摘要：文章介绍了芳烃装置丙烯压缩机组工艺流程以及运行初期存在的一些问题，并对CCC系统进行防喘振实测，精确计算丙烯制冷压缩机喘振曲线和机组性能，从防喘振曲线性能、防喘振控制系统运行稳定性分析进行优化研究。该优化方案提高了压缩机自动化程度，使机组生产波动降低，能源消耗也随之减少。
关键词：CCC系统,防喘振,节能,制冷压缩机
0引言
丙烯压缩机系统控制器采用的是先进的TS3000+CCC。而压缩机实际的喘振曲线与理论预测的喘振曲线出现局部偏差，对压缩机的运行存在一定的安全隐患，同时根据理论预测的喘振曲线也存在一定的能源浪费问题。通过对丙烯压缩机CCC进行喘振线实测，重新界定了性能曲线，为防喘振控制和今后的机组操作运行提供依据，是机组实现自动控制和经济运行的基础。
1丙烯压缩机介绍
丙烯制冷压缩机由压缩机、电机、变频器、齿轮箱、干气密封系统、润滑油系统等组成，压缩机型号为3MCL1106，由沈阳透平机械股份有限公司生产，电机是国内第一台30 000 kW正压型防爆变频同步电动机，由上海电气集团股份有限公司设计制造，齿轮箱由VOITH(福伊特集团)生产。
丙烯压缩机工艺流程如图1所示，压缩机主要运行参数如表1所示。
2开工初期压缩机出现的问题
(1)防喘振特性曲线没有进行现场实测。CCC系统在压缩机试运行期间，使用的防喘振曲线是根据供应商前期计算的理论数据参数生成的。由于压缩机设备因素制约，无法在出厂验收时，进行实际工况实验，并且零件制造和后期安装的偏差，以及实际现场工艺条件的变化均有可能使理论计算出的喘振曲线与现场实际的喘振曲线出现偏离[1]。如果实际的喘振曲线偏右，将可能导致预先打开防喘振阀门，从而产生不必要的能量消耗；若偏左，则将不能发挥保护机组的功能。
(2)预留的控制裕度过小。防喘振控制曲线与喘振曲线之间的距离过短，当工艺条件发生波动时，入口流量减小。由于安全距离过短，工作点左移，系统来不及调整，瞬间越过喘振曲线SLL，从而快速全开防喘振阀，对系统生产造成较大的影响。
3防喘振控制曲线
将不同转速下压缩机的多变压头(Hp)-进气流量(Q)特性曲线的喘振起始点连接成线，就是压缩机的喘振边界线，又称喘振线(SLL)，如图2所示。
式(7)～式(9)中：加“'”的变量表示喘振点的值。
在正常状态时，pd/ps基本不变，式(9)右端部分基本为常数，即在喘振点的Q/N值为定值。另外，在实际运行中，pd/ps会有变化，但是此变化对Q'/N'影响不大，这是因为pd/ps＞1，由式(9)可明显看出。
对喘振点(Q'/N')，因压缩机的特性曲线有误差、pd/ps有变化、仪表测量有误差，因而要留有一定量的安全系数来设定防喘振点(Q/N)L。当计算实际运转状态的Q/N时，使Q/N≥(Q/N)L就能防止喘振；假设(Q/N)-(Q/N)L=ε,使ε足够小，既能防喘振又节省能量。
运行工作点与喘振极限点之间的距离，控制系统会时刻监控，确保机组稳定运转，这个距离是由压缩比、流量、转速、温度和介质成分通过公式计算出来的[2]。防喘振特性曲线控制方案的优点是算法可以自动补偿由于温度、压力及分子量变化所引起的操作点的变化。另外，还采取贴近喘振线等距的喘振控制线(SCL)实行防喘振控制[3]，从而可以很大程度节省能源。
系统基于算法，在SLL右侧生成了一条可变安全裕度b长度的SCL：
式中：b1为初始安全裕度；b2为安全响应偏置；b3为微分响应。
当工作点向左侧发生移动时，可以通过工艺调整，如增大入口流量或者开大防喘振阀开度，从而使工作点移动至SCL右侧。当防喘振控制器触发PI响应，工作点缓慢跨越SCL，调节防喘振阀，使PI响应得到充分保护，对系统造成小扰动；当工作点通过SCL向左快速移动时，调控喘振控制余量，以移动速率为标准，使PID快速反应得以调整；CCC机组控制系统在PID响应滞后的情况下，为了更有效地控制防喘振阀的开启，将增加一个隐藏的RTL，以便在工作点跨越喘振界限时能够迅速响应，并且可以叠加若干快速重复反应的阶跃开阀信号，从而从根本上有效地控制防喘振阀的开启。如果操作状态处于手动，系统将自动切换至Auto模式，并立即启动防喘振阀，以确保安全[4]。
若阶跃响应仍未改善喘振情形，工作点会继续向左侧移动甚至越过SOL线，SOL响应会与RTL响应动作叠加，SCL与RTL同步将安全距离移至右侧，从而增加安全裕度，可以确保在下一次喘振发生之前，及时调整喘振阀的动作。当RTL线出现后，压缩机的运行区间将会被压缩一部分，向左边移动。当SOL被激活时，新生成的SCL和SOL将无法自动恢复，必须依靠人工干预，以确保安全裕度值能够达到SOL激活前的水平。
4喘振线的实际测试
出于对CCC防喘振控制系统的安全设置和调节，保障机组的安全运行和压缩机的经济效益，在不同转速下，对压缩机各段的防喘振阀进行流量调节，从而建立真正意义上的压缩机喘振线[5]。喘振试验时，压缩机的作用点通过逐渐减少进口流量而缓慢地向左侧移动，在压缩机作用点向左侧加速移动时，现场操作人员汇报压缩机运行工况，若出现异响，就判定为出现喘振迹象，此时压缩机的工作点即为一个初始喘振点。判断有喘振征兆后，系统会马上向右移动，防喘振阀门将逐渐增大，防止压缩机喘振。
在防喘振一段、二段、三段、四段分别按照3 014、3 367、3 741 r/min转速进行喘振测试。使用FastRecorder软件记录各个转速下压缩机出现初始喘振状态时的各项运行参数，如转速、振动、位移、流量、温度及压力等。各项数值将进行后期数据处理，并绘出实际得到的压缩机喘振曲线。把相应的流量安全裕度加在实测的喘振线上，就形成了压缩机实际的喘振控制线。
在压缩机喘振试验过程中，现场与中控同时操作、实时沟通，监视压缩机运转情况，当压缩机出现强烈震动或异响时，及时调整，记录此时的工作点作为初始喘振点。中控操作人员对压缩机的运行参数进行监盘，如压力和轴位移、振动值，当压缩机振动参数达到警报值时，为了确保机组设备安全，采取措施防止二次影响，并将此时的各项数值记录下来，以此作为压缩机的初始喘振点。经过喘振试验发现，在三个转速下，一段压缩机出现了明显的喘振迹象，而二段、三段、四段压缩机出现非常轻微的喘振迹象，振动值提高了1µm。
经过3次不同转速下的喘振试验，形成机组的喘振线，重新计算并输入压缩机各段喘振线如下：一段喘振线比预估喘振线向左偏移4%，二段喘振线比预估喘振线向左偏移7%，三段喘振线比预估喘振线向左偏移5%，四段喘振线比预估喘振线向左偏移10%，如图3所示。
5实际应用效果
(1)CCC控制系统实测后，增加10%流量裕度，重新定义压缩机1～4段喘振控制线。实现了丙烯压缩机1～4段防喘振回路、急冷控制回路、入口压力性能控制回路投入全自动控制。入口压力控制精度在±1 kPa内。
(2)降低了防喘振阀开度，甚至在压缩机90%负荷工况下可以使各段回流阀完全关闭，提高了机组运行的可靠度。
(3)现场实测喘振线带来节能收益6%，所有防喘振回路、急冷控制回路、性能控制回路投入全自动带来节能收益4%，二者合计节能收益10%，能耗成本降低约720万元/年。
6结论
经过CCC机组控制系统的防喘振实测，准确地计算出机组的性能，并将喘振线向左移动，这样可以大大提高压缩机的安全性能，增大操作空间，同时也可以有效地降低能源消耗，从而达到节能运行的目的。
在装置试运行期间，丙烯压缩机在CCC控制系统下，可在不同工况下自动调整所有极冷阀和防喘振阀，并实现各段防喘振阀的全闭合运行，在工艺系统波动时多次及时调整，避免了不合理开启防喘振阀。在提高压缩机和生产装置的经济性和安全平稳性的同时，延长了压缩机的使用寿命。
参考文献：
[1]代辉.CCC机组控制系统在甲醇制冷压缩机的应用[J].中国化工贸易,2020,12(6):151-154.
[2]王飞.压缩机喘振与3C防喘振控制器在空压机上的设计策略[J].工业仪表与自动化装置,2013(3):77-81.
[3]蒋跃.气压机喘振线探讨[J].化工自动化及仪表,2002,29(3):34-37.
[4]单光胜,任正云,叶大山.离心式压缩机防喘振控制算法设计[J].自动化技术与应用,2023,42(10):15-19.
[5]安志磊.离心压缩机的防喘振控制措施[J].化工管理,2021(1):125-126.
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