CN111322265A - 一种离心式压缩机的防喘振系统及控制方法 - Google Patents

一种离心式压缩机的防喘振系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离心式压缩机的防喘振系统及控制方法，离心式压缩机包含第一级压缩级至第N级压缩级，并且在第M‑1级压缩级与第M级压缩级之间设置一中抽空气管道，其中N为≥2的整数，M为≤N的整数，该防喘振系统包括：第一节流装置；第一压力传感器；第一温度传感器；第二压力传感器；第二节流装置；第二温度传感器；第三压力传感器；支线管道；防喘振回流阀；控制系统，包括第一防喘振控制器、第二防喘振控制器和高位选择器。本发明的主旨是将所述离心式压缩机以中抽空气管道为界，分为两个压缩段来进行防喘振控制，与常规做法中设置两组进口导叶、两条回流管线和分别设置在两条回流管线上的回流阀的做法相比，具有明显的经济性。

Description

一种离心式压缩机的防喘振系统及控制方法
技术领域
本发明属于空气分离设备领域，涉及一种离心式压缩机的防喘振系统及控制方法。
背景技术
离心式压缩机在运行时，如果吸入流量减少到一定值时，压缩机就会出现一种不稳定的工作现象，其吸入流量和出口压力会快速连续波动，其表现为可伴有高振动、升温和轴向推力的迅速改变，导致压缩机产生强烈的振动，并伴有巨大的噪声，这种现象被称为压缩机的喘振，这可能损坏压缩机。
为了防止喘振现象的发生，通常在多级压缩系统的性能图中设置喘振线和喘振控制线，并使用喘振控制线来控制多级压缩系统。多级压缩系统的制造商或设计者通过针对多级压缩系统进行理论分析和多次实验来设置发生喘振的喘振线，并通过预先设置10％的安全余量来设置喘振控制线。
现有技术中，可以通过调节输入压缩机和从压缩机排放的流体的压力的比值(压比)、流体流量或可以控制的其它参数来设法远离喘振控制线。常规地，通过控制设置在压缩机内的进口导叶的开度来调节压缩机的排放压力，或者打开压缩机出口的回流阀，从而使得从压缩机排放的一些空气返回到压缩机的进口侧，达到远离喘振线和防止压缩机喘振的目的。
空气分离装置中的增压机通常设置一中抽空气管道，所述中抽空气用于供给公共设施，其中抽空气量可能占增压机的进气流量的1％-30％。此时，由于通过增压机的空气流量的减少，增压机可视为以中抽空气管道为界的两段不同的离心式压缩机。现有技术中通常设置两组进口导叶、两条回流管线和分别设置在两条回流管线上的回流阀来进行防喘振控制，从经济性的角度考虑不是很理想。
有鉴于此，如何设计一种新的离心式压缩机的防喘振系统及控制方法，以对有中抽空气情况的离心式压缩机进行分段的防喘振控制，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
为了实现上述发明目的，本发明公开了一种离心式压缩机的防喘振系统，所述离心式压缩机具有N个压缩级，包含第一级压缩级至第N级压缩级，并且在第M-1级压缩级与第M级压缩级之间设置一中抽空气管道，其中N表示等于或大于2的整数，M表示小于或等于N的整数，所述离心式压缩机的防喘振系统包括第一节流装置，设置在所述第一级压缩级的进口管道上，用于测量所述第一级压缩级的进口流量；第一压力传感器，设置在所述第一级压缩级的进口管道上，用于测量所述第一级压缩级的进口压力；第一温度传感器，设置在所述第一级压缩级的进口管道上，用于测量所述第一级压缩级的进口温度；第二压力传感器，设置在所述第M级压缩级的进口管道上，用于测量所述第M级压缩级的进口压力；第二节流装置，设置在所述第M级压缩级的进口管道上，并设置于所述中抽空气管道之后，用于测量所述第M级压缩级的进口流量；第二温度传感器，设置在所述第M级压缩级的进口管道上，并设置于所述中抽空气管道之后，用于测量所述第M压缩级的进口温度；第三压力传感器，设置在所述第N级压缩级的出口管道上，用于测量所述第N级压缩级的出口压力；支线管道，其用于连接所述第N级压缩级的出口管道与所述第一级压缩级的进口管道；防喘振回流阀，其位于所述支线管道上，用于调节从所述第N级压缩级的出口管道经所述支线管道回流至所述第一级压缩级的进口管道的回流流量；控制系统，包括第一防喘振控制器、第二防喘振控制器和高位选择器；所述第一防喘振控制器，用于接收第一节流装置、第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度传感器输入的流量、压力、温度信号，经运算决定是否输出第一回流阀开度信号；所述第二防喘振控制器，用于接收第二节流装置、第二压力传感器、第三压力传感器、第二温度传感器输入的流量、压力、温度信号，经运算决定是否输出第二回流阀开度信号；所述高位选择器接收并比较第一回流阀开度信号和第二回流阀开度信号，按照较大的开度信号控制打开所述防喘振回流阀；若所述高位选择器没有接收到任一第一回流阀开度信号或第二回流阀开度信号，则不打开所述防喘振回流阀。
更进一步地，所述中抽空气管道提供中抽空气，用于供给仪表气和/或工厂气，所述的中抽空气的流量占所述第一级压缩级的进口管道的进气流量的1％-30％。
更进一步地，所述防喘振回流阀打开时，至少一部分第N级压缩级的出口管道上的空气经所述支线管道回流至所述第一级压缩级的进口管道，从而增加了所述第一级压缩级的进口管道的进气流量。
本发明还公布了一种离心式压缩机的防喘振系统的控制方法，其中：定义离心式压缩机设置于中抽空气管道前的压缩级(即第一级压缩级至第M-1级压缩级)为第一压缩段；定义离心式压缩机设置于中抽空气管道后的压缩级(即第M级压缩级至第N级压缩级)为第二压缩段；所述控制方法包括与第一压缩段相关的第一防喘振控制，和与第二压缩段相关的第二防喘振控制；所述第一防喘振控制基于第一喘振控制线，所述第二防喘振控制基于第二喘振控制线；所述第一防喘振控制和所述第二防喘振控制被一起执行，使得所述离心式压缩机的第一压缩段和第二压缩段中的任意一个都不发生喘振现象。
更进一步地，通过以下步骤对所述第一压缩段进行第一防喘振控制：根据第一压力传感器和第二压力传感器输入的压力信号计算第一操作点的压比，根据所述第一操作点的压比确定第一喘振控制线上的第一防喘振流量，定义为第一设定值；第一节流装置输入的流量信号定义为第一测量值；当所述第一测量值小于所述第一设定值时，则输出第一回流阀开度信号，开度信号是动态的，一直开到第一测量值等于第一设定值为止；当所述第一测量值不小于所述第一设定值时，则不输出第一回流阀开度信号。
更进一步地，通过以下步骤对所述第二压缩段进行第二防喘振控制：根据第二压力传感器和第三压力传感器输入的压力信号计算第二操作点的压比，根据所述第二操作点的压比确定第二喘振控制线上的第二防喘振流量，定义为第二设定值；第二节流装置输入的流量信号定义为第二测量值；当所述第二测量值小于所述第二设定值时，则输出第二回流阀开度信号，开度信号是动态的，一直开到第二测量值等于第二设定值为止；当所述第二测量值不小于所述第二设定值时，则不输出第二回流阀开度信号。
更进一步地，所述高位选择器接收并比较第一回流阀开度信号和第二回流阀开度信号，按照较大的回流阀开度信号控制打开所述防喘振回流阀，至少一部分第N级压缩级的出口管道上的空气经所述支线管道回流至所述第一级压缩级的进口管道，从而增加了所述第一级压缩级的进口管道的进气流量，使得操作点在喘振控制线上或在喘振控制线的右侧，达到防喘振的目的；若所述高位选择器没有接收到任一第一回流阀开度信号或第二回流阀开度信号，则不打开所述防喘振回流阀。
与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案具有以下优点：
(1)有效地解决了空气流量发生变化的离心式压缩机的防喘振控制的技术问题，尤其能解决中抽空气量占压缩级的总进气流量较大的情况；
(2)将多级压缩系统视为以中抽空气管道为界的两段不同的离心式压缩机，使得只需在第二压缩段增加一个节流装置及对应的防喘振控制器，即可完成分段的防喘振控制；
(3)常规做法中通常设置两组进口导叶、两条回流管线和分别设置在两条回流管线上的回流阀来进行防喘振控制，而本发明保留一组进口导叶和一个回流阀即可实现分段的防喘振控制；
(4)第一压缩段与第二压缩段的防喘振控制相对独立，但是应被一起执行，并通过同一个回流阀的控制使得压缩机的第一压缩段和第二压缩段中的任意一个都不发生喘振现象。
附图说明
关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图得到进一步的了解。
图1是本发明根据示例性实施例的离心式压缩机的防喘振系统的结构示意图；
图2是本发明针对第一压缩段的性能图，示意性地示出了第一压缩段的第一防喘振控制相关的第一喘振控制线；
图3是本发明针对第二压缩段的性能图，示意性地示出了第二压缩段的第二防喘振控制相关的第二喘振控制线。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
参照图1，离心式压缩机的防喘振系统包括第一级压缩级C1、第二级压缩级C2、第三级压缩级C3、第四级压缩级C4、第一节流装置Fa、第一压力传感器Pa、第一温度传感器Ta、第二压力传感器Pb、第二节流装置Fb、第二温度传感器Tb、第三压力传感器Pc、第一级压缩级的进口管道C1in、第二级压缩级的进口管道C2in、第四级压缩级的出口管道C4out、连接所述第四级压缩级的出口管道与所述第一级压缩级的进口管道的支线管道Bp、安装在所述支线管道Bp上的防喘振回流阀ASV、第一防喘振控制器ASC1、第二防喘振控制器ASC2和高位选择器FY。
根据当前实施例的离心式压缩机是包括第一级压缩级C1、第二级压缩级C2、第三级压缩级C3、第四级压缩级C4的四级压缩机，压缩压力按照第一级至第四级的顺序变大。但本实施例不限于此。本发明的离心式压缩机的级数不受限，也就是说，根据示例性实施例的离心式压缩机可被配置为包括十个压缩级或更多。
本发明中的中抽空气只有一处，在本示例性实施例中其设置于第一级压缩级C1与第二级压缩级C2之间(即表明M＝2，N＝4)。所述离心式压缩机被分为两个压缩段，第一压缩段包括第一压缩级C1，第二压缩段包括第二压缩级C2至第四压缩级C4。所述中抽空气用于供给仪表气和/或工厂气(IA/PA)，由于中抽空气量占所述第一级压缩级C1的进口管道C1in的进气流量的1％-30％，使得中抽空气管道之前的第一压缩段与中抽空气管道之后的第二压缩段的流量发生变化，可视为以中抽空气管道为界的两段不同的离心式压缩机，其性能曲线以及对应的喘振线、喘振控制线可被视为处于不同的工况，需分别进行防喘振控制。
第一节流装置Fa、第一压力传感器Pa、第一温度传感器Ta均设置在所述第一压缩段的进口管道C1in上；第二节流装置Fb、第二压力传感器Pb、第二温度传感器Tb均设置在所述第二压缩段的进口管道C2in上(中抽空气管道之后)；第三压力传感器Pc，设置在所述第二压缩段的出口管道C4out上；因为所述第一压缩段的出口管道就是所述第二压缩段的进口管道，所以所述第二压力传感器既设置在所述第一压缩段的出口管道上，用于测量所述第一压缩段的出口压力，也设置在所述第二压缩段的进口管道上，用于测量所述第二压缩段的进口压力，即所述第二压缩段的进口压力和所述第一压缩段的出口压力共用所述第二压力传感器，可以近似地认为，所述第一压缩段的出口压力等于所述第二压缩段的进口压力。
优选地，第一节流装置Fa和第二节流装置Fb均是孔板流量计，孔板流量计的节流装置结构简单，且牢固、性能稳定可靠，使用期限长，是工业中常用的流量测量仪表，加工过程采用国际标准，并经过严格的校验检测。孔板流量计前后产生一个静压力差,该压力差与流量存在着一定的函数关系，流量越大，压力差就越大，差压信号传送给差压变送器，转换成4-20ma.DC模拟信号输出，远转给流量积算仪，实现流体流量的计量。
优选地，第一压力传感器Pa、第二压力传感器Pb和第三压力传感器Pc是将测量信号自动发送到控制系统的电子压力传感器，但本实施例不限于此。也就是说，根据示例性实施例的第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器可以是机械压力传感器。在这种情况下，用户可从这些传感器获得测量数据，并基于所述测量数据由他/她手动执行防喘振控制。
优选地，第一温度传感器Ta和第二温度传感器Tb是将测量信号自动发送到控制系统的电子温度传感器，但本实施例不限于此。也就是说，根据示例性实施例的第一温度传感器和第二温度传感器可以是机械温度传感器。在这种情况下，用户可从这些传感器获得测量数据，并基于所述测量数据由他/她手动执行防喘振控制。
在控制系统的控制下，防喘振回流阀ASV被打开或关闭以控制喘振。换句话说，当防喘振回流阀ASV被打开时，流过所述第二压缩段的出口管道C4out的至少一部分空气经所述支线管道Bp通过防喘振控制阀ASV回流至所述第一压缩段的进口管道C1in；所述第二压缩段的出口压力降低并且所述第一压缩段的进口管道的进气流量增加，由此减少喘振的发生。
本发明中，第一防喘振控制和第二防喘振控制被一起执行。也就是说，即使第一压缩段和第二压缩段中的仅一个压缩段发生喘振，整个离心式压缩机的性能也被降低。因此，防喘振控制应被执行使得离心式压缩机的第一压缩段和第二压缩段中的任意一个都不发生喘振现象。
本发明中，通过在喘振线(图2和图3中为实线)中设置大约10％的安全余量来设置喘振控制线(图2和图3中为虚线)，但允许的安全余量可根据来自设计者或用户的需求而改变。不同的压缩段的喘振线是不同的，喘振线是一条通过若干实际喘振点连接而成的线性直线(假设＝AX+Y)，喘振控制线则是根据安全余量的另一条线性直线，那么在喘振控制线上一定的压比有且只有一个对应的流量值，即为本发明在该压比下的设定值；而测量值是由节流装置在该压比下直接测量所得。若测量值小于设定值，表明测量值在喘振控制线的左侧；若测量值不小于设定值，表明测量值在喘振控制线上或在喘振控制线的右侧。
图2是本发明针对第一压缩段的性能图，示意性地示出了第一压缩段的第一防喘振控制相关的第一喘振控制线。第一压力传感器Pa测量到第一压缩段的进口管道C1in上的进口压力为P1，第二压力传感器Pb测量到第一压缩段的出口管道(即第二压缩段的进口管道C2in)上的出口压力为P2，那么输入第一压缩段的和从第一压缩段排放的空气的压力的比值，即第一操作点的压比为P2/P1。根据所述第一操作点的压比P2/P1确定第一喘振控制线上的第一防喘振流量F1，定义为第一设定值；第一节流装置Fa输入的流量信号定义为第一测量值F2；此时，第一测量值F2大于所述第一设定值F1，即第一操作点在第一喘振控制线的右侧，则不输出第一回流阀开度信号，第一压缩段在第一操作点处运转。为此，第一防喘振控制器包括集成电路和电路装置以存储数据并执行算数运算。
图3是本发明针对第二压缩段的性能图，示意性地示出了第二压缩段的第二防喘振控制相关的第二喘振控制线。中抽空气管道之后的第二压缩段的流量比第一压缩段少了大约10％，所以第一压缩段和第二压缩段可视为以中抽空气管道为界的两段不同的离心式压缩机，其性能曲线以及对应的喘振线、喘振控制线可被视为处于不同的工况。第二压力传感器Pb测量到第二压缩段的进口管道C2in上的进口压力为P2，第三压力传感器Pc测量到第二压缩段的出口管道C4out上的出口压力为P3，那么输入第二压缩段的和从第二压缩段排放的空气的压力的比值，即第二操作点的压比为P3/P2。根据所述第二操作点的压比P3/P2确定第二喘振控制线上的第二防喘振流量F3，定义为第二设定值；第二节流装置Fb输入的流量信号定义为第二测量值F4；此时，第二测量值F4小于所述第二设定值F3，第二操作点在第二喘振控制线的左侧，则输出第二回流阀开度信号，开度信号是动态的，一直开到第二测量值等于第二设定值为止。为此，第二防喘振控制器包括集成电路和电路装置以存储数据并执行算数运算。
本示例性实施例中，所述高位选择器FY接收并比较第一回流阀开度信号和第二回流阀开度信号，由于不输出第一回流阀开度信号，而只输出了第二回流阀开度信号，按照较大的回流阀开度信号控制打开所述防喘振回流阀ASV，开度信号是动态的，一直开到第二测量值等于第二设定值为止，则流量至少为|F4-F3|的第四级压缩级的出口管道C4out上的空气经所述支线管道Bp回流至所述第一级压缩级的进口管道C1in，从而增加了所述第一级压缩级的进口管道C1in的进气流量，使得第一操作点和第二操作点的测量流量均不小于对应的喘振控制线的防喘振流量，达到防喘振的目的。
上面已经描述了根据当前实施例的包括第一级压缩级至第四级压缩级的四级压缩机。然而，四级压缩机是为了便于解释而被描述为四但并不局限于四。也就是说，离心式压缩机可被设置为N个压缩级(N≥2)，但是由于本发明设定的中抽空气只有一处，所述离心式压缩机仍然是以中抽空气管道为界，视为两个压缩段进行防喘振控制。
如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中出现的类似于“一”的限定语并非是指对数量的限定，而是描述在前文中未曾出现的技术特征。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。
本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种离心式压缩机的防喘振系统，所述离心式压缩机具有N个压缩级，包含第一级压缩级至第N级压缩级，并且在第M-1级压缩级与第M级压缩级之间设置一中抽空气管道，其中N表示等于或大于2的整数，M表示小于或等于N的整数，其特征在于：所述离心式压缩机的防喘振系统包括：
第一节流装置，设置在所述第一级压缩级的进口管道上，用于测量所述第一级压缩级的进口流量；
第一压力传感器，设置在所述第一级压缩级的进口管道上，用于测量所述第一级压缩级的进口压力；
第一温度传感器，设置在所述第一级压缩级的进口管道上，用于测量所述第一级压缩级的进口温度；
第二压力传感器，设置在所述第M级压缩级的进口管道上，用于测量所述第M级压缩级的进口压力；
第二节流装置，设置在所述第M级压缩级的进口管道上，并设置于所述中抽空气管道之后，用于测量所述第M级压缩级的进口流量；
第二温度传感器，设置在所述第M级压缩级的进口管道上，并设置于所述中抽空气管道之后，用于测量所述第M压缩级的进口温度；
第三压力传感器，设置在所述第N级压缩级的出口管道上，用于测量所述第N级压缩级的出口压力；
支线管道，其用于连接所述第N级压缩级的出口管道与所述第一级压缩级的进口管道；
防喘振回流阀，其位于所述支线管道上，用于调节从所述第N级压缩级的出口管道经所述支线管道回流至所述第一级压缩级的进口管道的回流流量；
控制系统，包括第一防喘振控制器、第二防喘振控制器和高位选择器；
所述第一防喘振控制器，用于接收第一节流装置、第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度传感器输入的流量、压力、温度信号，经运算决定是否输出第一回流阀开度信号；
所述第二防喘振控制器，用于接收第二节流装置、第二压力传感器、第三压力传感器、第二温度传感器输入的流量、压力、温度信号，经运算决定是否输出第二回流阀开度信号；
所述高位选择器接收并比较第一回流阀开度信号和第二回流阀开度信号，按照较大的开度信号控制打开所述防喘振回流阀；若所述高位选择器没有接收到任一第一回流阀开度信号或第二回流阀开度信号，则不打开所述防喘振回流阀。
2.根据权利要求1所述的离心式压缩机的防喘振系统，其特征在于：所述中抽空气管道提供中抽空气，用于供给仪表气和/或工厂气，所述的中抽空气的流量占所述第一级压缩级的进口管道的进气流量的1％-30％。
3.根据权利要求1所述的离心式压缩机的防喘振系统，其特征在于：所述防喘振回流阀打开时，至少一部分第N级压缩级的出口管道上的空气经所述支线管道回流至所述第一级压缩级的进口管道，从而增加了所述第一级压缩级的进口管道的进气流量。
4.一种基于权利要求1-3所述的离心式压缩机的防喘振系统的控制方法，其特征在于：
定义离心式压缩机设置于中抽空气管道前的压缩级为第一压缩段；
定义离心式压缩机设置于中抽空气管道后的压缩级为第二压缩段；
所述控制方法包括与第一压缩段相关的第一防喘振控制，和与第二压缩段相关的第二防喘振控制；
所述第一防喘振控制基于第一喘振控制线，所述第二防喘振控制基于第二喘振控制线；
所述第一防喘振控制和所述第二防喘振控制被一起执行，使得所述离心式压缩机的第一压缩段和第二压缩段中的任意一个都不发生喘振现象。
5.根据权利要求4所述的离心式压缩机的防喘振系统的控制方法，其特征在于：通过以下步骤对所述第一压缩段进行第一防喘振控制：根据第一压力传感器和第二压力传感器输入的压力信号计算第一操作点的压比，根据所述第一操作点的压比确定第一喘振控制线上的第一防喘振流量，定义为第一设定值；第一节流装置输入的流量信号定义为第一测量值；当所述第一测量值小于所述第一设定值时，则输出第一回流阀开度信号，开度信号是动态的，一直开到第一测量值等于第一设定值为止；当所述第一测量值不小于所述第一设定值时，则不输出第一回流阀开度信号。
6.根据权利要求4所述的离心式压缩机的防喘振系统的控制方法，其特征在于：通过以下步骤对所述第二压缩段进行第二防喘振控制：根据第二压力传感器和第三压力传感器输入的压力信号计算第二操作点的压比，根据所述第二操作点的压比确定第二喘振控制线上的第二防喘振流量，定义为第二设定值；第二节流装置输入的流量信号定义为第二测量值；当所述第二测量值小于所述第二设定值时，则输出第二回流阀开度信号，开度信号是动态的，一直开到第二测量值等于第二设定值为止；当所述第二测量值不小于所述第二设定值时，则不输出第二回流阀开度信号。
7.根据权利要求5或6所述的离心式压缩机的防喘振系统的控制方法，其特征在于：所述高位选择器接收并比较第一回流阀开度信号和第二回流阀开度信号，按照较大的回流阀开度信号控制打开所述防喘振回流阀，至少一部分第N级压缩级的出口管道上的空气经所述支线管道回流至所述第一级压缩级的进口管道，从而增加了所述第一级压缩级的进口管道的进气流量，使得操作点在喘振控制线上或在喘振控制线的右侧，达到防喘振的目的；若所述高位选择器没有接收到任一第一回流阀开度信号或第二回流阀开度信号，则不打开所述防喘振回流阀。
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