第十七章離心式壓縮機的防喘振

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

課程類型:理論課重點、難點、技能培養(yǎng)：重點:離心式壓縮機防喘振控制方案難點：防喘振曲線數(shù)學(xué)模型。（難點的講法：①由《化工機器》課過渡：②對照曲線說明數(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防喘振控制方案的基本結(jié)構(gòu)原理，進而理解、掌握各種壓縮機防喘振控制系統(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)的括號中。）下列流體輸送設(shè)備中，哪一種設(shè)備會產(chǎn)生喘振（C）（A）往復(fù)泵（B）離心泵（C）離心式壓縮機（D）往復(fù)式壓縮機為保證流體輸送設(shè)備不致?lián)p壞的保護性控制是（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壓縮機流量防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計是否正確并簡述理由。答：不正確。因為流量檢測點安裝在壓縮機出口管線上，是壓縮機負荷控制。課后記：以“壓縮機喘振的事故案例”導(dǎo)入新課，引起了學(xué)生的重視。17.離心式壓縮機的防喘振控制17.1離心式壓縮機的喘振(1)喘振現(xiàn)象：圖17-1所示為離心式壓縮機的特性曲線。它顯示壓縮機壓縮比與進口容積流量間的關(guān)系。當轉(zhuǎn)速n一定時，曲線上點C有最大壓縮比，對應(yīng)流量設(shè)為Qp，該點稱為喘振點。如果工作點為B點，要求壓縮機流量繼續(xù)下降，則壓縮機吸入流量Q<Qp,工作點從C點突跳到D點，壓縮機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，管網(wǎng)壓力也下降到三，一旦管網(wǎng)壓力與壓縮機出口壓力相等，壓縮機又輸送氣體到管網(wǎng)，流量達到Qa。因流量QA大于B點的流量，因此，壓力憋高到三，而流量的繼續(xù)下降，又使壓縮機重復(fù)上述過程，出現(xiàn)工作點從B-C-D—A-B的反復(fù)循環(huán)，由于這種循環(huán)過程極迅速，因此，也稱為“飛動，由于飛動時機體的震動發(fā)出類似哮喘病人的喘氣吼聲，因此，將這種由于飛動而造成離心壓縮機流量呈現(xiàn)脈動的現(xiàn)象稱為離心壓縮機的喘振現(xiàn)象。(2)喘振危害：喘振發(fā)生時，壓縮機的氣體流量出現(xiàn)脈動，時有時無，造成壓縮機轉(zhuǎn)子的交變負荷，使機體劇烈震動、壓縮機軸位移，并波及相連的管線，造成設(shè)備的損壞。例如壓縮機部件、密封環(huán)、軸承、葉輪、管線等設(shè)備和部件的損壞和事故。喘振是離心壓縮機的固有特性。離心壓縮機的喘振點與被壓縮介質(zhì)的特性、轉(zhuǎn)速等有關(guān)。將不同轉(zhuǎn)速下的喘振點連接，組成該壓縮機的喘振線。實際應(yīng)用時，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是壓縮機系數(shù)，由壓縮機制造廠商提供。喘振線可用圖17-2表示。當一臺離心壓縮機用于壓縮不同介質(zhì)氣體時，壓縮機系數(shù)會不同。管網(wǎng)容量大時，喘振頻率低，喘振的振幅大；反之，管網(wǎng)容量小時，喘振頻率高，喘振的振幅小。(17-1)17.1.2振動、喘振和阻塞喘振是離心壓縮機在入口流量小于喘振流量Qp時出現(xiàn)的流量脈動現(xiàn)象。振動是高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備固有的特性。當旋轉(zhuǎn)設(shè)備高速運轉(zhuǎn)時，達到某一轉(zhuǎn)速時，使轉(zhuǎn)軸強烈振動，這種現(xiàn)象圖17-2喘振線圖圖17-2喘振線圖17-3離心壓縮機的工作區(qū)、喘振區(qū)與阻塞區(qū)速乂阻塞區(qū)稱為振動。它是由于旋轉(zhuǎn)設(shè)備具有自由振動的頻率（稱為自由振動頻率）當轉(zhuǎn)速達到該自由振動頻率的倍數(shù)時，出現(xiàn)諧振（這時的頻率稱為諧振頻率）造成轉(zhuǎn)軸振動。振動發(fā)生在自由振動頻率的倍數(shù)時，因此，轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高或降低時，這種振動會消失。壓縮機流量過小會發(fā)生喘振，流量過大時會發(fā)生阻塞。阻塞時，氣體流速接近或達到音速（315m/S），壓縮機葉輪對氣體所做的功全部用于克服流動損失，使氣體壓力不再升高，這種現(xiàn)象稱為阻塞現(xiàn)象。離心壓縮機的工作區(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的最小和最大操作轉(zhuǎn)速。17.2離心壓縮機防喘振控制系統(tǒng)的設(shè)計要防止離心壓縮機發(fā)生喘振，只需要工作轉(zhuǎn)速下的吸入流量大于喘振點的流量Qp。

因此，當所需的流量小于喘振點流量時，例如生產(chǎn)負荷下降時，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，滿足大于喘振點流量的控制要求。防止離心壓縮機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，離心壓縮機的喘振點流量為Qp（已經(jīng)考慮安全余量），如果能夠使壓縮機入口流量總是大于該臨界流量Qp，則能保證離心壓縮機不發(fā)生喘振?？刂品桨甘钱斎肟诹髁啃∮谠撆R界流量Qp時，打開旁路控制閥，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，采用不同的喘振點流量（考慮安全余量）作為控制依據(jù)。由于極限流量（喘振點流量）變化，因此，稱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)模型計算設(shè)定值的控制系統(tǒng)。離心壓縮機的防喘振保護曲線如圖17-2所示，也可用模型描述為P=a+bQ2P1如果P2<a+b奠，則說明流量大于喘振點處的流量，工況安全；如也〉b#，則說P1°Pi8明流量小于喘振點處的流量，工況處于危險狀態(tài)。采用差壓法測量入口流量，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)和相對分子質(zhì)量，三是入口流量對應(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，：==，當被壓縮介質(zhì)確定后，該項是常數(shù)；當節(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，當入口節(jié)流裝置測量得到的差壓大于上述計算值時，壓縮機處于安全運行狀態(tài)，旁路閥關(guān)閉。反之，當差壓小于該計算值時，應(yīng)打開旁路控制閥，增加入口流量。上述計算值被用于作為防喘振控制器的設(shè)定值，因此，稱為根據(jù)模型計算設(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，完成的運算，PY-2是乘法器，完成頃-『）與f的相乘運算，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，測量離心壓縮機的入口和出口壓力，匚「-】是入口流量測量用的差壓變送器，其輸出作為防喘振控制器＜；-：的測量值?？勺儤O限控制系統(tǒng)是隨動控制系統(tǒng)。測量值是入口節(jié)流裝置測得的差壓值％，設(shè)定

值是根據(jù)喘振模型計算得到的M（;:-"_），當測量值大于設(shè)定值時，表示入口流量大于極限流量，因此，旁路閥關(guān)閉；當測量值小于設(shè)定值，則打開旁路閥，保證壓縮機入口流量大于極限流量，從而防止壓縮機喘振的發(fā)生。17.2.3測量出口流量的可變極限流量防喘振控制有些應(yīng)用場合，例如，壓縮機入口壓力較低，壓縮比又較大時，在壓縮機入口安裝節(jié)流裝置造成的壓降可能使壓縮機為達到所需出口壓力而需增加壓縮機的級數(shù)，使投資成本提高。這時，為防止喘振的發(fā)生，可將測量流量的節(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)。當壓縮比很大，即p2>>ap1時，可忽略后者ap「即a^0o式（17-6）可簡化為(17-7)通常，壓縮機的出口和入口溫度之比是恒值K,此時，防喘振控制系統(tǒng)設(shè)定值的計算公式還可簡化為

(17-8)根據(jù)簡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離心壓縮機串并聯(lián)時的防喘振控制離心壓縮機可以串聯(lián)或并聯(lián)運行，但這將增加運行操作的復(fù)雜性，并使能量消耗增大，因此，并不推薦使用，僅當工藝壓力或流量不能滿足要求時才不得不采用。這時，串并聯(lián)運行的防喘振控制系統(tǒng)要比單臺壓縮機的防喘振控制系統(tǒng)復(fù)雜，即操作系統(tǒng)需協(xié)調(diào)。

離心壓縮機串聯(lián)運行時的防喘振控制當一臺離心壓縮機的出口壓力不能滿足生產(chǎn)要求時，需要兩臺或兩臺以上的離心壓縮機串聯(lián)運行。串聯(lián)運行壓縮機與多級壓縮相似。圖17-8所示為離心壓縮機串聯(lián)運行時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是測量流量的差壓變送器，七。-1、LC-2是防喘振控制器。與單臺壓縮機的防喘振控制相同，對壓縮機1和2都采用可變極限防喘振控制，將計算的設(shè)定值送防喘振控制器，為了減少旁路閥，增加了一臺低選器，只要其中任一臺壓縮機出現(xiàn)喘振，都通過低選器，使旁路閥打開。防喘振控制器選用正作用，旁路控制閥選用氣關(guān)閥。使用時注意：離心壓縮機的串聯(lián)運行只適用于低壓力的壓縮機，對高壓力壓縮機，考慮機體的強度，不宜采用串聯(lián)運行；為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，對后級壓縮機的穩(wěn)定工況宜大于前級。(2)離心壓縮機并聯(lián)運行時的防喘振控制當一臺壓縮機的打氣量不能滿足工藝要求時，需要兩臺或兩臺以上離心壓縮機并聯(lián)運行。如果并聯(lián)運行的壓縮機特性不一致，就會影響負荷的分配，并影響防喘振控制系統(tǒng)的正常運行。壓縮機并聯(lián)運行的防喘振控制有兩種方案。一種方案是每臺壓縮機設(shè)置各自的防喘振控制系統(tǒng)，這時，任一臺壓縮機都能夠單獨運行，并可前后啟動運行，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關(guān)，只用一個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1和2的入口流量測量用差壓變送器，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是手動開關(guān)。當開關(guān)切換到A時，組成壓縮機1的防喘振控制；當開關(guān)切換到B時，組成壓縮機2的防喘振控制；當開關(guān)切換到C時，防喘振控制器的測量信號是兩個壓縮機入口流量的低值，即低選器的輸出，因此，用于兩個壓縮機并聯(lián)運行時的防喘振控制。防喘振控制的設(shè)定值計算采用加法器和乘法器實現(xiàn)。實施時注意：兩個壓縮機的特性應(yīng)一致；不能實現(xiàn)兩臺壓縮機前后啟動運行；為使單臺壓縮機獨立啟動，需設(shè)置各自的手動旁路閥。17.3防喘振特例分析17.3.1二氧化碳壓縮機的防喘振控制圖17-10所示為一臺二氧化碳離心壓縮機防喘振控制系統(tǒng)的控制方案。壓縮機分低壓段和高壓段兩級，由蒸汽透平帶動。由于供應(yīng)的二氧化碳流量不穩(wěn)定，工藝允許過量時可放空，不足時應(yīng)減負荷。正常時，生產(chǎn)負荷由蒸汽透平的轉(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的控制系統(tǒng)由下列控制系統(tǒng)組成?？s機入口壓力高，為此，設(shè)置入口壓力定值控制系統(tǒng)，當壓力過高時，將CO2放空。（2）壓力PC-1與流量FC-1組成選擇性控制系統(tǒng)，與蒸汽汽輪機轉(zhuǎn)速組成串級控制。系統(tǒng)當CO2供應(yīng)不足時，應(yīng)選擇流量取代壓力控制系統(tǒng)。正常時，入口壓力P］和轉(zhuǎn)速S組成串級控制系統(tǒng)；當壓力低時，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)當高壓段入口壓力過高時，打開放空閥，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)當高壓段出口壓力過高時，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。17.3.2催化氣壓縮機的防喘振控制圖17-11所示為催化氣壓縮機防喘振控制系統(tǒng)，催化氣壓縮機由蒸汽透平帶動，通過進入蒸汽透平蒸汽量的調(diào)節(jié)，改變轉(zhuǎn)速，調(diào)整生產(chǎn)負荷，整個控制系統(tǒng)由以下兩部分組成。（1）入口壓力p/勺定值控制系統(tǒng)通過入口壓力的定值控制系統(tǒng)保證生產(chǎn)負荷的穩(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催化氣壓縮機防喘振控制方案圖中，PT-1、PT-2分別是壓縮機入口壓力P］和出口壓力p2變送器，PdT-1、PdC-1是入口流量測量的差壓變送器和防喘振控制器，

PdY-1、PY-1是除法器，用