离心式压缩机的防喘振控制与阀门选型

1、晋升任职资格送审论文评审表论文题目离心式压缩机的防喘振控制与阀门选型论文编号申报任职资格高级工程师撰写时间2008-7-8评价要素评价等级优良中差选题的科学性、针对性论证的逻辑性、论据的充分性结果的创新性、实用性工作的难度、深度及工作量表达的清晰性、结构的规范性简要评语：结论性意见（请在下列4项中选择1项结论性意见，在方框中划）：论文具有申报任职资格水平的：较高水平；达到水平；基本达到；不具备。专家签名：年月日论文编号：专 业：生产过程自动化论文题目： 离心式压缩机的防喘振控制与阀门选型 内容摘要： 离心式压缩机在工业生产中的应用越来越广泛。本文对离心式压缩机的固有特性喘振进行了详细的分析。重

2、点分析了乙烯装置裂解气压缩机防喘振系统的独特设计、工作原理及在TPS控制平台上的逻辑实现，并对防喘振控制阀的合理选型进行了有益的探讨。这为离心式压缩机防喘振控制系统的设计提供了值得借鉴的经验。目 录前 言1第一章 喘振的产生及预防1一、喘振的产生过程1二、喘振的预防2三、常用的防喘振控制系统2第二章 乙烯装置裂解气压缩机的防喘振控制4一、概述4二、防喘振控制系统的实现4第三章 防喘振控制阀的合理选型10一、合理选型防喘振阀，至关重要10二、防喘振控制阀计算的步骤10三、以防喘振控制阀FV205为例说明阀门选型的计算11第四章 结束语12前 言 随着石油化学工业不断的向大型化发展，越来越多的要求

3、压缩机向高压、高速、大容量、高度自动化水平方向发展。离心式压缩机由于有调节性能好、控制气量范围大、运行效率高，维修简单，较好的经济性能等特点，因此在大型化工装置中离心式压缩机使用的越来越多。在某厂乙烯装置中，裂解气压缩机（GB201）、丙烯压缩机（GB501）、乙烯压缩机（GB601）、三元制冷压缩机（GB801）都采用的是离心式压缩机。 虽然离心式压缩机的应用非常普遍，但压缩机在运行过程中，有可能出现一种现象，即当负荷降低到一定程度时，气体的排出量会出现剧烈震荡，同时压缩机本身也会剧烈震动，并发出“哮喘”似的吼叫声，这种现象叫做离心式压缩机的喘振。喘振是离心式压缩机的固有特性，且对压缩机本身

4、来说危害巨大，因此必须设置相应的防喘振控制系统，以确保压缩机的安全运行。第一章 喘振的产生及预防 一、喘振的产生过程图1-1为离心式压缩机的P-Q特性曲线。 图1-1 离心式压缩机特性曲线曲线上的A点为压缩机正常工作点，压缩机的转速为N。当压缩机减低负荷，流量逐渐减小到Qm时，工作点将由运转下限B点突变到C点，压缩机的出口压力就由PB突变到PC，在此变化瞬间，与压缩机相连的管路系统的压力仍然为PB，也即管路系统的压力PB高于压缩机的出口压力PC，于是气流向压缩机倒流，管路系统的压力PB渐渐降低到PC。由于压缩机在此过程中继续在运转，故一旦机内压力与管路系统压力接近时，它又开始向管路系统输送物料

5、，则流量QC迅速突变到QD，工作点由C点突变到D点，而D点的流量大于A点（正常工作点）的流量，超过系统的要求，管路系统压力憋高，当高到PB时，工作点又到达B点，接着又突变到C点，反复上述过程，气体从管网向压缩机倒流，喘振重复发生。由于压缩机在高速运转，这种循环过程进行的非常迅速因而气体由压缩机忽进忽出，使转子受到高变负荷，机体发生剧烈震动并波及到所连接的管线。同时机器发出周期性间断的巨大噪声，使压缩机各部件轴承和密封环损坏，严重时打碎叶轮，烧坏轴瓦，使压缩机受到严重破坏。喘振现象的发生与管网特性有关。管网容量越大，喘振的振幅越大，频率就低；反之振幅也小，频率就高。二、喘振的预防使压缩机发生喘振

6、的原因很多。一般来说，离心式压缩机在吸入气体流量小到一定程度时会产生喘振；被压缩气体吸入状态（如分子量、温度、压力等）的改变往往也是造成喘振的原因。如裂解气压缩机，裂解气组分的改变、吸入气体压力降低、压缩后气体温度升高导致聚合生成积聚物堵塞流道等都会造成压缩机喘振。为了防止压缩机在喘振状态下运行，采用的办法就是将压缩机出口的部分气体返回其入口。如上面所述，离心式压缩机在某一转速下有一个喘振点流量。如果把不同转速下不同的喘振点连接起来，就得到该压缩机的喘振边界线（如图1-2）。此线左侧为喘振区。防图1-2 压缩机的喘振边界线喘振的目的就是使压缩机的工作点不进入喘振区。在转速一定时，经旁路返回压缩

7、机入口的流量Q返须喘振起始点流量QB与压缩机入口气体QA之差，即Q返QB-QA，这样一旦压缩机的气体流量减小到QB以下，就须打开旁路阀，使一部分出口气体回流到入口保持压缩机内的气量始终大于喘振点流量值QB，从而避免了喘振。三、常用的防喘振控制系统目前主要有两种防喘振控制系统实现压缩机的防喘振控制。一种是旁路返回的气体流量值为定值；另一种是在满足Q返QB-QA的情况下，旁路返回的气体流量随压缩机运行工况不同而改变的防喘振调节系统。3.1 对于第一种防喘振调节系统叫固定极限流量防喘振也叫最小流量控制。在压缩机及管路系统一定的条件下，当压缩机的流量小于某一数值以后，压缩机即发生喘振。我们可用如图1-

8、3所示的调节系统使压缩机的流量始终保持大于某一定值流量。这类方案可靠性高，使用于相对固定转速的离心式压缩机，但转速降低时，容易浪费能源。图1-3 固定极限流量防喘振3.2 离心式压缩机的另一种防喘振调节系统为可变极限流量防喘振。这种调节方案可使压缩机在不同的转速（即不同的负荷）下有不同的喘振极限流量。它是根据压缩机的通用性能曲线，采用近似的方法，建立一个离喘振曲线有一定裕量（通常为3%5%）的防喘振控制线（图1-4）所示，通过防喘振控制线的轨迹确定防喘振调节器的给定值，确保压缩机运行在喘振控制线的右侧。这种控制方式一般用于负荷可能经常波动的离心式压缩机。其调节系统简图如图1-5所示。 1-4

9、防喘振控制线的确立 图1-5 可变极限流量防喘振第二章 乙烯装置裂解气压缩机的防喘振控制一、概述 裂解气压缩机（ES-GB201）是乙烯装置的关键设备，它运行的好坏直接影响着乙烯装置的安稳长满优运行。本厂乙烯装置裂解气压缩机GB201使用的是三菱重工生产的三缸五段蒸汽透平式离心压缩机。DCS控制系统应用的是Honeywell的TPS系统，该系统有线性输出、温压补偿和低选的功能,为实现压缩机防喘振自动控制提供了平台。二、防喘振控制系统的实现GB201为三缸五段压缩机，从前面的论述可以看出，为了防止喘振的产生，要求各段入口流量至少不能低于正常流量的75%，否则将可能发生喘振。因此GB201共设计了

10、两套防喘振控制系统。在前三段设计了一个以三段出口流量为测量值而控制三段出口到一段入口流量的控制系统FIC205（简称三返一），这样保证了三段出口流量，从而也就保证了一、二段的流量。与此相仿，在四五段设置一套以五段出口流量为测量值控制五段出口至四段入口流量的控制系统FIC275（简称五返四）。由于压缩机正常运转时的负荷相对稳定，因此采用了固定极限流量（流量加温压补偿）的方法来防止喘振的产生。下面分别对GB201的两套防喘振控制系统进行说明。（一）三返一防喘振控制系统及其实现1.1 对于三返一简要的工艺流程图如图2-1所示： 图2-1 三返一防喘振控制系统1.2 三返一防喘振控制系统的组成 仪表位

11、号控制点名称范围制造厂家FT205FE205三段出口流量检测（差压变送器）节流装置（文丘里管）0250KNm3/hRosemountFC205PT203流量控制器压力变速器 01.5MPaGRosemountTE204FV205热电偶防喘振调节阀0200oCFisher 1.3 控制系统在上的控制原理图如图所示。 图三返一防喘振控制原理1.4 三返一控制系统在Honeywell TPS上的实现1.4.1 由于裂解气三段出口标准流量会随着出口压力和温度的变化而变化，因此设置了出口流量的温度和压力补偿。在这里温度取自信号TE204，压力取自信号PT203，这两个信号的检测点都取自压缩机三段出口。1

12、.4.2 控制器FC205为带温压补偿的控制器，其输出的计算式如下： FO=F1×aPb× Tbb×ZbZa（1） FY205为实际压缩因数计算器，其输出Za可用下面的公式计算： Za=Zb×Kp×Kt（2）1.4.3 几个参数的含义： F1：FI205的测量值 （KNm3/h） FO: FC205温压补偿后的输出值 （KNm3/h） Pb：设计基准压力 （0.942MPaG） Tb：设计基准温度 （91） Za：实际压缩因数（compressibility factor） Zb：基准压缩因数 （0.973） Kp：在Tb温度下对Z的修正系数

13、Kt：在Pb压力下对Z的修正系数 a： PI203的测量值 b： TA204的测量值 注1：Kp/Kt的值由修正系数图F205P和F205T所示曲线决定； 注2：如果压力或温度值超出修正系数图上的范围，则Kp/Kt将保持最后一个显示值；1.4.4 Kp和Kt的修正系数图1.4.4.1 图2-3为FY205的修正系数Kp（F205P） 图2-3 在基准温度下FY205的修正系数Kp1.4.4.2 图2-4为FY205的修正系数Kt（F205T） 图2-4 在基准压力下FY205的修正系数Kt（二）五返四防喘振控制系统及其实现对于五返四防喘振系统来说，其与三返一系统类似。下面简要说明一下。2.1

14、五返四防喘振控制系统的组成仪表位号控制点名称范围制造厂家FT275FE275五段出口流量检测（差压变送器）节流装置（文丘里管）0250KNm3/hRosemountFC275PT255流量控制器压力变速器 05MPaGRosemountTE206FV275热电偶防喘振调节阀0200oCFisher2.2 控制系统在上的控制原理图如图5所示。 图2-5 五返四防喘振控制原理2.3 五返四控制系统在Honeywell TPS上的实现 2.3.1 控制器FC275为带温压补偿的控制器，其输出的计算式如下： FO=F1×aPb× Tbb×ZbZa（1） FY275为实际压

15、缩因数计算器，其输出Za可用下面的公式计算： Za=Zb×Kp×Kt（2）2.3.2 几个参数的含义： F1：FI275的测量值 （KNm3/h） FO: FC275温压补偿后的输出值 （KNm3/h） Pb：设计基准压力 （3.577MPaG） Tb：设计基准温度 （92.6） Za：实际压缩因数（compressibility factor） Zb：基准压缩因数 （0.921） Kp：在Tb温度下对Z的修正系数 Kt：在Pb压力下对Z的修正系数 a： PI255的测量值 b： TA206的测量值2.3.3 Kp和Kt的修正系数图2.3.3.1 图2-6为FY275的修正

16、系数Kp（F275P）图2-6 在基准温度下FY275的修正系数Kp2.3.3.2 图2-7为FY275的修正系数Kt（F275T）图2-7 在基准压力下FY275的修正系数Kt第三章 防喘振控制阀的合理选型一、合理选型防喘振阀，至关重要作为压缩机防喘振控制的硬件执行机构,防喘振控制阀的重要性是不言而喻的,阀门选型的合理与否，直接关系着压缩机的安全运行。因此必须选用高效、可靠的控制阀。在控制阀的设计过程中应注意以下几个问题：1) 执行机构的动作形式:故障开还是故障关。2) 控制阀的流量特性:线性、快开或等百分比。3) 由于磨损或设计缺陷,当动作方向改变时,控制阀的机械动作会出现死区。可以设定一

17、个阀门死区偏差,当控制作用变化时,控制信号可叠加上这一偏差。4) 防喘振阀必须能够承受很大的工艺系统扰动,必须能够通过在出口设计压力和最大性能曲线下压缩机的满负荷流量。由于喘振的发生是十分迅速的(一个喘振周期往往只有1 s) ,因此要求防喘振阀的动作速度也必须很快，动作缓慢会降低压缩机系统的安全性。因此,必须尽可能地缩短防喘振阀的行程时间,最好能够小于2 s。 5）控制阀门的噪声问题：噪声不能太大二、防喘振控制阀计算的步骤防喘振控制阀和普通的阀门一样，是一个局部阻力可以改变的节流元件。控制阀的计算最主要的依据和工作程序就是计算流量系数。计算流量系数的基型公式是以伯努利方程为基础的。流体的流动有

18、非阻塞流和阻塞流两种情况。阻塞流是指当介质为气体时，由于它具有可压缩性，当阀的压差达到某一临界值时，通过控制阀的流量将达到极限，这时，即使进一步增加压差，流量也不会再增加；当介质为液体时，一旦压差增大到足以引起液体气化，即产生闪蒸和空化作用时，也会出现这种极限的流量。在这两种情况下所用的计算公式是不相同的。当流体的压差比（压差与入口绝对压力之比）X< FKXT时，不会产生阻塞流，当X> FKXT时则产生阻塞流。从工艺提供数据到算出流量系数，到阀门口径的确定，需要经过以下几个步骤。（1）计算流量的确定，根据现有的生产能力、设备的负荷及介质的状况决定计算流量Q。（2）流量系数的计算，按

19、照工作情况判定介质的性质及阻塞流情况，选择合适的计算公式或图表，求取Kv值。（3）流量系数 Kv值的选用，根据已经求取的Kv最大值，进行放大或圆整，在所选用的产品型号标准系列中，求取大于Kvmax值并与其最接近的那一级Kv值。（4）调节阀开度验算。 （5）调节阀实际可调比的验算。（6）阀座直径和公称直径的决定,验证合适之后，根据Kv值来确定。三、以防喘振控制阀FV205为例说明阀门选型的计算防喘振调节阀FV205的计算如下：（1）计算流量的确定和所需的变量要求的阀门形式：FISHER EWT-2高性能笼式阀，流量特性为线性要求阀门开启时间2秒过程流体：裂解气操作工况：阀前压力P1=1180KP

20、a（绝压）阀后压力P2=40KPa（绝压）入口温度 T1=40.9正常流量Q=87240Nm3/h最大流量Qmax=145400 Nm3/h管道外径/内径=508/488mm（2）流量系数的计算首先判断是否属于阻塞流。压差P=1140KPa压差比X=P/P1=1140/1180=0.966FKXT=0.85×0.767=0.652X> FKXT是阻塞流情况 在阻塞流的情况下 ，流量系数的计算公式可采用简化公式：KV= 式中：Kv流量系数； Qg气体标准体积流量，Nm3/h； p1阀前压力，KPa； T1阀入口的绝对温度，K； N气体的标准密度，Kg/m3 Z压缩系数，无量纲； k气体绝热指数； XT临界压差比。由于裂解气是乙烯、丙烯、甲烷等气体的混合体。现已乙烯为主要介质查相关的参数表。查乙烯气的临界压力pc=5160KPa查乙烯气的临界