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1 前言
能量回收四機(jī)組是催化裝置最重要的設(shè)備之一，一般由煙氣透平、軸流壓縮機(jī)、氣輪機(jī)、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)以及增速箱組成。軸流壓縮機(jī)是主要作功設(shè)備，為催化裂化反應(yīng)提供不可缺少的主風(fēng)，屬關(guān)鍵設(shè)備。而喘振是透平壓縮機(jī)械的固有特性，是壓縮機(jī)在管網(wǎng)阻力系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的非穩(wěn)定工況，此時(shí)，正常的氣體流動(dòng)和增壓已被完全破壞，氣動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間劇烈的變化，并產(chǎn)生巨大的噪音和強(qiáng)烈的振動(dòng)。因?yàn)檩S流壓縮機(jī)葉片屬角度可調(diào)部件，這種現(xiàn)象對(duì)軸流壓縮機(jī)所造成的危害極其嚴(yán)重，必須嚴(yán)格禁止壓縮機(jī)進(jìn)入喘振工況。
2 喘振的機(jī)理
圖1 典型靜葉可調(diào)式軸流式鼓風(fēng)機(jī)特性曲線
同離心壓縮機(jī)不同，軸流風(fēng)機(jī)壓縮的空氣，可以直接排入大氣，因此不是象離心壓縮機(jī)一樣喘振時(shí)把出口氣體打回入口，因此除了入口過(guò)濾器或管路故障，影響軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況的主要是出口管網(wǎng)的壓力（阻力）。圖1是一臺(tái)典型的不變轉(zhuǎn)速的靜葉可調(diào)式軸流式鼓風(fēng)機(jī)特性曲線。
其中曲線①是管網(wǎng)阻力線，當(dāng)靜葉開(kāi)度為Xi時(shí)，與壓縮機(jī)特性曲線Xi的交點(diǎn)A就是壓縮機(jī)此時(shí)的穩(wěn)定的工況點(diǎn)。如果靜葉的開(kāi)度Xi不變，而管網(wǎng)阻力增加，則工況點(diǎn)會(huì)延曲線Xi上移，如曲線②。當(dāng)超過(guò)某點(diǎn)B點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)輸出流量和排氣壓力出現(xiàn)紊亂，發(fā)出如哮喘病人喘氣般的聲音，機(jī)組振動(dòng)，流量壓力大幅度波動(dòng)，俗稱“喘振”。圖1中B點(diǎn)則稱為臨界喘振點(diǎn)。顯然，在不同的靜葉開(kāi)度下重復(fù)上述過(guò)程，都存在這樣一個(gè)臨界喘振點(diǎn)。將所有喘振點(diǎn)聯(lián)起來(lái)形成的曲線，可稱為喘振線。
3 防喘振控制原理
通過(guò)對(duì)喘振的形成過(guò)程可看出，在一定的排氣壓力下，防止壓縮機(jī)流量過(guò)小，就能避免喘振。然而，工藝管網(wǎng)的阻力線是一定的，所以工廠應(yīng)用中可以采用“機(jī)后放空法”來(lái)增大壓縮機(jī)流量。控制流程簡(jiǎn)圖如圖2所示，其中，ΔP1為正比于壓縮機(jī)的實(shí)際流量的差壓信號(hào)，一般取壓縮機(jī)入口文丘利管差壓，或壓縮機(jī)喉部差壓。P2為壓縮機(jī)出口壓力測(cè)量值。
喘振線以上的區(qū)域稱為“喘振區(qū)”。只允許壓縮機(jī)在喘振線以下的區(qū)域運(yùn)行。防喘振控制原理就是讓壓縮機(jī)只在喘振線以下的安全區(qū)域運(yùn)行。
圖2 軸流風(fēng)機(jī)控制流程簡(jiǎn)圖
圖3 軸流壓縮機(jī)防喘振控制曲線圖
圖3為一臺(tái)典型軸流壓縮機(jī)防喘振控制曲線圖，其中曲線①為喘振線，其上方為喘振區(qū)。這條曲線是每個(gè)機(jī)組本身固有的曲線，由機(jī)械制造廠給出。為了防止機(jī)組在喘振區(qū)運(yùn)行，在喘振線以下人為設(shè)置一條與之平行的“防喘振線”，即曲線②。曲線①與曲線②之間的距離稱為安全裕度，一般控制在5%～10%之間。直線③為出口壓力限制線，出口壓力超過(guò)某一設(shè)定值，強(qiáng)制打開(kāi)放空閥，其作用是保護(hù)再生器安全。曲線②的前半部分與直線③的后半部分（見(jiàn)圖3中長(zhǎng)虛線部分），一起構(gòu)成機(jī)組的放空線，即防喘振線。當(dāng)機(jī)組工作點(diǎn)“*”因某種原因向上接近放空線時(shí)，防喘振控制器會(huì)自動(dòng)打開(kāi)放空閥至某一開(kāi)度，使壓縮機(jī)工作點(diǎn)，不至進(jìn)入喘振區(qū)或迅速離開(kāi)喘振工況。放空線以下，放空閥關(guān)閉。
4 防喘振控制器的實(shí)施方案
根據(jù)防喘振控制原理，控制器的實(shí)施主要是建立使工作點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)算模型。本方案采用以出口壓力P2作為實(shí)際工況點(diǎn)，放空線是正比于流量F（經(jīng)過(guò)入口溫度校正的喉部差壓ΔP1）的計(jì)算函數(shù)，即
。
采用單回路調(diào)節(jié)器的組態(tài)方案為：模擬輸入AI1接喉部差壓變送器，利用折線函數(shù)發(fā)生器把喉部差壓變換成所需的折線函數(shù)P2’=f(ΔP1)，近似于防喘振線。然后與AI2的出口壓力P2相比較偏差，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)。當(dāng)P2<P2’，調(diào)節(jié)器輸出最大，放空閥全關(guān)。當(dāng)P2 >P2’，調(diào)節(jié)器輸出減小，放空閥打開(kāi)某一開(kāi)度，不改變管網(wǎng)阻力，使P2 <P2’，達(dá)到消除喘振的目的。如圖4所示。
圖4 防喘振控制邏輯框圖
5 對(duì)防喘振控制回路的基本要求
? 采用P+I控制算法；
? 由于在正常工況下P2 <P2’，由于積分作用，調(diào)節(jié)器處于積分飽和狀態(tài)，為此必須設(shè)置抗積分飽和功能，以保證當(dāng)P2 >P2’時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出及時(shí)、靈敏；
? P參數(shù)自適應(yīng)能力：在工況點(diǎn)以很快的速度向喘振線移動(dòng)，快速越過(guò)防喘振線時(shí)，單靠常規(guī)的PI作用可能無(wú)法滿足其控制要求，因此為調(diào)節(jié)器CTL17設(shè)置了變比例作用的自適應(yīng)功能，加快防喘振閥開(kāi)啟速度；
? 防手動(dòng)誤操作功能：為某種需要，防喘振控制設(shè)置了手動(dòng)輸出功能塊CTL18，必須特別指出在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，只能用手動(dòng)輸出，使放空閥比自動(dòng)輸出開(kāi)度更大。反之則可能造成喘振。為防止誤操作，設(shè)置手/自動(dòng)輸出自選功能是必須的；
? 放空閥快開(kāi)慢關(guān)功能：為了快速脫離喘振工況，要求放空閥能以最快的速度打開(kāi)，但放空閥迅速打開(kāi)后，喘振現(xiàn)象快速消失，調(diào)節(jié)器輸入的負(fù)偏差又會(huì)使放空閥立即關(guān)閉，這樣就會(huì)造成放空閥喘振性的開(kāi)、閉動(dòng)作。為避免這種情況出現(xiàn)，設(shè)置了由模塊n所完成的快開(kāi)慢關(guān)功能，所用開(kāi)關(guān)速率限制相差200倍；
? 放空閥自保電路：當(dāng)機(jī)組或生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況，需進(jìn)入自保運(yùn)行SW1會(huì)使調(diào)節(jié)器輸出從任何值躍變到0，放空閥快速全開(kāi)；
? 防喘振線自動(dòng)移動(dòng)電路：壓縮機(jī)在長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，由于葉片的沖蝕和磨損，可能會(huì)使實(shí)際的喘振線下移，和原設(shè)置的防喘振線之間的安全間隙縮小，甚至越過(guò)喘振線，致使防喘振控制回路不能有效阻止壓縮機(jī)進(jìn)入喘振工況。為此設(shè)置了防喘振線自動(dòng)下移功能，每發(fā)生喘振一次防喘振線即自動(dòng)下移ΔP，形成一條新的放空線，當(dāng)消除了喘振線下移的原因后，按“復(fù)位”鈕，就可使放空線回到設(shè)置的初始位置。
6 結(jié)語(yǔ)
圖5 防喘振控制邏輯實(shí)際組態(tài)框圖
圖5是按上述要求采用日立ECU100可編程調(diào)節(jié)器設(shè)置的一套控制方案，多年使用效果良好，滿足了機(jī)組防喘振要求。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)