淺談增壓透平膨脹機(jī)防喘振控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

祁二小

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗 154100）

在空分設(shè)備中，增壓透平膨脹機(jī)是非常重要的組成部分，能夠?yàn)榭諝夥蛛x提供冷量。就目前來看，在部分大型國產(chǎn)空分設(shè)備中，一套空分設(shè)備往往需要配備兩臺(tái)增壓透平膨脹機(jī)，不過，空分設(shè)備要求連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，即便增壓透平膨脹機(jī)可以在主備之間快速切換，也依然會(huì)對空分設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，基于此，增壓透平膨脹機(jī)必須具備穩(wěn)定的性能，做好防喘振控制的設(shè)計(jì)和應(yīng)用也就顯得非常必要。

1 增壓透平膨脹機(jī)的相關(guān)概述

增壓透平膨脹機(jī)的工作流程包含增壓、冷卻、絕熱膨脹和機(jī)械功，在實(shí)際運(yùn)行中，工作介質(zhì)會(huì)先經(jīng)過增壓機(jī)進(jìn)行增壓，冷卻后進(jìn)入主換熱器，然后進(jìn)入膨脹機(jī)，實(shí)施絕熱膨脹，產(chǎn)生空分裝置所需要的冷量，同時(shí)，產(chǎn)生的機(jī)械功會(huì)被增壓機(jī)吸收。

增壓透平膨脹機(jī)在運(yùn)行過程中，如果需要對氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)，安裝在冷箱頂部的氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)會(huì)帶動(dòng)噴咀葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，改變通道的截面積，執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥桿的行程會(huì)直接反映噴咀通道寬度的變化情況。在增壓透平膨脹機(jī)中，蝸殼一般是不銹鋼結(jié)構(gòu)，被固定在機(jī)身上，與底座連接，內(nèi)部設(shè)置噴咀和膨脹機(jī)的葉輪，設(shè)置在機(jī)身軸承上的剛性轉(zhuǎn)子兩端分別安裝膨脹機(jī)葉輪和增壓機(jī)葉輪，前后軸承全部采用了徑向推力聯(lián)合式軸承，可以由供油管供給潤滑油，保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 增壓透平膨脹機(jī)出現(xiàn)喘振的主要原因

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的帶動(dòng)下，內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備在越來越多的行業(yè)的領(lǐng)域中得到了應(yīng)用，增壓透平膨脹機(jī)也開始逐漸從中壓向著高壓過度。

一般情況下，增壓端和設(shè)備存在相互制約的關(guān)系，設(shè)備本身在運(yùn)行的過程中，能夠降低喘振事件發(fā)生的概率，確保離心增壓機(jī)能夠維持自身固有的運(yùn)行特性。不過，增壓透平膨脹機(jī)的運(yùn)行工況變化較快，當(dāng)流量增大時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng)，導(dǎo)致氣流傳輸脫離實(shí)際運(yùn)行模式，此時(shí)，增壓輪內(nèi)部會(huì)持續(xù)做功，提高旋轉(zhuǎn)速度，而因?yàn)樵谶\(yùn)行中會(huì)損耗大量能力，機(jī)身內(nèi)部的壓力將會(huì)有所下降，帶來設(shè)備端口位置壓力下降的問題。

管網(wǎng)的網(wǎng)容量越大，壓力變化引發(fā)的反應(yīng)越小，同時(shí)，也存在一定的滯后性。如果管網(wǎng)壓力數(shù)值過高，可能引發(fā)氣體倒流的問題，導(dǎo)致增壓端壓力的升高，當(dāng)增壓端出口壓力超過管網(wǎng)壓力時(shí)，氣流停止倒流，此時(shí)，為了確保設(shè)備的正常運(yùn)行，增壓透平膨脹機(jī)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行供氣，增加管網(wǎng)內(nèi)部的壓力，待其超過增壓透平膨脹機(jī)出口壓力時(shí)，又會(huì)再次出現(xiàn)氣流倒流。

氣體的反復(fù)排放，會(huì)引發(fā)設(shè)備的強(qiáng)烈震動(dòng)，發(fā)出類似喘氣的聲音，在增壓端出口位置，氣體的壓力和溫度都會(huì)呈現(xiàn)出大幅升高的現(xiàn)象，增壓透平膨脹機(jī)本身也會(huì)發(fā)生劇烈震動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為喘振。如果工作人員沒有能夠及時(shí)采取有效的措施對喘振進(jìn)行控制，則轉(zhuǎn)子同樣會(huì)在壓力的反復(fù)變化下，產(chǎn)生劇烈震動(dòng)，可能會(huì)與機(jī)體發(fā)生碰撞，引發(fā)葉輪密封和軸承等零部件的損壞。

3 增壓透平膨脹機(jī)防喘振控制設(shè)計(jì)與應(yīng)用

要防止增壓透平膨脹機(jī)發(fā)生喘振，只需要保證增壓機(jī)在工作轉(zhuǎn)速下的吸入流量大于喘振點(diǎn)的流量。增壓透平膨脹機(jī)一般采用防喘振閥來控制，防喘振系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)防喘振閥開度控制增壓機(jī)的流量和出口壓力，一旦入口流量過低，出口壓力升高，增壓機(jī)工況接近喘振區(qū)或發(fā)生喘振時(shí)，防喘振閥便自動(dòng)打開，使出口的氣體返回入口來增加入口流量，從而滿足大于喘振點(diǎn)流量的控制要求。不過，要想切實(shí)保障增壓透平膨脹機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，還需要設(shè)計(jì)一套健全完善的防喘振控制方案。就目前來看，在增壓透平膨脹機(jī)防喘振設(shè)計(jì)中，比較常用的方法有兩種。

3.1 應(yīng)用壓力控制法

壓力控制法是一種單參數(shù)控制方法，其基本原理如圖1所示。

圖1 增壓透平膨脹機(jī)壓力控制防喘振系統(tǒng)

以壓力控制的防喘振保護(hù)系統(tǒng)中，主要包含設(shè)置在增壓透平膨脹機(jī)增壓端出口的壓力控制器以及防喘振閥。通過設(shè)定，將增壓透平膨脹機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速控制在某個(gè)范圍內(nèi)，確保其運(yùn)行壓力能夠遠(yuǎn)離喘振區(qū)，運(yùn)行在設(shè)定壓力下，如果增壓透平膨脹機(jī)增壓端出口壓力超過設(shè)定壓力，則防喘振閥PV401 會(huì)打開一定的開度，控制增壓透平膨脹機(jī)增壓端出口壓力保持在設(shè)定壓力。而如果壓力的波動(dòng)劇烈，單純依靠防喘振閥小開度的調(diào)節(jié)已經(jīng)不能滿足壓力調(diào)節(jié)時(shí)，需要將增壓端防喘振閥全開，確保設(shè)備能夠快速遠(yuǎn)離喘振區(qū)。

3.2 利用壓差、流量雙參數(shù)控制

從控制方式上看，壓差、流量雙參數(shù)防喘振保護(hù)控制方式更加先進(jìn)、安全，這一點(diǎn)在增壓透平膨脹機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行和偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行階段表現(xiàn)得尤其明顯。雙參數(shù)控制系統(tǒng)包含流量測量系統(tǒng)、壓差測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，相應(yīng)的控制系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 增壓透平膨脹機(jī)雙參數(shù)控制防喘振系統(tǒng)

該控制方法多在進(jìn)口增壓透平膨脹機(jī)組中應(yīng)用，在膨脹機(jī)防喘振試驗(yàn)中測得一組增壓端進(jìn)出口壓差（DP），增壓端入口流量計(jì)壓差（DP2）數(shù)據(jù)，在DP-DP2 坐標(biāo)圖上的繪制出喘振線L3（如圖3 所示），在DP2 為2%處做一條喘振保護(hù)安全線L2，再在DP2 為8%處做一條控制線L1。工作點(diǎn)在L1線右側(cè)則為安全，反之不安全。采用以下控制方法：

若工作點(diǎn)到達(dá)L1線，防喘閥自動(dòng)開大2%，當(dāng)防喘閥開大以后，增壓端流量增加，壓差下降，即DP2 增大，DP 減小，工作點(diǎn)向右移動(dòng)。若2 秒工作點(diǎn)未回到L1 線右側(cè)的安全區(qū)，防喘閥再開大2%，直到工作點(diǎn)回到安全區(qū)。若工作點(diǎn)到達(dá)L2時(shí)，則防喘閥自動(dòng)全開。

圖3 壓差、流量雙參數(shù)控制的喘振線

正常工況下，工作點(diǎn)控制在L1的右側(cè)，此時(shí)是安全的。但為了節(jié)省能耗，減少能量損耗，工作點(diǎn)應(yīng)接近L1，即防喘閥FV401 盡可能的關(guān)小。因此，操作人員要調(diào)整好防喘閥的開度，既要保證工作點(diǎn)在安全區(qū)域內(nèi)，也要盡可能減少能量的損耗。

當(dāng)實(shí)際流量FIC401 小于等于當(dāng)前壓差對應(yīng)的L1的流量時(shí)，防喘閥FV401 會(huì)自動(dòng)在原有開度上增加2%開度。若兩秒后仍未回到L1的右側(cè)，則繼續(xù)增加2%開度，直至工作點(diǎn)回到L1的右側(cè)。當(dāng)實(shí)際流量FIC401 小于等于當(dāng)前壓差對應(yīng)的L2的流量時(shí)，防喘閥FV401 自動(dòng)全開。

以上兩種防喘振的方案足夠滿足增壓透平膨脹機(jī)對防喘振的控制要求。采用壓力單參數(shù)控制方案，控制系統(tǒng)簡單，可靠性高，投資低，特別適用于固定轉(zhuǎn)速增壓透平膨脹機(jī)的控制，但在較低轉(zhuǎn)速的工況下運(yùn)行會(huì)裕度太大，造成浪費(fèi)。如果增壓透平膨脹機(jī)經(jīng)常處于較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，則可采用壓差、流量雙參數(shù)的控制方案，即使增壓透平膨脹機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，也能控制在同一安全裕度下，避免浪費(fèi)。因此，推薦在大型以上的空分設(shè)備中應(yīng)用壓差、流量雙參數(shù)的防喘振方案控制增壓透平膨脹機(jī)，在空分設(shè)備的節(jié)能降耗上有非常明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)語

總而言之，增壓透平膨脹機(jī)增壓端的本質(zhì)屬于離心增壓機(jī)，但是，其防喘振控制并不同于離心增壓機(jī)，因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)裝置是膨脹輪，與增壓端同軸同轉(zhuǎn)速，在實(shí)際應(yīng)用中，增壓透平膨脹機(jī)極少出現(xiàn)十分明顯的低轉(zhuǎn)速以及高增壓比運(yùn)行，借助上文提到的兩種防喘振控制方法，能夠取得比較理想的控制效果，保證了增壓透平膨脹機(jī)的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。