基于20000m3/h空分增壓透平膨脹機防喘振設計與應用

總578期第12期河南科技Vol. 578. No 122015年12月Journal of Henan Science and TechnologyDec,2015基于20000m/空分增壓透平膨脹機防喘振設計與應用陳正忠(開(kāi)封空分集團設計研究院河南開(kāi)封475000)摘要:本文以2000m/h空分設備為背景,介紹了增壓透平膨脹機產(chǎn)生喘振的原因,描述了ACD增壓透平膨脹機壓差與流量雙變量防喘振控制方案。詳細介紹了防喘振曲線(xiàn)的制作過(guò)程,以及防喘振邏輯在DCS上的組態(tài)。關(guān)鍵詞:增壓透平膨脹機;防喘振控制;壓差中圖分類(lèi)號:TQ161文獻標識碼:A文章編號:1003-5168(2015)120036-3Anti-surge Design and Application of Boosted Turbine Expander based onthe 20000m3/h Air SeparationChen ZhengzhongKaifeng Air Separation Group Design and Research Institute, Kaifeng Henan 475000)Abstract: This paper takes 20000m3 /h air separation equipment as the background, introduces the causes of surge inboosted turbine expander, and describes the ACD boosted turbine expander differential pressure and flow bivariate anti-surge control scheme. The paper introduces the making process of the anti-surge curve, as well as the configurationof anti-surge logic on DCS in detailKeywords: boosted turbine expander; anti-surge control; differential pressure青海鹽湖集團二期化工項目配建1套20000Nmh空機器(特別是對葉輪)產(chǎn)生沖擊,因此壓縮機發(fā)出強烈的分設備,采用分子篩吸附預凈化、空氣增壓透平膨脹機提聲音和振動(dòng)。供裝置冷量、雙塔精餾、無(wú)氫制氬、液氧泵內壓縮流程,控制系統采用 Honeywell Experion PKs系統,由開(kāi)封空分集壓力比端振線(xiàn)團有限公司成套供貨。增壓透平膨脹機采用美國ACD公喘振控制線(xiàn)司和開(kāi)封空分集團的產(chǎn)品,一用一備。在調試出氧階段由于進(jìn)口膨脹機資料中沒(méi)有防喘振制作的資料所以需要現場(chǎng)制作防喘振控制。1喘振產(chǎn)生的原因=60%890%100%105%當壓縮機運行過(guò)程中流量太小,出口壓力太高時(shí),流動(dòng)就成為不穩定狀態(tài)。流量小,所以流動(dòng)速度就低,氣體前進(jìn)的動(dòng)力就小;出口壓力高,氣體前進(jìn)的阻力就大;再由于軸向渦流的存在,這樣就會(huì )出現氣體瞬間的倒流(或增壓器需要最低體積流量,以便在穩定的范圍內運局部倒流)現象。出現倒流之后,就會(huì )減輕出口壓力,壓行。當體積流量低于規定的最低體積流量時(shí),增壓機將縮機便恢復了正流方向的流動(dòng)。但是如果不設法增加流喘振,其機械部件承受的應力過(guò)大,因此應加以避免。為量需求,又要重復上述過(guò)程,再次發(fā)生倒流,再次恢復正了能在穩定的范圍內運行增壓器,透平膨脹機組的增壓流,如此反復進(jìn)行。壓縮機的這種不穩定運行狀態(tài)就稱(chēng)側裝備了回流閥用于補償當前流量與最低體積流量之為“喘振”。由于正流和反流交替發(fā)生,狀態(tài)劇烈變化,對間的差值?；亓鏖y的開(kāi)度由防喘振控制器控制。穩定與收稿日期:2015-12-1作者簡(jiǎn)介:陳正忠(198510-)男,本科,助理工程師,研究方向:儀表自動(dòng)化設計工作。第12期基于20000m7/h空分增壓透平膨脹機防喘振設計與應用37非穩定運行之間的分界線(xiàn)被稱(chēng)為喘振線(xiàn)。其線(xiàn)路取決于在避免喘振的同時(shí),我們更不希望壓縮機的運行工各種因素(如溫度、壓力等)。必須在喘振線(xiàn)與喘振控制線(xiàn)況突然產(chǎn)生大幅度的波動(dòng)。在正常工作時(shí),回流閥應該之間確定一個(gè)安全的限度,以確定穩定的控制特性。安是全關(guān)的。如果DP2下降到喘振值的1.21時(shí)將回流閥突全區域在喘振線(xiàn)的右下側如下圖1。然全開(kāi),壓縮機突然受到?jīng)_擊,容易損傷機器;而且一旦轉速落到共振區,會(huì )造成操作上的慌亂;另外,工況遭到2喘振曲線(xiàn)的制作大幅度破壞以后,想要恢復也比較費力。因此對于回流一般制造商會(huì )隨機器出廠(chǎng)提供壓縮機的性能曲線(xiàn)閥的動(dòng)作在設計時(shí)設定一個(gè)緩沖區,例如設置成喘振壓圖,性能曲線(xiàn)可以是由該樣機試驗得出的,也可以是同類(lèi)差值的1.15-1.25。這樣,喘振曲線(xiàn)就有3條曲線(xiàn)。一條樣機的試驗基礎上總結出換算方法而計算出來(lái)的,通常是喘振線(xiàn);一條是在喘振線(xiàn)的基礎上將DP2乘以115得是用壓比與流量的關(guān)系來(lái)表示的,壓比為縱坐標,流量為到的喘振保護線(xiàn);另一條是在喘振線(xiàn)的基礎上將DP2乘橫坐標。在一定的轉速下有一條性能曲線(xiàn),通常流量減以1.25得到的喘振動(dòng)作線(xiàn)。小壓比增加,流量小到某一值時(shí)便會(huì )發(fā)生喘振,這一點(diǎn)稱(chēng)根據給定的一組參數及上面的計算方法可以得到為喘振點(diǎn)。如果機器轉速是可變的,對于不同的轉速就條線(xiàn)段分別是喘振線(xiàn)、防喘振保護線(xiàn)以及動(dòng)作線(xiàn)。在有不同的喘振點(diǎn),將這些點(diǎn)連起來(lái)為一條曲線(xiàn)就稱(chēng)為喘振曲線(xiàn)。喘振線(xiàn)將性能曲線(xiàn)Flow DPFlow %DPCompressor DP Compressor %DP圖劃分成安全區和喘振區,喘振線(xiàn)的右下□mR的=0=30m20門(mén)Transmitter Range=0- 150 psid方為安全區,左上方為喘振區。ACD膨脹0.00.0%0.000.0%機中的壓縮機就屬于這種情況"。0.60.2%1.080.7%2.9%ACD采用 MOORE提出的防喘振方法,6.6%9.93.3%1711.8%也是許多壓縮機防喘振實(shí)際采用的方法,155.1%28.2018.8%就是用進(jìn)出口壓差(用DP表示)一流量壓222276%30.110.0%38.4%差(用DP2表示)圖來(lái)代替壓比一流量圖并51.5%49516.5%100.5767.0%且提供了喘振曲線(xiàn)上DP與DP2的對應數61.020.3%128.19855%值。用這種方法的優(yōu)點(diǎn)是只要測量出運行Slope of dpSlope of Range時(shí)的兩個(gè)壓差即可,這時(shí)喘振線(xiàn)上各點(diǎn)的2.10154.2029DP與DP2接近線(xiàn)性關(guān)系,并且不受壓縮機進(jìn)口條件如壓力,溫度和氣體組分的影響圖2壓差與流量對應的兩組數據顯然是十分方便的。喘振線(xiàn)上DP2的每一DCS畫(huà)面上取一個(gè)基點(diǎn)作為原點(diǎn),橫坐標為DP2,縱坐標點(diǎn)代表不同的轉速,進(jìn)口導葉位置或進(jìn)口壓力。為DP,這樣就會(huì )得到一個(gè)矩形區域,在此矩形坐標框中繪在DCS屏幕上制作一個(gè)DP_DP2的坐標圖,圖上畫(huà)制三條線(xiàn),分別是喘振線(xiàn)、防喘振保護線(xiàn)、動(dòng)作線(xiàn)。繪制出喘振曲線(xiàn),利用運行時(shí)測量的兩個(gè)壓差標出工作點(diǎn)位出的坐標圖如下圖3。置,這樣可以直觀(guān)地看出工作點(diǎn)離喘振線(xiàn)有多遠,以便于實(shí)際操作,在避免喘振的同時(shí)有效的提高了膨脹機的工作效率。根據說(shuō)明書(shū)提供的兩組壓差的對應數據(可以是壓差數據,也可以是百分比數據)在坐標圖上可以得到若干點(diǎn)(這些點(diǎn)近似于一條直線(xiàn),但不要作成直線(xiàn),誤差較大),用數學(xué)處理方法(例如樣條函數)通過(guò)這些點(diǎn)連成條曲線(xiàn)(如有困難,連成一條折線(xiàn)也可)而得到表示兩者關(guān)系的數學(xué)表達式提供給DCS組態(tài)人員。這樣,只要知道DP,便可算出喘振線(xiàn)上的對應D將喘振流量安全值設置為喘振流量值的1.1倍。就是說(shuō),當流量下降到喘振流量的1.1以下時(shí),回流閥(也稱(chēng)圖3流量壓差坐標圖防喘振閥)會(huì )自動(dòng)打開(kāi)使壓縮機流量增大,避免喘振。但3防喘振控制邏輯是我們用的是壓差而不是流量。因為壓差與流量的平方成正比,所以喘振壓差安全值應該是喘振壓差的121倍。由繪制出的三條線(xiàn)可以得到動(dòng)作線(xiàn)的斜率W0和防·38·基于20000。/h空分增壓透平膨脹機防喘振設計與應用第12期喘振保護線(xiàn)的斜率W1。膨脹機投入運行時(shí),控制器實(shí)時(shí)達到了設計值進(jìn)一步說(shuō)明該防喘振方案的正確性。采集動(dòng)坐標的數值PⅤ制與設定值W0做比較PV