防喘振原理与现场测试

一、防喘振测试

1、喘振发生的原因

1.1压缩机的工作特性曲线

在进行72小时测试前我们有一项重要的准备工作需要完成--防喘振测试。那么什么是压缩机的喘振呢？喘振是离心式压缩机的固有特性，因此可以由压缩机工作过程中的特性曲线和管网特性曲线直观的分析出喘振发生的原因以及防护措施。

上图为离心式压缩机的流量--压力特性曲线，线2为压缩机在一定转速下的特性曲线，线1则相对应的管网特性其曲线。两条线的交点A是压缩机的工作点，在这点工作时，压缩机和管网组成的整个系统处于平衡的状态。其中离心压缩机的特性曲线为一条在气量不为零处有一最高点、呈驼峰状的曲线, 最高点M 将此曲线分为左支与右支，Qm点表示压缩机的最小工况流量。

1.2 压缩机稳定工况

上图中在离心压缩机的特性曲线的右支,系统的流量发生瞬间变化, 从 Q 增至Q2, 此时管网压力随之增加 ( AB 段) , 而压缩机出口压力却下降 ( AC 段) , 管网上的压力 ( AB 段) 总大于压缩机出口压力 ( AC 段) , 此压力差促使压缩机的流量减少, 即由Q2回复至Q, 工作点复原。与之类似, 当 Q 降至Q1 时, 管网上的压力 ( AE段) 总小于压缩机出口压力 ( AD 段) , 此压力差促使压缩机的流量增加, 即由 Q1回复至 Q。

1.3 压缩机喘振工况

在离心压缩机的特性曲线的左支，当离心式压缩机的流量减少到Qm点时，如果由于某种原因压缩机流量进一步下降到Q1，那么压缩机的出口压力下降到Pb，但是管道中的容积很大，而且天然气有可压缩性，因此管道中的压力不能立即下降，那么在Pa--Pd段管道压力就会大于压缩机的出口压力，通过压缩机的气流因受到阻碍而造成流量进一步减小, 出口压力也进一步降低, 至Pe点就会出现管道天然气逆流到压缩机中。而压缩机由于补充了流量，又会使出口压力上升，同时管道压力下降，直到出口压力大于管网压力，倒流停止。压缩机又开始向管网供气, 经过压缩机的气量逐渐回升,管网上气体的压力增加至Pa，压缩机的流量又开始减少，气体倒流又一次产生，周而复始，整个系统内出现周期性的气流振荡，造成流量和出口压力强烈波动，这样工作点在M左支时压缩机反复流动振荡。这种现象就是压缩机的喘振，其形成的主要原因是压缩机的流量过小，小于压缩机在M点的最小工况流量，管网的压力高于压缩机出口压力，形成天然气的倒流，产生大幅度的气流脉动。

喘振的防止措施
2.1 喘振的实例分析
由上一节可知当压缩机的性能曲线与管网性能曲线两者或两者之一发生变化时，交点A就要变动，压缩机的工况将有变化，那么就有可能出现喘振。如下图中所示，ε表示进出口压力比；Q为气体流量。
图（a）中所示，20℃时工况点为A点，压缩机稳定运行状态。但如果突然地机组的冷却装置出现故障，那么就是让曲线1下移到曲线，同时工况点由A点移动到A'点，落在了喘振线上，形成喘振。
图（b）中，压缩机进口压力是时，压缩机的工况点为A点。假设进口管线突然的下降（误操作，如关阀），进口压力下降为，造成性能曲线1'，同时工况点由A点移动到A'点，落在了喘振线上，形成喘振。
图（c）中，压缩机工作转速是时，压缩机的工况点为A点。假设由于变频器驱动突然的故障（误操作，如掉电），使压缩机转速为，造成性能曲线1'，同时工况点由A点移动到A'点，落在了喘振线上，形成喘振。
2.2 喘振的防止
为确保机组安全操作, 预防喘振的发生, 而设置防喘振控制系统。防喘振的原理就是针对着引起喘振的原因，在喘振将要发生时，立即设法把压缩机的流量加大。防喘振控制系统有液动、气动和电动 3 种，其中液动、气动的使用较为广泛。防喘振控制系统通常由检测变送器、各种计算装置、调节器和调节阀组成。目前，广泛采用的典型防喘振控制系统有以下几种：电流防喘振控制系统、流量防喘振控制系统、压差-流量防喘振控制系统、特殊应用的防喘振控制系统、串联离心压缩机防喘振控制系统、并联离心压缩机防喘振控制系统等6种。目前我们管线上的三所压气站都是投用的压差-流量防喘振控制系统。
目前我们天然气管道增压压差-流量防喘振控制系统，它包括防喘振控制阀、防喘振控制器、流量检测系统、压力温度传感器几个部分。如下图所示：

防喘振系统主要采集的输入信号有：一、差压流量计FIT201差压信号；二、压缩机进口和出口压力；三、防喘阀开度的位置反馈。防喘振系统输出的是：一、防喘阀电磁阀启动的开关指令；二、控制防喘阀的模拟指令。
该系统的主要包括有两个控制器：防喘振控制器和工艺控制器。而其采集的压缩机进出口压力和流量构成压缩机的运行曲线图，在HMI上显示。如下图所示：
其中红色代表压缩机的喘振线（SLL），绿色表示压缩机的喘振控制线(SCL)，紫色点为Operating Point工艺运行点。
2.2.1 防喘振控制器
防喘振控制器的目的就是保护压缩机各级，使之不会发生喘振现象。当工艺点由于工况变化的原因左移，当其到达SCL线上时，控制系统将打开防喘阀增加进气流量，使工作点沿着速度特性曲线从临界状态移动到稳定区域。SCL线是由流量余量参数K（就是说压缩机的进气口流量变化多少会引发喘振，一般设为10％）确定的，SCL将实际压缩比Pd/Ps(出口/进口)映射到某个安全流量，以使运行点达到SCL，该目标流量为PI控制器的设定值。防喘振控制器的工艺变量为入口流量，控制器的输出决定了防喘振阀的开度，直到流量达到目标值。
当工作点在绿色SCL线（喘振控制线）右侧区域，防喘控制器不起作用；当工作点移到绿色SCL线（喘振控制线），若在手动方式，自控不起作用，靠手动调节，若在自动方式，防喘控制器自动控制防喘阀；当工作点移到蓝色COR线（安全校正线），程序强制把手动改为自动；当工作点移到深绿色PROT（安全保护线），快速开防喘阀，若在3秒内工作点没拉回来，就断SOV 201电磁阀电源，防喘阀在1秒钟内完全打开。
防喘振控制器的控制逻辑主要有：
1、压缩机停机后，防喘振控制器的调节功能失效，防喘振电磁阀（SOV201）断电，防喘振阀完全打开。
2、在压缩机组启动期间，防喘振控制器在收到复位命令后给防喘电磁阀上电，并输出4 mA（与站场的ROV阀相反）信号迫使防喘阀处于全开状态。直到主电机运行状态反馈信号到来的40秒之后，防喘振控制器行使自动调节功能，逐渐关闭防喘阀或工作点到达SCL（喘振控制线）。
3、在正常情况下，防喘振控制器可工作在MANUAL MODE（手动模式），通过点动INC或DEC来开大或关小防喘阀。但当工作点接近SCL时，防喘振控制器将超越手动控制。在正常停机情况下，防喘振控制器接到正常停车命令后，迫使防喘阀全开。
5、遇到紧急停车时，防喘振控制器接到紧急停车命令后，立即给防喘电磁阀下电，防喘阀快速打开。
6、当工况发生突然变化时，防喘振控制器立即给防喘电磁阀下电，防喘阀快速打开，机组不跳闸。接收到复位信号（RESET SOV）后，电磁阀再次上电。
7、当执行带吹扫启机程序时，首先防喘控制器输出20 mA信号给防喘阀的阀门定位器，迫使防喘阀全关。当压缩机即将达到喘振点时，防喘振控制器先于工艺控制器实施控制。
2.2.2 工艺控制器
工艺控制器的作用是通过相关的控制变量（VSDS转数、FV201开度）对指定的工艺变量（压缩机的PIT202、PIT201和FIT201）实施控制。
在收到主电机运行反馈信号40秒后，工艺控制器开始起作用。控制逻辑有以下几种：
1、当工况发生变化时，工艺控制器通过改变控制变量（VSDS转数、FV201开度）来保持工艺变量（压缩机的PIT202、PIT201和FIT201）与预设给定值一致。
2、当工作点接近SCL（喘振控制线）时，防喘控制器对工艺控制器实施越权控制，使压缩机远离喘振区。
每个UCP均设有工艺控制器，以提高应用的可靠性。由于这个原因，各UCP之间用MASTER、DEMAND信号互相联系
防喘振测试

防喘振测试的目的是为了模拟压缩机的工艺运行点在手动控制下进入SCL线，观察防喘振控制器是否能通过控制防喘阀将工艺点拉回到SCL线右边。

3.1 启动前的准备

测试之前，压缩机喘振控制保护系统必须已经调试完成，并且经过验证；叶轮入口压差变送器校验完成。测试将基于管道和现场的实际工艺条件进行。站场内空冷系统须处于可操作的状态，并且在整个测试期间需处于运行状态，以保证工艺气体温度的稳定。测试前需要检查喘振控制的相关参数，以及在机组靠近喘振区域时防喘振控制阀能迅速打开使压缩机运行点远离喘振区域:一定转速下，防喘振测试之前，先调整压缩机运行在远离喘振区域的点上，根据设计防喘振线的喘振点进行逐级测试。该测试的流量将根据压缩机入口压差估算的数据。

压缩机设置和检查,以下几点是一些主要的机组启动前，压缩机及辅机系统应处于的状态:打开压缩机和工艺气管道的排污阀、检查仪表的根部阀在全开位置、从上游往下游一次关闭工艺管道和压缩机上的排污阀、工艺管道上的阀处于以下位置、压缩机入口阀ROV202处于关闭状态、压缩机加载阀CV202处于关闭状态、压缩机防喘振控制阀FV201处于开启状态、压缩机出口阀ROV204处于关闭状态、压缩机放空阀CV203处于可控状态、空冷器旁通阀ROV203处于可控状态、热旁通阀FV200处于关闭状态、密封气阀FV135处于开启状态。

3.2 启动机组进行防喘振测试

确认机组启动前的所有预检查已经完成。启动机组至最小转速之上，监测所有的参数，确认机组所有参数在运行范围内。压缩机运行点往防喘振线移动是通过手动减小防喘振控制阀的开度来实现。需要注意的是其他工艺阀在设计上不是用来调节流量的，细微的阀开度的变化可能引起较大的流量变化。同时，测试期间为了防止压缩机喘振导致的可能危害，工艺管路上的手动阀禁止操作。

1、增加机组转速，在压缩机出口建立背压7.3Mpa，期间保持防喘振阀全开，压缩机出口阀开。压缩机入口阀保持开的状态，此时操作点处于远离喘振线的位置。

2、利用工艺控制器手动关防喘振阀，速度一定要慢，以防止流量突变导致压缩机进入喘振区域，同时密切注意压缩机的振动。运行30分钟，以期达到稳定状态。

3、防喘振控制器控制工艺点远离SLL：手动缓慢减小防喘振控制阀的开度，使工艺点越过SCL线。此时，防喘振控制器开始起作用，增加防喘阀的开度使工艺点远离SLL线。

4、当重新达到工艺正常要求时，说明防喘振控制器能够正常作用。测试结束。