离心式压缩机防喘振控制方案及数学模型

工程设计及标准

石 油 化 工 自 动 化,2007,3 19AUTOMATIONINPETRO CHEMICALINDUSTRY

离心式压缩机防喘振控制方案及数学模型

储朝霞

(东华工程科技股份有限公司,安徽合肥 230024)

摘要:对某甲醇装置中离心式压缩机的一般控制方案和防喘振控制方案作了重点论述,并提出设计中需注意的主要问

题;结合甲醇装置中的压缩机组具体情况,推导出合成气压缩机和CO2压缩机防喘振控制方案的数学模型。

关键词:防喘振控制;安全操作线;固定极限流量;可变极限流量

中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:1007-7324(2007)03-0019-03

TheAnti surgeControlSchemesandMathematicModelsfor

CentrifugalCompressorsinMethanolPlant

ChuZhaoxia

(EastChinaEng.Science&Tech.Co.Ltd.,Hefei,230024,China)

Abstract:Thegeneralcontrolschemeandanti surgecontrolschemeofcentrifugalcompressorsaredis cussedindetailandthenoticesindesignareputforward.Themathematicmodelforsynthesiscompres sorandCO2compressorcontrolinmethanolplantisestablished.

Keywords:anti surgecontrol;safetyoperationline;fixedlimitflow;variablelimitflow 近年来,随着石油化工装置的大型化,对离心式压缩机提出了高压、高速、大容量、高度自动化的一系列要求,促进了离心式压缩机的研究和发展。目前由于PLC技术的飞速发展,使压缩机的防喘振控制由单回路、单参数逐步向多回路、多参数的复杂控制技术方向发展,并且已在大机组控制技术上得到广泛应用,取得很好的效果。某厂400kt/a甲醇装置中的合成气、循环气、空气、氧气以及CO2采用的都是离心式压缩机。以该厂合成气和CO2压缩机为例,深入分析其防喘振控制系统数学模型及其实现过程。

1 离心式压缩机的一般控制方案

为使压缩机得以安全、平稳、长周期地运行,要求对其设置多种参数的检测、控制和安全联锁保护系统。

a)压缩机气量及出口气体压力控制系统,即负荷控制系统。有直接节流法、旁路回流法、调节原动机转速以及通过改变进口导向叶片角度来调节气量等方法。

b)防喘振控制系统。喘振是离心式压缩机本身的固有特性,造成喘振的直接原因是进气量减少到压缩机的允许最小值。

c)压缩机各段气缸吸入口温度、压力及入口 收稿日期:2006-12-20;修改稿收到日期:2007-02-10

作者简介:储朝霞(1971 ),女,安徽安庆人,1994年毕业于北京化工大学生产过程自动化专业,现在东华工程科技股份有限公司从事自控专业工程设计工作,任高级工程师。

d)压缩机油路系统(包括密封油、控制油和润滑油)及真空冷凝系统的控制及安全联锁保护

系统。

e)压缩机主轴的轴向推力、轴向位移及振动的指示与安全联锁保护系统。2 离心式压缩机的防喘振控制

2.1 离心式压缩机喘振产生的原因

压缩机在设计工况工作时,气体进入叶道的方向角基本上等于叶轮叶片的进口安装角,气流通畅地进入流道,基本上不会出现气体附面层脱离现象,损失很小。但当气量减少到一定程度时,进入叶道的气流方向与叶轮叶片的进口安装角方向很不一致,在叶片的背面形成很大的涡流区,以致充满整个叶道而把通道阻塞住,气流只能在涡流区内打转而流不出来。这样,压缩机不能产生预期的压力,造成管网中的压力pX大于压缩机出口压力p2,因而管网中气体倒流向压缩机,直至两者的压力达到新的平衡,这时压缩机又开始向管网压送气

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石油化工自动化 2007年

体,压缩机恢复正常工作,使管网中的气体压力升高,当管网中气压又增至pX时,压缩机流量又降到最小值,压缩机出口压力仍然降到p2,管网中气体又倒流向压缩机!!。如此周而复始地进行,产生周期性气流脉动,以致引起转子动应力的增加,机组强烈振动,压缩机不能稳定工作,这种现象称为喘振。2.2 安全操作线

压缩机喘振的原因要从离心压缩的过程特性上来找。离心式压缩机的压缩比(出口压力p2与入口压力p1之比)与进口气体体积流量qV之间的关系曲线如图1所示,其中ni(i=1,2,3,!)是离心式压缩机的转速,qVp是临界流量,可知,每条曲线在每种转速下都有一个p2/p1值最高点,连接最高点的虚线是1条表征产生喘振的极限曲线,曲线左侧的部分是喘振区,曲线右侧部分是安全运行区。若压缩机的工作点在喘振区,会出现喘振现象。喘振会使压缩机及所连接的管网系统和设备发生强烈的振动甚至使压缩机遭到

破坏。

车时升压与升速要同时进行,且升压速度(关出口放空阀或进出口旁路阀)要慢于升转速(开大透平进气阀),否则出口压力增加而性能曲线还是低转速的,就有可能进入喘振区;同样,停车时降压要先于减速。对于双缸的压缩机,开车时应当先增加低压缸压比,再增加高压缸的压比,即升压过程是先关低压缸的防喘振阀,再关高压缸的防喘振阀;如不这样操作,则由于低压缸出口压力还比较低,就会使高压缸压比过高而造成高压缸喘振;同样,停车时先开高压缸的防喘振阀(高压缸卸压),再开低压缸的防喘振阀。另外,需在压缩机转速达到要求的转速时才投入防喘振控制,在此之前,防喘振阀一直要保持全开。2.3 防喘振控制方案

由喘振现象的分析可知,只要保证压缩机吸入流量大于qVp,系统就会工作在稳定区,不会发生喘振;为了使进入压缩机的气体流量保持大于qVp,在生产负荷下降时,须将部分出口气体经旁路返回到入口或将部分出口气体放空,保证系统工作在稳定区。目前工业生产上主要采用固定极限流量控制方案和可变极限流量控制方案。

a)固定极限流量防喘振控制方案。使压缩机的入口流量始终保持大于qVp,如图2所示。这样压缩机就不会产生喘振。固定极限流量控制方案简单,系统可靠性高,投资少,适用于固定转速场合。其缺点是当转速降低,压缩机在低负荷运行时,极限流量的裕量大,能量浪费很大。

图1 离心式压缩机特性曲线

为了安全起见,压缩机的实际工作点距离喘振极限曲线应留有一些余地,一般在喘振极限曲线右侧(比喘振流量大5%~10%)再作1条抛物线,这条抛物线叫做压缩机的安全线,如图1所示。

喘振是离心压缩机的固有特性,每台压缩机都有一定的喘振区域,因此只能采取相应的防喘振控制方案予以防止。另一方面喘振频率和幅度的大小与管网的容量大小有很大关系。管网的容量越大,喘振的频率则越低,喘振的振幅越大;管网的容量越小,喘振的频率则越高,喘振的振幅越小,喘振的频率大致与管网容量的平方根成反比。

除上述介绍流量变小是造成离心压缩机喘振的原因外,压缩机的转速变化、被压缩气体的吸入状态(如分子量、温度、压力等)的变化以及管网压

图2 固定极限流量防喘振控制特性曲线b)可变极限流量防喘振控制方案。因为压缩机在不同转速工况下其喘振极限流量是一个变数,它随转速的下降而减小,所以最合理的防喘振控制方案应是留有适当的安全裕度,使防喘

振控制器沿着喘振边界曲线右侧的一条安全操作线工作,使控制器的设定值随转速的变化而作相应地变化。

如图1所示,压缩机防喘振安全操作线的方程

第3期 储朝霞.离心式压缩机防喘振控制方案及数学模型

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p2/p1=a+bqV1/T1

式中 qV1 入口流量;

T1 入口温度;a,b 系数。

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如果入口流量采用节流装 …… 此处隐藏：4478字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……