離心式壓縮機防喘振控制的計算理念

2023-02-12 13:03:03 字數 2969 閱讀 8567

【摘要】介紹了離心式壓縮機的防喘振控制的保護理念,及特有的防喘振控制方法。以離心式迴圈氫壓縮機為例,以特性曲線為基礎,通過具體喘振線的計算,來說明防喘振控制的計算過程,這種控制方法方便可行,在石化行業應用廣泛。

關鍵詞:離心式壓縮機防喘振控制喘振線

中圖分類號:tu74 文獻標識碼:a 文章編號:

一、前言

上世紀90年代中期,中國化工行業的大型動力裝置――離心式壓縮機和汽輪機的控制,已經配備了一套完整的成熟的控制系統,在中國應用比較廣泛的就是tricon(三重模件冗餘控制器)的itcc(透平和壓縮機聯合控制)系統。該系統不僅從汽輪機的公升速實現了自動控制,減少了現場人員的工作強度,而且對於壓縮機的保護也採取了自動保護,即防喘振保護。另外,對於機組的聯鎖保護都可以在這套系統裡實現。

這套系統完整、快速地把保護、控制、調節、聯鎖有機緊密地結合在一起,從而實現對大型動裝置的啟動、控制、保護和聯鎖。

二、防喘振控制原理

喘振是指一台正在執行壓縮機,若因外部原因使流量不斷減小達到最小流量值時,就會在壓縮機流道**現嚴重的旋轉脫離,若氣量進一步減小時,壓縮機葉輪的整個流道被氣流旋渦區所佔據,這時壓縮機的出口壓力將突然下降的現象。但是,壓縮機出口所連線的較大容量的管網系統中壓力並不馬上下降,此時會出現管網中氣體向壓縮機倒流的現象。當管網中壓力下降到低於壓縮機出口排氣壓力時,氣體倒流會停止,壓縮機又恢復向管網排氣。

然而,因為進氣量的不足,壓縮機在出口管網恢復到原來的壓力以後,又會在流道內出現旋渦區。如此周而復始,機組和管道內的流量會發生週期性變化,機器進出口壓力會大幅度脈動。由於氣體在壓縮機進出口處吞吐倒流,會伴隨有巨大週期性的氣流吼聲和劇烈的機器振動,這種現象就叫做壓縮機的喘振。

喘振對於壓縮機的危害很大,所以,為了保護機組,就要消除喘振。壓縮機就要有防喘振控制,防喘振控制主要是通過判斷入口流量與壓縮比的關係,判斷工作點是否在喘振區,如果接近防喘振線,就要控制開啟喘振閥,以補充入口流量保證壓縮機正常執行。

三、喘振點和防喘振線

每台壓縮機,都有自己特有的特性曲線。防喘振控制必須要以特性曲線為基礎。下面就以離心式迴圈氫壓縮機為例來說明防喘振控制。如圖1所示迴圈氫壓縮機(額定工況)的效能曲線。

在圖1中,最上方的曲線就是壓縮機的特性曲線,它的橫座標是入口流量,縱座標是壓縮機出口壓力。圖中有4條曲線,分別代表壓縮機在不同轉速下的4種特性曲線,轉速為:10080rpm,10640rpm,11200rpm,11760rpm。

曲線的左端頂點,就是機組在各個轉速下的喘振點。而圖中的三角就是壓縮機在轉速為10640rpm時的工作點。

現在已經知道了機組的喘振點,這些點適用於這台機組,且具有唯一性。所以,根據這些喘振點可以繪出一條喘振曲線(圖2中曲線1),機組在執行時不應到達或超越這條喘振線,如果進入或超過表示機組發生了喘振。那麼,為了更好的控制機組以防禦喘振的發生,在喘振線的基礎上向右偏移了10%,即又增加了一條曲線,叫做防喘振線(圖2中曲線2),機組正常執行時,也是應遠離防喘振線的,工作點(圖2中圓點a)工作在防喘振線的右邊。

為了時時監控,時時進行防喘振控制,在工作點的左端設定了盤旋點(盤旋點是在距離工作點4%的乙個點)(圖2中圓點b),使之與工作點的距離保持4%的距離。當工作點和盤旋點距離大於或小於4%時,防喘振閥關閉或開啟。見圖2曲線圖。

圖2的喘振線是根據圖1(壓縮機特性曲線)和表1(入口流量孔板規格計算書)計算出來的。要想控制且保護好機組,就要把喘振線計算準確。下面介紹喘振線的計算。

tc201是壓縮機的代號。pd/ps:出口壓力/入口壓力,hs/ps%:

溫壓補償後的流量百分比。

圖2迴圈氫壓縮機喘振畫面

表1入口流量孔板規格計算書

四、喘振線的計算

在圖1中入口壓力是5.9 mpa(a)入口溫度是55℃,介質是迴圈氫,轉速是11 200rpm。防喘振控制理論就是知道入口壓力,入口溫度,出口壓力,入口流量。

式中:是設計條件的體積流量,∆p是入口流量的差壓值,是設計條件下的密度,k為流量公式的常數。

式中:是實際測量的體積流量,∆p是入口流量的差壓值,是實際測量的密度,k為流量公式的常數。

以上的流量公式是對於一定質量的氣體來討論的,其流過孔板的差壓值不變。也就是質量不變的理性氣體。對於現場測量流量的測量元件(如孔板),由於冬天夏天溫度不同時氣體的密度不同,所以要把測量的實際流量補償到設計溫度、壓力下的設計流量,這樣測量的流量值才準確。

那麼把公式1比上公式2,得到:

公式3是對實際測量的流量值補償到設計條件下的流量值,保證測量值的準確度。並且從公式3可以看到流量補償實際上是對密度的補償。

圖1中的喘振曲線橫座標是體積流量,是設計條件下的體積流量,單位m3/h,上面喘振首先要有壓縮機的特性曲線,其次還要有測量流量的測量元件的技術規格書,本次專案測量元件是孔板,見表1。孔板的流量單位採用的是標況下的體積流量nm3/h。所以,為了統一單位,要把設計條件的體積流量和測量的體積流量轉換成標況下的體積流量。

由於測量的氣體質量不變,公式3的、轉換到標準狀況下有:

式中:是實際測量的體積流量轉換為標況下的測量體積流量,設計條件下的體積流量轉換為標況下的設計體積流量,是標況下的密度。

由公式4、5,得到公式6

把公式3帶入公式6,得到公式7

從公式7看到求測量的體積流量**換為標況),與設計流量轉換到標況下流量有關。公式7表明這是乙個轉換到標況下的公式。

為了進一步化簡公式,繼續推導。根據理性氣體的狀態方程,見如下公式:

將公式9帶入公式8中得到:

式中:是設計壓力轉換到標況下的壓力,是設計體積轉換到標況下的體積,是設計的溫度轉換到標況下的溫度。是設計壓力,是設計體積,是設計的溫度。

是設計密度轉換到標況下的密度,是設計下的密度。

由公式10得出設計條件下的理想氣體狀態方程:

同理,得到實際測量的理想氣體狀態方程

式中;是測量壓力轉換到標況下的壓力,是測量體積轉換到標況下的體積,是測量的溫度轉換到標況下的溫度。是測量壓力,是測量體積,是測量的溫度。是標況下的密度,是測量下的密度。

因為氣體質量不變,標誌狀態下的和相等,用公式11比公式12得到:

同理,在標準狀態下,和相等,和相等。

把公式14帶入公式7,得到公式15

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