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[摘 要]本文论述了压缩机喘振的产生及控制原理，并对压缩机防喘振控制要素进行了详细的分析。
[关键词]压缩机；喘振；控制
中图分类号：V26 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0164-01
压缩机是企业的重要用能设备，安全与节能是压缩机控制的首要任务。所以，其性能对生产非常重要，安全可靠运行更有着非常重要的意义，若机组发生喘振，会使其内部遭受破坏，甚至使整个生产流程失稳引起停产，并发生重大事故，造成巨大的经济损失。因此，各生产厂家对压缩机的防喘振要引起重视。
一、压缩机喘振特性
1、喘振的产生。喘振的影响因素较为复杂，诱发喘振的直接原因是机组及管网系统的动力学不稳定造成的，包括内部因素和外部因素。内部因素与压缩机叶轮或扩压器的气流分离及旋转失速有关。当压缩机的入口流量减少到一定程度时，其内部气体的流动情况因失速区的产生与发展而引起喘振。外部因素主要与压缩机的入口流量和管网系统的负荷有关，同时还与压缩机的转速、被加压气体的温度、压力、气体分子量及管网阻力和管网容量有直接关系。当管网压力大于压缩机的排气压力，会造成气体从管网倒流回压缩机，并产生周期性的低频率、大幅度的气流脉动。诱发喘振的因素很多，喘振的发生经常是多种因素综合作用的结果。
2、防喘振控制原理。根据喘振发生的原理，防喘振控制就是控制压缩机内的气体流量，防止其进入喘振区域工作。防喘振控制系统通常采用两种方法：当介质为空气等时，采用在压缩机出口安装放空阀，利用放空来增加压缩机的气体流量；当介质为有毒、易燃或昂贵的物质时，通常是在压缩机的进出口安装回流阀，利用回流来提升压缩机气体流量。
二、压缩机防喘振控制要素
1、控制系统的快速响应。目前，PLC已成为压缩机控制系统的主流，除了具有高可靠性的软硬件外，其快速的实时响应和处理能力是另一个重要因素。从现场信号采集-程序执行-输出，这一计算机处理过程可用一个时间概念全过程执行时间来表达。用于一般过程控制的DCS，其TPET通常大于100 ms，而PLC的TPET不应大于50ms。
2、改进传统的喘振线数学模型。压缩机通过高速旋转的转子，经叶轮将机械能传递给流经叶轮通道的气体，并变为气体之内能。内能形式可表达为每千克气体所获得的能量，称为能量头。气体压缩有三种过程：等温压缩、绝热压缩、多变压缩。前二者只存在于理论中，事实上，所有的压缩过程都伴随与不同程度的能量散失有关，所以气体压缩是一个多变压缩。在多变压缩中，气体获得的能量头表示为式中hp——多变能量头，kJ/kg；m——气体多变指数。以能量头作为喘振线的改进模型，从根本上解决入口条件变化所产生的影响。从图1可看出，采用hp/qvs坐标系，对特定的压缩机，喘振线是唯一的，不因入口温度、压力和相对分子质量变化而改变，且由于对qvs采取了入口条件修正，压缩机性能曲线在定转速下也是唯一的。这样喘振坐标系变得简单清晰，使复杂的喘振控制易于执行。由于消除了入口条件的影响，以多变能量头建立的防喘振数学模型也称“通用性能曲线法”。通用是对特定压缩机而言，对于变转速压缩机，或机械特性可变的压缩机，性能曲线会随之变化。另外，相比传统的喘振算法和基于能量头的通用算法，应视实际情况应用。一般的空压机、氮压机工况简单，完全可采用定值防喘振控制；催化裂化主风机流量大，下游管网情况复杂，宜采用随动防喘振控制；而乙烯装置的裂解气压缩机，受装置操作影响，入口参数常有变化，应采用通用喘振线模型。
3、 设立防喘振线。防喘振线平行于喘振线右侧。当压缩机在控制线上运行时，防喘振阀全开，因此控制线也称放空线。喘振线与控制线之间的水平间距通常称为安全边际，范围一般在5%～10%之间。过高的安全边际，可能产生频繁而盲目的喘振控制，不必要地打开放空阀，造成浪费。反之，安全边际过小，也可能引起喘振调节滞后或失败，带来灾难性的后果。
4、 喘振控制算法。为确定压缩机的安全状态，不只是工作点与喘振线之间的距离，还要计算工作点到喘振线方向移动的速度，进行两种综合比较。例如，TS3000的设定点浮动线功能具有设定点“盘旋”特点，当工作点右移时，喘振PI控制器的设定点以同样速率跟随工作点，两者间保持一个“工作边际”，而工作点向喘振线方向移动时，工作边际不再保持一定，而是取决于HOVER模块的增量设置。这使得喘振控制设定点的变化速率可以随着工作点不断调整，并且与控制线上相对固定的设定点比较，两者取低值。当控制线处于喘振线和控制线之间时，控制器必须提供足够的快速响应，此时正常的PI控制器已无法做到这一点，所以在这个阶段，一个特殊的比例控制器将比例输出叠加在原PI控制输出上，加快防喘振阀开启速度。比例控制器的增益与工作点的移动速度有关，因此这是一个受特殊微分影响的浮动比例控制。同样对于CCC控制器，在控制线和喘振线之间还设置一条RTL防线。如存在较大扰动，正常PI调节器已不能阻止工作点的左移而到达RTL，RTL控制器将输出阶跃信号叠加在PI控制器输出上，迅速打开防喘振阀。而CCC控制器也有一个特殊微分作用，与TS3000类似的是两者的“特殊微分”都不是直接控制输出，CCC的微分作用于增加防喘振控制安全边际。这样操作点在向喘振方向移动，但没有实质喘振危险时，不会打开防喘振阀，只有在操作点接近喘振控制线时，才通过ds/dt的移动速度增加安全边际，使压缩机及时进入喘振控制。
此外，几乎所有的喘振控制系统的参数都采用自适应调节，PI控制器的比例增益和积分時间将根据动态的喘振控制过程进行自整定。对于程度不同的喘振趋势，控制强度是不同的。参数自整定的优点是，当出现小幅波动的趋势时，避免由于大增益导致控制不稳定，而当喘振迹象进一步发展时，也又能以大增益进行及时抑制。如不采取特殊措施，由于防喘阀的长期关闭，喘振控制器的积分作用将进入积分饱和状态。为解决这个问题，采用数字调节器常用的增量式算法，算法产生积分作用却没有积分项。或根据防喘振调节阀位置反馈信号，控制器输出钳位，避免进入饱和状态。防喘振控制系统具有“快开慢关”功能。当工作点在控制线上运行时，在这种情况下，稳定是主要的控制目的。大增益值使工作点在控制线附近剧烈振荡。调整器的可变增益将在此时发挥作用，另一个解决方案是在调节器输出信号之前将信号进行斜坡处理。当输出使防喘阀关闭时，控制输出的变化率小于5%，因此阀门的关闭速度低于5%。而对于使阀门开启的信号则不加限制，阀门将以最快速度打开。
三、结语
压缩机是工业生产中的关键设备，它具有排气压力高、输送流量小的优点。但压缩机也存在一些缺陷，如喘振等。喘振对压缩机的危害极大，为保证压缩机的正常运行，必须配备控制系统来防止喘振的发生。同时，喘振现象是压缩机组由于工况变化等原因，在小流量时发生的不稳定流动状态，是压缩机的固有特征。这种不稳定流动现象的存在将对压缩机的结构产生极大的危害，如得不到及时解决，会给企业带来较大的经济损失及重大事故。
参考文献
[1] 徐忠.压缩机喘振的产生及控制原理分析[M].机械工业出版社，2017.
[2] 魏龙.论述压缩机的喘振及控制[J].风机技术，2016.
[3] 张宇.基于PLC的防喘振控制系统研究[J].电气传动，2016.
[关键词]压缩机；喘振；控制
中图分类号：V26 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0164-01
压缩机是企业的重要用能设备，安全与节能是压缩机控制的首要任务。所以，其性能对生产非常重要，安全可靠运行更有着非常重要的意义，若机组发生喘振，会使其内部遭受破坏，甚至使整个生产流程失稳引起停产，并发生重大事故，造成巨大的经济损失。因此，各生产厂家对压缩机的防喘振要引起重视。
一、压缩机喘振特性
1、喘振的产生。喘振的影响因素较为复杂，诱发喘振的直接原因是机组及管网系统的动力学不稳定造成的，包括内部因素和外部因素。内部因素与压缩机叶轮或扩压器的气流分离及旋转失速有关。当压缩机的入口流量减少到一定程度时，其内部气体的流动情况因失速区的产生与发展而引起喘振。外部因素主要与压缩机的入口流量和管网系统的负荷有关，同时还与压缩机的转速、被加压气体的温度、压力、气体分子量及管网阻力和管网容量有直接关系。当管网压力大于压缩机的排气压力，会造成气体从管网倒流回压缩机，并产生周期性的低频率、大幅度的气流脉动。诱发喘振的因素很多，喘振的发生经常是多种因素综合作用的结果。
2、防喘振控制原理。根据喘振发生的原理，防喘振控制就是控制压缩机内的气体流量，防止其进入喘振区域工作。防喘振控制系统通常采用两种方法：当介质为空气等时，采用在压缩机出口安装放空阀，利用放空来增加压缩机的气体流量；当介质为有毒、易燃或昂贵的物质时，通常是在压缩机的进出口安装回流阀，利用回流来提升压缩机气体流量。
二、压缩机防喘振控制要素
1、控制系统的快速响应。目前，PLC已成为压缩机控制系统的主流，除了具有高可靠性的软硬件外，其快速的实时响应和处理能力是另一个重要因素。从现场信号采集-程序执行-输出，这一计算机处理过程可用一个时间概念全过程执行时间来表达。用于一般过程控制的DCS，其TPET通常大于100 ms，而PLC的TPET不应大于50ms。
2、改进传统的喘振线数学模型。压缩机通过高速旋转的转子，经叶轮将机械能传递给流经叶轮通道的气体，并变为气体之内能。内能形式可表达为每千克气体所获得的能量，称为能量头。气体压缩有三种过程：等温压缩、绝热压缩、多变压缩。前二者只存在于理论中，事实上，所有的压缩过程都伴随与不同程度的能量散失有关，所以气体压缩是一个多变压缩。在多变压缩中，气体获得的能量头表示为式中hp——多变能量头，kJ/kg；m——气体多变指数。以能量头作为喘振线的改进模型，从根本上解决入口条件变化所产生的影响。从图1可看出，采用hp/qvs坐标系，对特定的压缩机，喘振线是唯一的，不因入口温度、压力和相对分子质量变化而改变，且由于对qvs采取了入口条件修正，压缩机性能曲线在定转速下也是唯一的。这样喘振坐标系变得简单清晰，使复杂的喘振控制易于执行。由于消除了入口条件的影响，以多变能量头建立的防喘振数学模型也称“通用性能曲线法”。通用是对特定压缩机而言，对于变转速压缩机，或机械特性可变的压缩机，性能曲线会随之变化。另外，相比传统的喘振算法和基于能量头的通用算法，应视实际情况应用。一般的空压机、氮压机工况简单，完全可采用定值防喘振控制；催化裂化主风机流量大，下游管网情况复杂，宜采用随动防喘振控制；而乙烯装置的裂解气压缩机，受装置操作影响，入口参数常有变化，应采用通用喘振线模型。
3、 设立防喘振线。防喘振线平行于喘振线右侧。当压缩机在控制线上运行时，防喘振阀全开，因此控制线也称放空线。喘振线与控制线之间的水平间距通常称为安全边际，范围一般在5%～10%之间。过高的安全边际，可能产生频繁而盲目的喘振控制，不必要地打开放空阀，造成浪费。反之，安全边际过小，也可能引起喘振调节滞后或失败，带来灾难性的后果。
4、 喘振控制算法。为确定压缩机的安全状态，不只是工作点与喘振线之间的距离，还要计算工作点到喘振线方向移动的速度，进行两种综合比较。例如，TS3000的设定点浮动线功能具有设定点“盘旋”特点，当工作点右移时，喘振PI控制器的设定点以同样速率跟随工作点，两者间保持一个“工作边际”，而工作点向喘振线方向移动时，工作边际不再保持一定，而是取决于HOVER模块的增量设置。这使得喘振控制设定点的变化速率可以随着工作点不断调整，并且与控制线上相对固定的设定点比较，两者取低值。当控制线处于喘振线和控制线之间时，控制器必须提供足够的快速响应，此时正常的PI控制器已无法做到这一点，所以在这个阶段，一个特殊的比例控制器将比例输出叠加在原PI控制输出上，加快防喘振阀开启速度。比例控制器的增益与工作点的移动速度有关，因此这是一个受特殊微分影响的浮动比例控制。同样对于CCC控制器，在控制线和喘振线之间还设置一条RTL防线。如存在较大扰动，正常PI调节器已不能阻止工作点的左移而到达RTL，RTL控制器将输出阶跃信号叠加在PI控制器输出上，迅速打开防喘振阀。而CCC控制器也有一个特殊微分作用，与TS3000类似的是两者的“特殊微分”都不是直接控制输出，CCC的微分作用于增加防喘振控制安全边际。这样操作点在向喘振方向移动，但没有实质喘振危险时，不会打开防喘振阀，只有在操作点接近喘振控制线时，才通过ds/dt的移动速度增加安全边际，使压缩机及时进入喘振控制。
此外，几乎所有的喘振控制系统的参数都采用自适应调节，PI控制器的比例增益和积分時间将根据动态的喘振控制过程进行自整定。对于程度不同的喘振趋势，控制强度是不同的。参数自整定的优点是，当出现小幅波动的趋势时，避免由于大增益导致控制不稳定，而当喘振迹象进一步发展时，也又能以大增益进行及时抑制。如不采取特殊措施，由于防喘阀的长期关闭，喘振控制器的积分作用将进入积分饱和状态。为解决这个问题，采用数字调节器常用的增量式算法，算法产生积分作用却没有积分项。或根据防喘振调节阀位置反馈信号，控制器输出钳位，避免进入饱和状态。防喘振控制系统具有“快开慢关”功能。当工作点在控制线上运行时，在这种情况下，稳定是主要的控制目的。大增益值使工作点在控制线附近剧烈振荡。调整器的可变增益将在此时发挥作用，另一个解决方案是在调节器输出信号之前将信号进行斜坡处理。当输出使防喘阀关闭时，控制输出的变化率小于5%，因此阀门的关闭速度低于5%。而对于使阀门开启的信号则不加限制，阀门将以最快速度打开。
三、结语
压缩机是工业生产中的关键设备，它具有排气压力高、输送流量小的优点。但压缩机也存在一些缺陷，如喘振等。喘振对压缩机的危害极大，为保证压缩机的正常运行，必须配备控制系统来防止喘振的发生。同时，喘振现象是压缩机组由于工况变化等原因，在小流量时发生的不稳定流动状态，是压缩机的固有特征。这种不稳定流动现象的存在将对压缩机的结构产生极大的危害，如得不到及时解决，会给企业带来较大的经济损失及重大事故。
参考文献
[1] 徐忠.压缩机喘振的产生及控制原理分析[M].机械工业出版社，2017.
[2] 魏龙.论述压缩机的喘振及控制[J].风机技术，2016.
[3] 张宇.基于PLC的防喘振控制系统研究[J].电气传动，2016.