研发 | 入口参数对喘振界限线的影响

喘振是一种众所周知的不稳定性现象，它是由压缩机产生的质量流的快速振荡，伴有独特的噪声和相当大幅度的振动。

目前的保护方法，主要致力于使压缩机安全运转，远离喘振点。现今最先进的防喘振系统，通过部分或全部打开一个特殊的控制阀（防喘振阀），来起保护作用。该控制阀位于使气体从排放口循环流动到压缩机吸入口的一条管道上。

图1：控制系统减小了整条管道的阻力， 增大了所产生的流量。

通过这种方式，控制系统减少整体管道的阻力，增大所形成的流量，使压缩机的工作点移动到与实际工作转速相对应的特征曲线的右侧（如图1）。

防喘振阀由内置在保护系统PLC中的专用PID控制器来控制。喘振保护逻辑包含了喘振界限线（SLL）和相关的喘振控制线（SCL）（如图2）。

图2：喘振保护逻辑包含有喘振界限线（SSL）和相关的喘振控制线（SCL）。

利用工作现场读取的数据，该保护逻辑计算出实际的工作压缩比（β），并使用存储的SCL数据，来确定相应的实际流量极限参数。然后用这个值作为防喘振阀门PID控制器的设定点。而过程变量则是实际流量参数，还可以从现场读数得到Δp/p1。

显然，喘振保护系统依赖于SLL的概念，这是系统保护举措的核心要素。SLL简化地反映了压缩比b与流量参数Δp/p1之间的相关性，它确定了喘振点。通过应用以下几点来得到这种简化的相互关系：

a）液压定律（风机定律）

b）理想气体多滋头的表达式

c）通过吸入流量计的体积流速的表达式

d）实际的气体状态平衡

通过引入一个简化的近似，就可以获得反映流量参数Δp/p1与压缩比β之间关系的SSL最终表达式：

等式1：Δp/p1 = K*（β-1）

从这个SSL的表达式可以看出，它与气体入口条件无关（因此它有时被称为通用喘振线），所以便于在生产流程计算机上实现。这一特点在20世纪60年代防喘振应用的早期阶段，是一种优势，那时工程师们正在寻找一种利用适当的计算能力即可实现的喘振轨迹公式。因此这个表达式在过去被广泛应用，一直到现在仍用于实际的喘振保护系统中。

虽然它目前仍被业内采用，但是的确存在着一些局限性。以下几点都值得探讨：

1）Hp-Q流量曲线取决于气体吸入条件。

2）相似定律适用于液流，还可以应用于低压缩性气流。

3）在可以应用相似性定律的情况下，它也只是适用于参考点附近的一个较小范围，而不能用于描述压缩机喘振点的整个范围，否则会违背假设的适用性限制。

基于以上这些考虑因素，可以看出SSL是取决于入口吸入条件的。

数值调研

有一个更好的公式可以计算喘振点：

д（Pd / Ps）/νV = 0

其中：Pd =排放压力；Psi =吸入压力；V =体积流量

对于偏离设计的入口条件而言，可以利用Cmap软件来计算压缩机性能曲线图，该软件并不以相似性定律或者任何其他近似性为基础，而是基于压缩机的无量纲模型，它利用了马赫数参数化的流量系数与工作之间的相关性。这样就可以利用在偏离设计的入口条件下得到的压缩机性能曲线图，来计算出喘振线。

因此，可以得到设计条件下和偏离设计条件下（DC和ODC）的两条喘振线，它们的x轴是过孔的Dp与吸入压力（Ps）之比，y轴是压缩比（Pd/Ps）。

实例分析

以下提出两个真实案例：

•案例分析1：压缩机工作在低压吸入条件下

•案例分析2：压缩机工作在高压吸入条件下

在这两个案例中，本研究将揭示当入口条件从设计值变成非设计值时，界限喘振线会发生怎样的变化。

低压吸入

在本案例中，一台离心式压缩机在各种不同的入口条件下运行。从DC开始， 根据变化的分子重量（ODC1和ODC2 ） 、压力（ODC3 ） 、温度（ODC4）和两者性质（ODC5），计算喘振线。（如表1所示）

附图显示了在不同入口条件下获得的喘振界限线。

应当注意对于各种不同的ODC点，计算出的最大误差为2.6％。然而，如果进口处条件的变化同时应用在压力，温度和混合上，计算出的最大误差为7％（压缩比为3.5）。

高压吸入

从DC条件开始，根据变化的分子量（ODC 1和ODC 2）、压力（ODC 3）、温度（ODC 4）和二者性质（ODC 5），计算喘振线。（如表3所示）。

图3.不同入口条件（低压压缩机）下获得的喘振界限线。

应该注意的是计算出的ODC最大误差为18.6％。如果入口条件的变化同时应用在压力，温度和混合上，计算出的最大误差为31.2％（压缩比率为2 . 7 ） 。有一个有趣的现象值得注意，正确的喘振流线向右移动，逐步靠近设计喘振线。这意味着控制系统低估了喘振流量，因此压缩机可能会出现喘振现象。

结论

本文的分析表明在低压压缩机中，如果入口条件变化，并不会产生喘振问题，但是会降低工作效率。

本文提出和描述的分析证明了，基于有效性简化假设（如理想气体定律和液压相似定律）的实际离心压缩机保护系统，仅在一定的应用范围内有效。对于高压压缩机，如果入口条件发生改变，那么计算的误差就会大于安全余量。因此，保护作用无效并且可能会使压缩机受损。

图4.不同入口条件（高压压缩机）下获得的喘振界限线。

工业工厂咨询公司（Industrial Plants Consultants S.R.L.，缩写为IPC）开发的Cmap软件可在变化的入口气体热力学条件下，预测离心式压缩机的性能。即使是在高压条件下，对压缩机性能的预测仍然非常准确，而常用的理想气体理论带来了相当大的误差，所提新方法利用先进的技术保护设备免受喘振的影响，克服了当前技术的限制。

本案例分析中的所有计算都采用IPC研究实验室所研发的专用软件工具（Cmap）来执行。 Cmap的设计旨在便利快速地预测离心式压缩机在不同入口条件下以及变化的碳氢化合物和气体混合物组成情况下的性能。