CN102619774A - 离心压缩设备的喘振控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种离心压缩设备的喘振控制方法，其根据基准状态下的基准喘振功率，并综合考虑风机转速、入口压力及入口温度对风机喘振功率的影响建立计算风机的理论喘振功率的方法，并由喘振保护装置将任意工况下的实际测得的实际功率与同一工况下计算所得的理论喘振功率相比较，并在实际功率接近喘振功率时由喘振保护装置发出指令，以实现对风机的喘振保护。本发明的喘振保护方法能够实施全天侯全工况的智能喘振保护，从而防止了设备因发生喘振而损坏，也避免了由于传统技术喘振预判不够精准带来的风量调节范围的损失。

Description

离心压缩设备的喘振控制方法

技术领域

本发明涉及气体压缩设备的喘振控制方法，尤其涉及离心式气体压缩设备中实施喘振保护及控制的方法。

背景技术

喘振是由离心压缩设备及其管道中介质的周期性振荡，介质受到周期性吸入和排出的激励作用而发生的机械振动，其中，这种离心压缩设备包括离心压缩机、离心鼓风机、离心通风机。

离心压缩设备运转中可能出现的喘振过程是：流量减小到最小值时出口压力会突然下降，如图1所示，M点为曲线拐点，流量为QM，管道内压力反而高于出口压力，于是被输送介质倒流回机内，直到出口压力升高重新向管道输送介质为止；当管道中的压力恢复到原来的压力时，流量再次减少，管道中介质又产生倒流，如此周而复始。

喘振现象对离心压缩设备的危害很大，会破坏机器内部介质的流动规律性，产生机械噪声，引起叶轮、轴、机壳等工作部件的强烈振动，加速轴承和密封的损坏，严重时会造成对离心压缩设备整机的损坏，是设备的研制和应用中必须考虑的技术问题，并有效加以避免控制。

而喘振产生的内因是由于进入叶轮的气流产生旋转脱离，当离心压缩设备处于正常工况时，气流在流道内保持其流线状态。当流量减少时，就会引起气流的旋转脱离，此时就会发生喘振。发生旋转脱离时，流动损失增大，设备压升下降，出口压力低于系统管线压力，管网中的气流产生倒流；叶轮恢复正常后，以将倒流的气体压出去，使叶轮中气体流量减少，设备出口压力再次下降，反复发生此种情况，既形成喘振。

由于离心压缩设备发生喘振会对设备造成很严重的后果，甚至损坏设备，所以在日常运行时要确保设备运行在非喘振区。要达到此目的，就需要获取设备运行时的喘振点目标变量的正确数据。获取喘振点目标变量数据传统的方法有以下几种：

1.通过对设备的实验室测试，建立各种设备的喘振点目标变量数据库。

2.通过现场调试的实践经验，建立一保守的喘振点目标变量数值，比如运行流量不低于风机能力的70％。

3.现场实测喘振点目标变量数据。

以上几种方法都是建立在经验数据的基础上，通过测试设备流量或电机功率建立喘振点目标变量的经验数据。而这些参数与设备转速、入口压力、入口温度相关联，由于入口压力、入口温度的变化情况在实验中难以在足够宽广的变化范围模拟，所以以上的方法都无法准确给出实时工况下风机的喘振点目标变量数据，它给出的仅仅是一个相对保守的经验值而已。

传统的喘振保护方法的缺陷有：

1.无法准确确定离心压缩设备在实时条件下的喘振点目标变量值。

2.经验的喘振目标变量值通常较保守，当用户需要小流量运行时，无法精准控制，造成设备并未实际接近喘振工况而报警甚至停机，给设备的运行带来不利干扰，给工艺生产带来不必要的损失。

3.由于经验的喘振目标变量值通常较保守，为避免设备进入喘振区运行，通常在接近喘振点时提前采用放空方法来避免喘振发生，从而造成不必要的能源浪费。

4.由于经验的喘振目标变量值无法全面考虑转速、入口压力、入口温度等因素的影响，有可能造成保护失效，从而损坏设备。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术的缺陷，提供一种离心压缩设备的喘振控制方法，其根据测量得出的某一工况下的实际功率与同一工况下计算得到的喘振功率相比较，并在实际功率接近喘振功率时由喘振保护装置发出指令，以实现对设备的喘振保护。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：一种离心压缩设备的喘振控制方法，其包括以下步骤：

步骤一、测量在基准状态下，即基准入口温度T(s)，基准入口压力P(s)，以及基准转速RPM(s)时风机在喘振发生时的基准喘振功率SP(s)；

步骤二、在任意工况下，根据实际的离心压缩设备入口温度T(1)、入口压力P(1)及转速RPM(1)，以及步骤一中的基准工况下的基准入口温度T(s)，基准入口压力P(s)，基准转速RPM(s)，以及基准喘振功率SP(s)，计算得到实际的喘振功率SP(1)，即：

SP(1)＝SP(s)*(T(s)/T(1))ⁿ¹*(P(s)/P(1))ⁿ²*(RPM(s)/RPM(1))ⁿ³

其中，n1，n2，n3是修正系数；

步骤三、测量某一工况下的实测功率值SP，将该实测功率值SP与同一工况下由步骤二计算所得的喘振功率值SP(1)进行比较；

步骤四、根据步骤三的比较结果，由喘振控制系统发出相应的喘振保护控制指令。

更进一步地，所述步骤二中修正系数n1是根据离心压缩设备不同入口温度下实测得到不同的喘振功率，并通过公式：

SP(1)＝SP(s)*(T(s)/T(1))ⁿ¹

计算得到不同n1(2)，n1(3)，n1(4)...，结合经验拟合平均得到n1。

同理，所述步骤二中修正系数n2是根据离心压缩设备不同入口压力下实测得到不同的喘振功率，并通过公式：

SP(1)＝SP(s)*(P(s)/P(1))ⁿ²

计算得到不同n2(2)，n2(3)，n3(4)...，结合经验拟合平均得到n2。

所述步骤二中修正系数n3是根据离心压缩设备不同转速下实测得到不同的喘振功率，并通过公式：

SP(1)＝SP(s)*(SPM(s)/SPM(1))ⁿ³

计算得到不同n3(2)，n3(3)，n3(4)...，结合经验拟合平均得到n3。

所述步骤四中，当实测SP接近于106-110％SP(1)时，喘振控制系统则发出喘振报警信号，具体百分值根据现场精确调试设备设定。

所述步骤四中，当实测SP接近于103-106％SP(1)时，喘振控制系统则发出锁停风机的信号，具体百分值根据现场精确调试设备设定。

由于喘振功率和入口温度、入口压力、转速的变化关系都不是纯线性关系，各自偏离纯线性关系的程度不同，因此n1、n2、n3的值不可能是1。本发明根据长期分析处理的实验数据，用数学模型近似拟合的方法，启用了指数函数关系来表达喘振功率和三个变量的关系，确立了n1、n2、n3的值的大致范围，保证拟合关系式计算的结果和物理真实值的差别在8％以内。

对应于具体的每台离心压缩设备，基准状态下的性能测试之后进一步微调n1、n2、n3的值，保证拟合关系式计算的结果和物理真实值的差别提高到4％以内。由于喘振点和设备的使用环境工况、管网阻尼特性相关，最后一步的微调在设备安装启用在用户现场后，把全部真实的系统特性全部考虑进来，微调n1、n2、n3的值后，拟合关系式计算的结果和物理真实值的差别可提高到2％以内，再将最后确定的三个值设定在控制系统的PLC，实现真实喘振功率的实时测量和准确计算。

与现有技术相比，本发明揭示的离心压缩设备的喘振控制方法通过综合考虑设备转速、入口压力及入口温度的影响建立起精确计算的理论喘振功率的方法，本发明的喘振保护方法能够实施全天侯全工况的智能喘振保护，从而防止了设备因发生喘振而损坏，也避免了由于传统技术喘振预判不够精准带来的风量调节范围的损失和不便。

附图说明

图1是现有的风机和管路特性间的曲线图；

图2是本发明离心压缩设备的喘振功率与入口温度间的曲线图；

图3是本发明离心压缩设备的喘振功率与入口压力间的曲线图；

图4是本发明离心压缩设备的喘振功率与转速间的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明所揭示的离心压缩设备的喘振控制方法，基于喘振为离心压缩设备的固有特性并与其转速、入口温度、入口压力相关联，因此主要通过离心压缩设备本身的特性参数，测试出离心压缩设备在任何工况下的轴功率，并且将其与理论上计算所得的喘振功率进行比较，当实际测得的轴功率接近理论上的喘振功率时，喘振保护系统的PLC系统或用户的DCS系统会发出报警信号，甚至联锁停设备。

本发明离心压缩设备的喘振控制方法具体包括以下步骤：

步骤一、由功率测量装置测量在基准状态下，即基准入口温度T(s)，基准入口压力P(s)，以及基准转速RPM(s)时离心压缩设备的喘振发生时的轴功率SP(s)，此功率为实测基准状态下风机的喘振功率SP(s)；

步骤二、在任意工况下，根据实际的离心压缩设备入口温度T(1)、入口压力P(1)及转速RPM(1)，以及步骤一中的基准工况下的基准入口温度T(s)，基准入口压力P(s)，以及基准转速RPM(s及基准喘振功率SP(s)，计算得到实际的喘振功率SP(1)，即：

SP(1)＝SP(s)*(T(s)/T(1))ⁿ¹*(P(s)/P(1))ⁿ²*(RPM(s)/RPM(1))ⁿ³     (1)

其中，n1，n2，n3是修正系数；

步骤三、由功率测量装置测量某一工况下的实测功率值SP，将该实测功率值SP与同一工况下由步骤二计算所得的喘振功率值SP(1)进行比较；

步骤四、根据步骤三的比较结果，由PLC系统或DCS系统发出相应的喘振保护控制指令。

其中，步骤二中的修正系数n1、n2、n3是通过以下方法得到的：

1)由于离心压缩设备的喘振与离心压缩设备的入口空气温度相关联，温度的变化将影响风机喘振点的变化，所以根据入口温度变化对喘振点的温度系数n1进行修正，即根据：

SP(1)＝SP(s)*(T(s)/T(1))ⁿ¹                      (2)

通过多次实际测量离心压缩设备不同入口温度条件下T(2)，T(3)，T(4)....的喘振功率SP(21)，SP(31)，SP)(41)....，根据式(2)计算所得到多数个n1(2)，n1(3)，n1(4)....，并将这个n1(2)，n1(3)，n1(4)....，拟合平均得到n1；

2)同理，由于离心压缩设备的喘振与离心压缩设备的入口空气压力相关联，压力的变化将影响离心压缩设备喘振点的变化，所以根据入口压力变化对喘振点压力系数n2进行修正，即根据：

SP(1)＝SP(s)*(P(s)/P(1))ⁿ²                      (3)

通过多次实际测量离心压缩设备不同入口压力条件下P(2)，P(3)，P(4)....的喘振功率SP(22)，SP(32)，SP)(42)....，计算得到多数个n2(2)，n2(3)，n2(4)....，并将这个n2(2)，n2(3)，n2(4)....结合经验和已有的数据库，拟合平均得到n2；

3)由于离心压缩设备的喘振与离心压缩设备的转速相关联，转速的变化将影响离心压缩设备喘振点的变化，所以需根据离心压缩设备转速变化对喘振点转速系数n3进行修正，即根据：

SP(1)＝SP(s)*(RPM(s)/RPM(1))ⁿ³                  (4)

通过多次实际测量风机不同转速条件下RPM(2)，RPM(3)，RPM(4)....的喘振功率SP(23)，SP(33)，SP)(43)....，计算得到多数个n3(2)，n3(3)，n3(4)....，并将这个n3(2)，n3(3)，n3(4)....结合经验和已有的数据库，拟合平均得到n3。

其在步骤四中，所述PLC系统或DCS系统发出的指令为：当实测SP接近106-110％SP(1)时，PLC或DCS系统报警；当实测SP接近103-106％SP(1)时，PLC或DCS系统联锁停设备，而当实测SP远大于SP(1)时，设备将处于远离喘振功率的正常工作状态。具体百分值根据现场精确调试设备设定。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种离心压缩设备的喘振控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、测量在基准状态下，即基准入口温度T(s)，基准入口压力P(s)，以及基准转速RPM(s)时风机在喘振发生时的基准喘振功率SP(s)；

步骤二、在任意工况下，根据实际的风机入口温度T(1)、入口压力P(1)及转速RPM(1)，以及步骤一中的基准工况下的基准入口温度T(s)，基准入口压力P(s)，基准转速RPM(s)，以及基准喘振功率SP(s)，计算得到实际的喘振功率SP(1)，即：

SP(1)＝SP(s)*(T(s)/T(1))ⁿ¹*(P(s)/P(1))ⁿ²*(RPM(s)/RPM(1))ⁿ³

其中，n1，n2，n3是修正系数；

步骤三、测量某一工况下的实测功率值SP，将该实测功率值SP与同一工况下由步骤二计算所得的喘振功率值SP(1)进行比较；

步骤四、根据步骤三的比较结果，由喘振控制系统发出相应的喘振保护控制指令。

2.根据权利要求1所述的离心压缩设备的喘振控制方法，其特征在于：所述步骤二中修正系数n1是根据风机不同入口温度下实测得到不同的喘振功率，并通过公式：

SP(1)＝SP(s)*(T(s)/T(1))ⁿ¹

计算得到不同n1值取平均得到n1。

3.根据权利要求1所述的离心压缩设备的喘振控制方法，其特征在于：所述步骤二中修正系数n2是根据风机不同入口压力下实测得到不同的喘振功率，并通过公式：

SP(1)＝SP(s)*(P(s)/P(1))ⁿ²

计算得到不同n2值取平均得到n2。

4.根据权利要求1所述的离心压缩设备的喘振控制方法，其特征在于：所述步骤二中修正系数n3是根据风机不同转速下实测得到不同的喘振功率，并通过公式：

SP(1)＝SP(s)*(SPM(s)/SPM(1))ⁿ³

计算得到不同n3值取平均得到n3。

5.根据权利要求1所述的离心压缩设备的喘振控制方法，其特征在于：所述步骤四中，当实测SP接近于106-110％SP(1)时，喘振控制系统则发出喘振报警信号。

6.根据权利要求1所述的离心压缩设备的喘振控制方法，其特征在于：所述步骤四中，当实测SP接近于103-106％SP(1)时，喘振控制系统则发出联锁停风机的信号。

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