離心式壓縮機(jī)的防喘振控制.doc

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離心式壓縮機(jī)的防喘振控制 一、離心式壓縮機(jī)的特性曲線與喘振 離心式壓縮機(jī)的特性曲線通常指：出口絕對(duì)壓力戶2與人口絕對(duì)壓力p1之比(或稱壓縮比)和入口體積流量的關(guān)系曲線；效率和流量或功率和流量之間的關(guān)系曲線。對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，則主要用到壓縮比和入口體積流量的特性曲線，見圖6—20中實(shí)線。 離心式壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，有可能會(huì)出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象，即當(dāng)負(fù)荷降低到一定程度時(shí)，氣體的排出量會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩，同時(shí)機(jī)身也會(huì)劇烈振動(dòng)，并發(fā)出“哮喘”或吼叫聲，這種現(xiàn)象就叫做離心式壓縮機(jī)的“喘振”。 喘振是離心式壓縮機(jī)的固有特性，而事實(shí)上少數(shù)離心泵也可能喘振。離心泵工作中產(chǎn)生不穩(wěn)定工況需要兩個(gè)條件：一是泵的玎—Q特性曲線呈駝峰狀；二是管路系統(tǒng)中要有能自由升降的液位或其他能貯存和放出能量的部分。 因此，對(duì)離心泵的情況，當(dāng)遇到具有這種特點(diǎn)的管路裝置時(shí)，則應(yīng)避免選用具有駝峰型特性的泵。 對(duì)離心壓縮機(jī)，由于它的性能曲線大多呈駝峰型，并且輸送的介質(zhì)是可壓縮的氣體，因此，只要串聯(lián)著的管路容積較大，就能起到貯放能量的作用，故發(fā)生不穩(wěn)定跳動(dòng)的工作情況便更為容易。連接離心式壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的特性曲線的最高點(diǎn)，所得曲線稱喘振極限線，其左側(cè)部分稱為喘振區(qū)，如圖6—20中陰影部分。喘振情況與管網(wǎng)特性有關(guān)。管網(wǎng)容量越大，喘振的振幅越大，而頻率越低；管網(wǎng)容量越小，則相反。 二、引起喘振的因素 如上所述，當(dāng)離心式壓縮機(jī)的負(fù)荷減小到一定程度時(shí)，會(huì)造成壓縮機(jī)的喘振，這是引起喘振的最常見因素。除此之外，被壓縮氣體的吸入狀態(tài)，如分子量、溫度、壓力等的變化，也是造成壓縮機(jī)喘振的因素。 吸入壓力的變化，會(huì)影響壓縮機(jī)的實(shí)際壓縮比。當(dāng)吸人壓力》l降低，所需壓縮比增大，壓縮機(jī)易進(jìn)入喘振區(qū)。 對(duì)于吸人氣體的分子量變化，壓縮機(jī)特性曲線的改變情況如圖6—21所示。圖中清楚地表明，在同樣的吸入氣體流量QA下，分子量大，壓縮機(jī)易進(jìn)入喘振區(qū)。 當(dāng)吸人氣體溫度變化時(shí)，它的特性曲線將如圖6—22所示。顯然，當(dāng)溫度降低，壓縮機(jī)易出現(xiàn)喘振。 在實(shí)際生產(chǎn)過程中，被壓縮的氣體往往來自上一工序，該工序的操作情況會(huì)影響分子量和溫度的變化，從而可能引起壓縮機(jī)的喘振。鑒于目前的防喘振控制系統(tǒng)一般只是為了防止負(fù)荷的減小，且分子量的變化也無法進(jìn)行在線測量，所以，在上述情況下，防喘振控制系統(tǒng)會(huì)“失靈”。對(duì)此需要特別加以重視。三、喘振的極限方程及安全操作線 (1)經(jīng)驗(yàn)公式將在不同轉(zhuǎn)速下的壓縮機(jī)特性曲線最高點(diǎn)連接起來所得的一條曲線，稱為壓縮機(jī)喘振的極限線，如圖6—23所示。 對(duì)于喘振極限線，可以通過理論推導(dǎo)獲得數(shù)學(xué)表達(dá)式。在工程上，為了安全上的原因，在喘振極限線右邊，建立一條“安全操作線”，作為壓縮機(jī)允許工作的界限。這條安全操作線可與一個(gè)拋物線方向近似，其經(jīng)驗(yàn)公式為 式中，Q1為吸人口氣體的體積流量；丁l為吸人口氣體的絕對(duì)溫度；p1、p2分別為吸入口、排出口的絕對(duì)壓力；K，a均為常數(shù)，一般由壓縮機(jī)制造廠家給出，a有等于0、大于0和小于0三種情況。 由于式(6—7)中的吸入口氣體的體積流量Ql、絕對(duì)壓力》p1和絕對(duì)溫度T1有一定關(guān)系，而且還可以依照不同的測量方法和儀表，將經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)成更加實(shí)用的公式。 (2)用差壓計(jì)測量流量時(shí)的安全操作線表達(dá)式假如在壓縮機(jī)人口處用差壓計(jì)測量流量Ql，測得的差壓為p1d，由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置流量測量公式 式中，o為常數(shù)；c為氣體壓縮系數(shù)；ρ1為人口處氣體的密度。根據(jù)氣體方程 式中，z為氣體壓縮修正系數(shù)；及為氣體常數(shù)；M為氣體分子量。將式(6—9)代入式(6—8)并簡化后，得 式(6—13)和式(6—14)就是用差壓計(jì)測量入口處氣體流量時(shí)喘振安全操作線的表達(dá)式。 四、防喘振控制系統(tǒng) 由前述可知，在通常情況下，壓縮機(jī)的喘振主要是負(fù)荷減少所致，而負(fù)荷的升降則是由工藝所決定的。為使壓縮機(jī)不出現(xiàn)喘振，需要確保任何轉(zhuǎn)速下，通過壓縮機(jī)的實(shí)際流量都不小于喘振極限線所對(duì)應(yīng)的最小流量QB。根據(jù)這一思路，可采取如圖6—24所示的循環(huán)流量法，來設(shè)計(jì)固定極限流量法和可變極限流量法等兩種防喘振控制系統(tǒng)。 (1)固定極限流量法采用部分循環(huán)法，始終使壓縮機(jī)流量保持大于某一定值流量，從而避免進(jìn)入喘振區(qū)運(yùn)行，這種方法叫做固定極限流量防喘振控制。圖6—25中Qn即為固定極限流量值。顯然，壓縮機(jī)不論運(yùn)行在哪一檔轉(zhuǎn)速下，只要滿足Q≥QB的條件，壓縮機(jī)就不會(huì)出現(xiàn)喘振。用固定極限法所設(shè)計(jì)的控制方案結(jié)構(gòu)簡單，如圖6—26所示。圖中的流量控制器，即以Qu值作為其固定設(shè)定值的防喘振控制器。QB的取值應(yīng)以現(xiàn)場壓縮機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的喘振極限流量為好。壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，控制器的測量值恒大于設(shè)定值，而旁路控制閥是氣關(guān)閥，此時(shí)控制器具有正向作用和PI特性，輸出達(dá)最大值時(shí)使閥關(guān)閉。當(dāng)壓縮機(jī)吸氣量小于設(shè)定值時(shí)，旁路閥打開，壓縮機(jī)出口氣體經(jīng)旁路返回至壓縮機(jī)人口，氣量又增大到大于Qu值。這時(shí)雖然壓縮機(jī)向外供氣量減少了，但防止了喘振的發(fā)生。 這種固定極限流量法不足之處在于當(dāng)壓縮機(jī)低速運(yùn)行時(shí)(如圖6—25中的n1，n2轉(zhuǎn)速情況下)，壓縮機(jī)的能耗過大，這對(duì)壓縮機(jī)負(fù)荷需經(jīng)常改變的生產(chǎn)裝置就不夠經(jīng)濟(jì)；但從另一方面講，則有控制方案簡單、系統(tǒng)可靠性高、投資少等優(yōu)點(diǎn)。 (2)可變極限流量法為了減少壓縮機(jī)的能量消耗，在壓縮機(jī)負(fù)荷有可能經(jīng)常波動(dòng)的場合，可以采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的辦法來保證壓縮機(jī)的負(fù)荷滿足工藝上的要求。因?yàn)樵诓煌D(zhuǎn)速下，其喘振極限流量是一個(gè)變數(shù)，它隨轉(zhuǎn)速的下降而變小。所以最合理的防喘振控制方案應(yīng)是在整個(gè)壓縮機(jī)負(fù)荷變化范圍內(nèi)，使它的工作點(diǎn)沿著如圖6—23所示的喘振安全操作線而變化，根據(jù)這一思路設(shè)計(jì)的防喘振控制系統(tǒng)，就稱為可變極限流量法防喘振控制系統(tǒng)，它的原理如圖6—27所示。 在設(shè)計(jì)防喘振控制系統(tǒng)時(shí)，尚需注意如下幾點(diǎn)。 ①旁路控制閥在壓縮機(jī)正常運(yùn)行的整個(gè)過程中，測量值始終大于設(shè)定值，因此必須考慮防喘振控制器的防積分飽和問題。否則就會(huì)造成防喘振控制系統(tǒng)的動(dòng)作不及時(shí)而引起事故。 ②在實(shí)際的工業(yè)設(shè)備上，有時(shí)不能在壓縮機(jī)入口處測量流量，而必須改為在出口處，但壓縮機(jī)制造廠所給的特性曲線往往是規(guī)定測量人口流量的，這時(shí)就需要將喘振安全操作線方程進(jìn)行改寫。可以從人口、出口質(zhì)量流量相等這一等式出發(fā)，寫出pld與出口流量的差壓值p2d之間的關(guān)系式，然后把安全操作線方程式中p1d替換掉，再以此方程進(jìn)行防喘振控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 ③喘振安全操作線方程式中的壓縮機(jī)出、人口處的壓力p1、p2均指絕對(duì)壓九因此，若所用的壓力變送器不是絕壓變送器，則必須考慮相對(duì)壓力和絕對(duì)壓力的轉(zhuǎn)換問題。 第 6 頁 共 6 頁