，即Q返QB-QA，這樣一旦壓縮機的氣體流量減小到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內(nèi)的氣量始終大于喘振點流量值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)實現(xiàn)壓縮機的防喘振控制。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運行工況不同而改變的防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)。3.1 對于第一種防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)叫固定極限流量防喘振也叫最小流量控制。在壓縮機及管路系統(tǒng)一定的條件下，當(dāng)壓縮機的流量小于某一數(shù)值以后，壓縮機即發(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，使用于相對固定轉(zhuǎn)速的離心式壓縮機，但轉(zhuǎn)速降低時，容易浪費能源。圖1-3 固定極限流量防喘振3.2 離心式壓縮機的另一種防喘振調(diào)節(jié)系統(tǒng)為可變極限流量防喘振。這種調(diào)節(jié)方案可使壓縮機在不同的轉(zhuǎn)速（即不同的負荷）下有不同的喘振極限流量。它是根據(jù)壓縮機的通用性能曲線，采用近似的方法，建立一個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，確保壓縮機運行在喘振控制線的右側(cè)。這種控制方式一般用于負荷可能經(jīng)常波動的離心式壓縮機。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的防喘振控制一、概述 裂解氣壓縮機（ES-GB201）是乙烯裝置的關(guān)鍵設(shè)備，它運行的好壞直接影響著乙烯裝置的安穩(wěn)長滿優(yōu)運行。本廠乙烯裝置裂解氣壓縮機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。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、溫壓補償和低選的功能,為實現(xiàn)壓縮機防喘振自動控制提供了平臺。二、防喘振控制系統(tǒng)的實現(xiàn)GB201為三缸五段壓縮機，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)計了

10、兩套防喘振控制系統(tǒng)。在前三段設(shè)計了一個以三段出口流量為測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）。由于壓縮機正常運轉(zhuǎn)時的負荷相對穩(wěn)定，因此采用了固定極限流量（流量加溫壓補償）的方法來防止喘振的產(chǎn)生。下面分別對GB201的兩套防喘振控制系統(tǒng)進行說明。（一）三返一防喘振控制系統(tǒng)及其實現(xiàn)1.1 對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、號控制點名稱范圍制造廠家FT205FE205三段出口流量檢測（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上的實現(xiàn)1.4.1 由于裂解氣三段出口標準流量會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償。在這里溫度取自信號TE204，壓力取自信號PT203，這兩個信號的檢測點都取自壓縮機三段出口。1

12、.4.2 控制器FC205為帶溫壓補償?shù)目刂破?，其輸出的計算式如下?FO=F1×aPb× Tbb×ZbZa（1） FY205為實際壓縮因數(shù)計算器，其輸出Za可用下面的公式計算： Za=Zb×Kp×Kt（2）1.4.3 幾個參數(shù)的含義： F1：FI205的測量值 （KNm3/h） FO: FC205溫壓補償后的輸出值 （KNm3/h） Pb：設(shè)計基準壓力 （0.942MPaG） Tb：設(shè)計基準溫度 （91） Za：實際壓縮因數(shù)（compressibility factor） Zb：基準壓縮因數(shù) （0.973） Kp：在Tb溫度下對Z的修正系數(shù)

13、Kt：在Pb壓力下對Z的修正系數(shù) a： PI203的測量值 b： TA204的測量值 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)及其實現(xiàn)對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)的組成儀表位號控制點名稱范圍制造廠家FT275FE275五段出口流量檢測（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上的實現(xiàn) 2.3.1 控制器FC275為帶溫壓補償?shù)目刂破?，其輸出的計算式如下?FO=F1×aPb× Tbb×ZbZa（1） FY275為實際壓

15、縮因數(shù)計算器，其輸出Za可用下面的公式計算： Za=Zb×Kp×Kt（2）2.3.2 幾個參數(shù)的含義： F1：FI275的測量值 （KNm3/h） FO: FC275溫壓補償后的輸出值 （KNm3/h） Pb：設(shè)計基準壓力 （3.577MPaG） Tb：設(shè)計基準溫度 （92.6） Za：實際壓縮因數(shù)（compressibility factor） Zb：基準壓縮因數(shù) （0.921） Kp：在Tb溫度下對Z的修正系數(shù) Kt：在Pb壓力下對Z的修正系數(shù) a： PI255的測量值 b： TA206的測量值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)重要作為壓縮機防喘振控制的硬件執(zhí)行機構(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)系著壓縮機的安全運行。因此必須選用高效、可靠的控制閥。在控制閥的設(shè)計過程中應(yīng)注意以下幾個問題：1) 執(zhí)行機構(gòu)的動作形式: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)計缺陷,當(dāng)動作方向改變時,控制閥的機械動作會出現(xiàn)死區(qū)。可以設(shè)定一

17、個閥門死區(qū)偏差,當(dāng)控制作用變化時,控制信號可疊加上這一偏差。4) 防喘振閥必須能夠承受很大的工藝系統(tǒng)擾動,必須能夠通過在出口設(shè)計壓力和最大性能曲線下壓縮機的滿負荷流量。由于喘振的發(fā)生是十分迅速的(一個喘振周期往往只有1 s) ,因此要求防喘振閥的動作速度也必須很快，動作緩慢會降低壓縮機系統(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、防喘振控制閥計算的步驟防喘振控制閥和普通的閥門一樣，是一個局部阻力可以改變的節(jié)流元件?？刂崎y的計算最主要的依據(jù)和工作程序就是計算流量系數(shù)。計算流量系數(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，由于它具有可壓縮性，當(dāng)閥的壓差達到某一臨界值時，通過控制閥的流量將達到極限，這時，即使進一步增加壓差，流量也不會再增加；當(dāng)介質(zhì)為液體時，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，也會出現(xiàn)這種極限的流量。在這兩種情況下所用的計算公式是不相同的。當(dāng)流體的壓差比（壓差與入口絕對壓力之比）X< FKXT時，不會產(chǎn)生阻塞流，當(dāng)X> FKXT時則產(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)過以下幾個步驟。（1）計算流量的確定，根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)能力、設(shè)備的負荷及介質(zhì)的狀況決定計算流量Q。（2）流量系數(shù)的計算，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，進行放大或圓整，在所選用的產(chǎn)品型號標準系列中，求取大于Kvmax值并與其最接近的那一級Kv值。（4）調(diào)節(jié)閥開度驗算。 （5）調(diào)節(jié)閥實際可調(diào)比的驗算。（6）閥座直徑和公稱直徑的決定,驗證合適之后，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算防喘振調(diào)節(jié)閥FV205的計算如下：（1）計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)的計算公式可采用簡化公式：KV= 式中：Kv流量系數(shù)； Qg氣體標準體積流量，Nm3/h； p1閥前壓力，KPa； T1閥入口的絕對溫度，K； N氣體的標準密度，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。現(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