研發 | 入口參數對喘振界限線的影響

喘振是一種眾所周知的不穩定性現象，它是由壓縮機產生的質量流的快速振蕩，伴有獨特的噪聲和相當大幅度的振動。

目前的保護方法，主要致力于使壓縮機安全運轉，遠離喘振點。現今最先進的防喘振系統，通過部分或全部打開一個特殊的控制閥（防喘振閥），來起保護作用。該控制閥位于使氣體從排放口循環流動到壓縮機吸入口的一條管道上。

圖1：控制系統減小了整條管道的阻力， 增大了所產生的流量。

通過這種方式，控制系統減少整體管道的阻力，增大所形成的流量，使壓縮機的工作點移動到與實際工作轉速相對應的特征曲線的右側（如圖1）。

防喘振閥由內置在保護系統PLC中的專用PID控制器來控制。喘振保護邏輯包含了喘振界限線（SLL）和相關的喘振控制線（SCL）（如圖2）。

圖2：喘振保護邏輯包含有喘振界限線（SSL）和相關的喘振控制線（SCL）。

利用工作現場讀取的數據，該保護邏輯計算出實際的工作壓縮比（β），并使用存儲的SCL數據，來確定相應的實際流量極限參數。然后用這個值作為防喘振閥門PID控制器的設定點。而過程變量則是實際流量參數，還可以從現場讀數得到Δp/p1。

顯然，喘振保護系統依賴于SLL的概念，這是系統保護舉措的核心要素。SLL簡化地反映了壓縮比b與流量參數Δp/p1之間的相關性，它確定了喘振點。通過應用以下幾點來得到這種簡化的相互關系：

a）液壓定律（風機定律）

b）理想氣體多滋頭的表達式

c）通過吸入流量計的體積流速的表達式

d）實際的氣體狀態平衡

通過引入一個簡化的近似，就可以獲得反映流量參數Δp/p1與壓縮比β之間關系的SSL最終表達式：

等式1：Δp/p1 = K*（β-1）

從這個SSL的表達式可以看出，它與氣體入口條件無關（因此它有時被稱為通用喘振線），所以便于在生產流程計算機上實現。這一特點在20世紀60年代防喘振應用的早期階段，是一種優勢，那時工程師們正在尋找一種利用適當的計算能力即可實現的喘振軌跡公式。因此這個表達式在過去被廣泛應用，一直到現在仍用于實際的喘振保護系統中。

雖然它目前仍被業內采用，但是的確存在著一些局限性。以下幾點都值得探討：

1）Hp-Q流量曲線取決于氣體吸入條件。

2）相似定律適用于液流，還可以應用于低壓縮性氣流。

3）在可以應用相似性定律的情況下，它也只是適用于參考點附近的一個較小范圍，而不能用于描述壓縮機喘振點的整個范圍，否則會違背假設的適用性限制。

基于以上這些考慮因素，可以看出SSL是取決于入口吸入條件的。

數值調研

有一個更好的公式可以計算喘振點：

д（Pd / Ps）/νV = 0

其中：Pd =排放壓力；Psi =吸入壓力；V =體積流量

對于偏離設計的入口條件而言，可以利用Cmap軟件來計算壓縮機性能曲線圖，該軟件并不以相似性定律或者任何其他近似性為基礎，而是基于壓縮機的無量綱模型，它利用了馬赫數參數化的流量系數與工作之間的相關性。這樣就可以利用在偏離設計的入口條件下得到的壓縮機性能曲線圖，來計算出喘振線。

因此，可以得到設計條件下和偏離設計條件下（DC和ODC）的兩條喘振線，它們的x軸是過孔的Dp與吸入壓力（Ps）之比，y軸是壓縮比（Pd/Ps）。

實例分析

以下提出兩個真實案例：

?案例分析1：壓縮機工作在低壓吸入條件下

?案例分析2：壓縮機工作在高壓吸入條件下

在這兩個案例中，本研究將揭示當入口條件從設計值變成非設計值時，界限喘振線會發生怎樣的變化。

低壓吸入

在本案例中，一臺離心式壓縮機在各種不同的入口條件下運行。從DC開始， 根據變化的分子重量（ODC1和ODC2 ） 、壓力（ODC3 ） 、溫度（ODC4）和兩者性質（ODC5），計算喘振線。（如表1所示）

附圖顯示了在不同入口條件下獲得的喘振界限線。

應當注意對于各種不同的ODC點，計算出的最大誤差為2.6％。然而，如果進口處條件的變化同時應用在壓力，溫度和混合上，計算出的最大誤差為7％（壓縮比為3.5）。

高壓吸入

從DC條件開始，根據變化的分子量（ODC 1和ODC 2）、壓力（ODC 3）、溫度（ODC 4）和二者性質（ODC 5），計算喘振線。（如表3所示）。

圖3.不同入口條件（低壓壓縮機）下獲得的喘振界限線。

應該注意的是計算出的ODC最大誤差為18.6％。如果入口條件的變化同時應用在壓力，溫度和混合上，計算出的最大誤差為31.2％（壓縮比率為2 . 7 ） 。有一個有趣的現象值得注意，正確的喘振流線向右移動，逐步靠近設計喘振線。這意味著控制系統低估了喘振流量，因此壓縮機可能會出現喘振現象。

結論

本文的分析表明在低壓壓縮機中，如果入口條件變化，并不會產生喘振問題，但是會降低工作效率。

本文提出和描述的分析證明了，基于有效性簡化假設（如理想氣體定律和液壓相似定律）的實際離心壓縮機保護系統，僅在一定的應用范圍內有效。對于高壓壓縮機，如果入口條件發生改變，那么計算的誤差就會大于安全余量。因此，保護作用無效并且可能會使壓縮機受損。

圖4.不同入口條件（高壓壓縮機）下獲得的喘振界限線。

工業工廠咨詢公司（Industrial Plants Consultants S.R.L.，縮寫為IPC）開發的Cmap軟件可在變化的入口氣體熱力學條件下，預測離心式壓縮機的性能。即使是在高壓條件下，對壓縮機性能的預測仍然非常準確，而常用的理想氣體理論帶來了相當大的誤差，所提新方法利用先進的技術保護設備免受喘振的影響，克服了當前技術的限制。

本案例分析中的所有計算都采用IPC研究實驗室所研發的專用軟件工具（Cmap）來執行。 Cmap的設計旨在便利快速地預測離心式壓縮機在不同入口條件下以及變化的碳氫化合物和氣體混合物組成情況下的性能。