空分空压压缩机防喘振控制系统

(整期优先)网络出版时间:2024-08-17
/ 2

空分空压压缩机防喘振控制系统

王慧颖 于明飞

中国石油哈尔滨石化公司公用工程部

摘要:在现代工业生产中,空气压缩机是提供动力和工艺气体的关键设备之一。特别是在空分(空气分离)行业,空气压缩机的作用尤为重要,因为它们为后续的空气分离过程提供必要的压缩空气。然而,空气压缩机在运行过程中会遇到一种称为喘振的现象,这是一种不稳定的工作状态,导致设备损坏、生产中断甚至安全事故。喘振通常发生在压缩机的运行点超出其稳定工作范围时,这时压缩机的流量急剧下降,导致压力波动和振动,严重时甚至会引发机械共振。为了防止喘振的发生,确保空气压缩机的稳定运行,防喘振控制系统应运而生。

关键词:空分空压;压缩机;防喘振;控制系统

引言

空分空压压缩机是空分装置中的核心设备之一,主要用于将空气进行压缩,为后续的空分过程提供高压气体。然而,在压缩机的运行过程中,喘振现象是一个不可忽视的问题。喘振不仅会导致压缩机性能显著恶化,还会引起机组剧烈振动,产生巨大噪音,甚至对压缩机内部部件造成损坏,严重时会引发恶性事故。因此,建立有效的防喘振控制系统对于保障空分装置的安全稳定运行具有重要意义。

1喘振现象与成因

1.1流量过低

流量过低导致的喘振现象不仅会引起压缩机出口压力的急剧波动,还会产生一系列连锁反应。气体回流至压缩机入口会引发内部部件的剧烈振动,这种振动损坏叶轮、轴承和其他精密组件,缩短设备寿命。周期性的流量和压力波动会导致能耗增加,因为压缩机需要在不稳定的状态下工作,效率大幅下降。喘振还会产生噪音和振动,对操作环境造成负面影响,并触发安全警报,影响生产连续性和产品质量。

1.2系统阻力变化

系统阻力的突然增加,如阀门关闭或管道堵塞,会迅速提升压缩机出口压力,这一变化打破了压缩机原有的工作平衡。出口压力的升高迫使压缩机进入一个高压、低流量的不稳定工作区域,这不仅加剧了压缩机的负荷,还导致其性能曲线偏离设计点,增加喘振的风险。系统阻力的增加还会引起能量损失,降低整个系统的能效。由于压力的异常升高,会对管道系统、连接件和下游设备造成压力冲击,增加设备损坏和泄漏的风险,严重影响生产安全和环境。

1.3转速变化

压缩机转速的异常变化,无论是由于电源波动、驱动系统故障还是操作失误,都会对压缩机的稳定运行构成威胁。转速过低会直接削弱压缩机的压缩能力,导致出口压力不足,而转速的突然变化则打破压缩机内部的动态平衡,引发喘振。这种不稳定状态下的运行不仅会降低压缩机的效率,增加能耗,还导致机械部件承受额外的应力,加速磨损和损坏。转速变化引起的喘振还会产生噪音和振动,对操作环境和设备安全造成负面影响,甚至触发紧急停机,影响生产的连续性和可靠性。

2防喘振控制系统的重要性

第一,设备保护。喘振现象会导致压缩机内部产生强烈的振动和压力波动,这会损坏叶轮、轴承、密封件等关键部件,甚至导致整个压缩机系统的故障。防喘振控制系统能够及时检测并防止喘振的发生,从而延长设备的使用寿命。第二,能效提升。喘振会导致压缩机的工作效率下降,能耗增加。通过防喘振控制系统,可以确保压缩机在最佳工作点运行,提高能效,降低运行成本。第三,生产连续性。在许多工业过程中,压缩机是关键设备,其稳定运行对于保证生产连续性和产品质量至关重要。防喘振控制系统可以减少因喘振导致的停机时间,确保生产过程的连续性和稳定性。第四,安全性。喘振导致设备损坏和系统故障,这些都可能引发安全事故。防喘振控制系统能够降低这些风险,提高操作的安全性。第五,环境影响。喘振会产生噪音和振动,对工作环境和周边环境造成不良影响。防喘振控制系统有助于减少这些环境问题,提升工作环境的舒适度和周边环境的和谐。

3防喘振控制系统的实现方式

3.1喘振检测

喘振检测是防喘振控制系统的基础,它依赖于对压缩机关键运行参数的实时监测和分析。流量、压力、温度和转速等参数是评估压缩机健康状态的重要指标。流量监测可以揭示气体通过压缩机的实际速率,而压力监测则反映了压缩机出口的压力水平,这两者是判断喘振的关键因素。温度监测有助于识别压缩机内部的热力学状态,因为喘振往往伴随着温度的异常波动。转速监测则提供了压缩机动力学状态的信息,因为转速的变化直接影响压缩效率和稳定性。为了实现有效的喘振检测,通常会采用高精度的传感器和先进的信号处理技术。传感器需要能够快速、准确地捕捉到参数的微小变化,而信号处理技术则负责将这些原始数据转换为有用的信息,用于判断喘振的发生。喘振检测系统还需要具备数据存储和分析能力,以便对历史数据进行回顾性分析,优化喘振预测模型。在实际应用中,喘振检测系统可能会结合使用多种检测方法,如基于规则的检测、统计过程控制、模式识别和机器学习算法等。这些方法可以相互补充,提高检测的准确性和可靠性。例如,基于规则的检测可以快速响应已知的喘振模式,而机器学习算法则可以通过学习历史数据来识别新的喘振模式。

3.2喘振预测

喘振预测是防喘振控制策略中的高级应用,它通过分析历史数据和实时监测结果,利用数学模型和算法来预测喘振的发生,从而在喘振实际发生之前采取预防措施。这一过程通常涉及到机器学习、模糊逻辑或传统的控制理论等多种技术。机器学习在喘振预测中扮演着重要角色,它可以通过训练历史数据来识别喘振的早期迹象。例如,支持向量机、随机森林、神经网络等算法可以从大量的运行数据中学习到喘振的特征模式,并据此预测未来的喘振事件。这些算法能够处理复杂的非线性关系,提供比传统方法更准确的预测结果。模糊逻辑则提供了一种处理不确定性和模糊性的方法,它通过定义模糊规则来模拟人类专家的决策过程。在喘振预测中,模糊逻辑可以根据模糊规则集对监测到的参数进行评估,并输出一个喘振可能性的模糊值,从而为操作人员提供决策支持。传统的控制理论,如PID控制器和状态空间模型,也可以用于喘振预测。这些理论基于系统的动态模型,通过分析系统的状态变量和控制输入来预测系统的未来行为。在喘振预测中,这些模型可以帮助理解压缩机的动态特性,并预测在不同操作条件下的喘振风险。

3.3控制策略

控制策略是防喘振系统的核心,它们旨在通过快速而精确的操作来防止或减轻喘振的发生。一旦检测到喘振的迹象或预测到喘振的风险,控制系统会立即响应,采取一系列预设的措施来恢复压缩机的稳定运行。调整压缩机的转速是一种常见的控制策略,通过改变驱动电机的频率或机械传动比,可以迅速调整压缩机的输出能力,以匹配系统的实际需求。改变入口导叶的角度则可以优化气流的进入角度,改善压缩机的进气条件,从而提高效率并减少喘振的风险。调节旁通阀或放空阀的开度是另一种有效的控制策略,它们通过将部分压缩空气重新引导回压缩机的入口或直接排放到大气中,来降低出口压力,防止压缩机进入喘振区域。这些阀门的快速响应是防止喘振的关键,因为它们可以在毫秒级别内调整系统的流量和压力。

结束语

空分空压压缩机的防喘振控制系统是确保设备稳定运行和提高生产效率的关键技术。通过实时监测、喘振预测和精确的控制策略,这一系统能够有效预防喘振的发生,保护压缩机免受损害,并延长设备的使用寿命。

参考文献

[1]奚闻隆.空分装置主空压机防喘振控制阀选型方案分析[J].炼油与化工,2023,34(04):45-51.

[2]张学瑞.空分空压压缩机防喘振控制系统[J].中国石油和化工标准与质量,2014,34(12):238.

[3]陈松华.空分装置的控制系统及应用[J].石油化工自动化,2010,46(06):24-27.

[4]王晓明.空分装置中空气压缩机防喘振控制系统的研究[D].长春工业大学,2010.

[5]董振宁.空分控制系统的设计与实现[D].上海交通大学,2008.