煤氣壓縮機防喘策略研究

侯靖宇

（華陽煤層氣開發(fā)利用分公司市區(qū)供氣管理中心， 山西 陽泉 045000）

0 引言

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組是與鋼廠配套的發(fā)電設備，其主要利用鋼廠富余的煤氣進行發(fā)電，不僅對煤氣進行充分的回收利用，而且還減少了煤氣直接排放對環(huán)境造成的污染。對于聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組而言，其對煤氣的流量、壓力以及溫度的要求較高；上述參數(shù)不穩(wěn)定極易導致發(fā)電機組造成嚴重的影響。壓縮機作為煤氣系統(tǒng)的關鍵設備，其主要作用是對煤氣進行加壓[1-5]。在實際生產中，當煤氣的流量較小時，煤氣壓縮機極易發(fā)生喘振狀態(tài)，從而導致設備發(fā)生嚴重的振動，進而影響煤氣的流量、壓力等參數(shù)，對發(fā)電機組運行的安全性造成威脅。本文將針對煤氣壓縮機的喘振現(xiàn)象提出相應的防喘策略，并對防喘策略進行仿真驗證。

1 煤氣壓縮機喘振現(xiàn)象

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機煤氣系統(tǒng)主要包括有除塵裝置、氣水分離裝置、加壓裝置以及調整熱值裝置。本文以其中的加壓裝置為例開展研究，所述的加壓裝置即為離心式壓縮機，其將煤氣加壓處理后作為煤氣系統(tǒng)的入料。在實際生產中，可將多級壓縮機聯(lián)合應用，以保證煤氣的壓力滿足發(fā)電機組的要求。

煤氣壓縮機由五大流通部件組成，主要包括有蝸殼、擴壓器、吸氣室、彎道和葉輪等。離心式壓縮機在實際工作中，由于工作狀態(tài)發(fā)生變化導致壓縮機的流量減小，從而導致設備出現(xiàn)較為嚴重的旋轉脫離現(xiàn)象；而且，當壓縮機的流量出現(xiàn)突變并且已經(jīng)失速后，流道內煤氣的流動情況會急劇惡化。在此情況下，雖然設備仍在不斷旋轉，但是其對煤氣的做功較小無法將煤氣壓力提高至預期值，導致煤氣壓縮機出口處的煤氣壓力下降。此時，煤氣向官網(wǎng)中倒流，當官網(wǎng)壓力與壓縮機出口壓力相等時，倒流現(xiàn)象停止。上述現(xiàn)象的反復，使得壓縮機在設備的軸向方向出現(xiàn)了較大幅度的振動現(xiàn)象。上述現(xiàn)象即為喘振現(xiàn)象。

當壓縮機出現(xiàn)喘振現(xiàn)象后，設備本身會發(fā)生異常的噪聲、爆炸音等，進而導致設備出現(xiàn)嚴重的振動現(xiàn)象，直接導致壓縮機內部的軸承、密封等部件造成損壞；喘振現(xiàn)象會導致壓縮機的性能出現(xiàn)嚴重的惡化，進而使其壓力和效率等指標減小。

總的來講，導致壓縮機出現(xiàn)喘振現(xiàn)象的主要原因可以歸結為內因和外因。其中，內因是由于壓縮機內部流量減小導致其內部出現(xiàn)嚴重的失速現(xiàn)象；外因與壓縮機的官網(wǎng)容量及其特性相關。

2 壓縮機喘振控制方法

針對壓縮機發(fā)生的喘振現(xiàn)象，可采用被動和主動兩種控制方式達到防喘的目的。本文將對主動和被動兩種防喘方法展開研究。

2.1 被動防喘控制技術

壓縮機初心喘振現(xiàn)象的根本原因在于其入口流量小于其喘振的控制線流量。因此，從原理上可以采用放空和回流的方法將壓縮機的工況點控制在喘振曲線上。根據(jù)應用場合的不同可將被動防喘控制技術分為固定極限流量法和可變極限流量法。

2.1.1 固定極限流量法

固定極限流量法主要應用對壓縮機固定轉速工況下使用。該種控制方法的核心思路是將流過壓縮機的流量始終控制在喘振極限流量之上。該種控制方法具有操作簡單、可靠性高以及使用儀表少等特點。

2.1.2 可變極限流量法

可變極限流量法用于壓縮機在變速工況下使用。鑒于壓縮機在低速運行工況下設備對應的效率偏低且損失的能量較大，該種控制方法可隨著壓縮機轉速的變化而變化；其也是解決固定極限流量法能量浪費且回流問題的關鍵。

2.2 主動防喘控制技術

主動防喘控制技術主要從壓縮機本身出發(fā)，對導致壓縮機喘振現(xiàn)象的根本原因進行分析，研究氣流不穩(wěn)定的的主要原因，主要通過改善壓縮機工作性能、對流場反饋進行預擾動等措施阻止喘振現(xiàn)象的發(fā)生。

綜合對比壓縮機的主動防喘和被動防喘控制技術的特點，煤氣壓縮機的工況特點，確定采用被動控制技術中的可變極限流量法解決壓縮機喘振現(xiàn)象，如圖1 所示。

圖1 循環(huán)流量法防喘振控制流程

3 壓縮機防喘振策略設計

本著壓縮機在任何工況下通過其中的流量均是足夠的；而且，在出現(xiàn)喘振現(xiàn)象時通過打開喘振閥補充流量損失的部分?；谏鲜鲈?，提出采用如圖2所示的控制圖對壓縮機的喘振現(xiàn)象進行控制。

圖2 壓縮機防喘控制曲線

如圖2 所示，壓縮機喘振線對應的最小流量為13.409 7 kg/s；閥跳變現(xiàn)對應的最小流量為18 kg/s；控制線對應的工作流量為23 kg/s；新控制線對應的流量為25 kg/s。圖2 中，控制線與曲線、X 軸形成的區(qū)域為壓縮機的安全工作區(qū)域；控制線與閥跳變線、曲線形成的區(qū)域為壓縮機的調節(jié)區(qū)域；喘振線與閥跳變線、曲線形成的區(qū)域為壓縮機的跳變工作區(qū)域；喘振線與曲線、Y 軸形成的區(qū)域為壓縮機的喘振區(qū)域。

根據(jù)上述壓縮機在不同區(qū)域的工作情況，當壓縮機工作在調節(jié)區(qū)域和跳變工作區(qū)域時，通過PID 控制器對防喘法進行控制，避免壓縮機工況點落在喘振區(qū)域，具體控制策略如下：

1）當壓縮機工況點落在安全區(qū)域時，無需進行調節(jié)控制；

2）當壓縮機工況點落在調節(jié)區(qū)域時，將系統(tǒng)的防喘閥打開，并通過PID 控制算法對其開口大小進行控制，使得壓縮機工況點落在安全工作區(qū)域；

3）當壓縮機工況點已經(jīng)質變至閥跳變點時，將防喘控制閥控制至0.05，將壓縮機的工況點落在安全工作區(qū)域。

4 結論

煤氣壓縮機為對煤氣進行增加處理的設備，其是煤氣系統(tǒng)的關鍵設備。壓縮機在實際應用中，由于煤氣系統(tǒng)本身的流量波動較大，導致壓縮機出現(xiàn)了不同程度的喘振現(xiàn)象；進而導致煤氣系統(tǒng)的壓力、溫度以及流量等指標波動嚴重，從而影響了整個機組運行的穩(wěn)定性。本文針對煤氣壓縮機的喘振問題展開系列研究，總結如下：

1）導致壓縮機出現(xiàn)喘振現(xiàn)象的主要原因在于其入口流量大幅減小。

2）針對壓縮機的喘振現(xiàn)象，可采用主動和被動兩種方式控制；對于煤氣系統(tǒng)的壓縮機可采用被動控制技術中的可變極限流量法解決喘振問題。

3）針對壓縮機的工況點將其劃分為不同的工作區(qū)域，并根據(jù)所在工作區(qū)域提出了不同的防喘策略。