黄忠胜

（国家管网集团西部管道公司，乌鲁木齐 830011）

0 引言

离心式压缩机具有运行效率高、调节性能好等优点，因此被广泛地应用于现代石油化工行业[1]。离心式压缩机是将机械能转化为气体压力的动力设备，它的主要工作部件是叶轮和扩压器，通过高速旋转的叶轮和流通面积逐渐增大扩压器，实现气体增压[2]。随着天然气领域的不断发展，离心式压缩机被广泛应用于天然气压气站中。例如，西气东输沿线的压气站就使用了大量的RR压缩机、GE压缩机[3]。近年来，输气管道离心压缩机多次发生喘振故障，严重影响压缩机安全平稳运行。喘振是离心式压缩机的固有特性，压缩机低流量的表征[4]。喘振现象是离心压缩机工作在小流量时的不稳定流动状态，它的出现轻则使压缩机停机，中断生产过程，造成经济损失；重则造成压缩机叶片损坏，导致压缩机设备报废，甚至造成人员伤害。因此，喘振现象在生产中应严格杜绝[5]。

输气管道离心压缩机经过长期运行，因输送介质、运行工况、工作环境等变化影响，其工作性能曲线可能会发生变化。若喘振极限线及防喘振保护曲线未进行相应调整，当压缩机运行参数异常波动时，会引起压缩机关键参数发生超限报警、联锁保护或发生跳机事件，甚至造成压缩机喘振故障。喘振极限线，是指压缩机特性曲线最高点连接起来形成的曲线。将喘振极限曲线右移，即得到防喘振保护曲线[6]。以下将喘振极限线简称喘振线，防喘振保护曲线简称控制线。喘振线作为压缩机防喘控制的关键参数曲线，会在压缩机投产时进行现场测试验证，如果喘振线测试不准确，或压缩机长期运行后工作性能曲线发生变化，而未相应调整喘振线，则会影响压缩机安全和性能。为验证压缩机喘振线的准确性，确保压缩机安全平稳运行，针对西气东输一线四道班压气站1＃RR压缩机组多次发生振动高高报警跳机事件，开展喘振线现场测定工作，根据测试结果对压缩机原喘振线进行修正及优化，形成新的喘振线和控制线。

1 RR压缩机组防喘振控制

1.1 防喘控制功能

压缩机的控制系统包括数据监测系统和控制系统。数据监测系统主要进行运行参数的采集，如压缩机及驱动机的各项运行参数，包括压力、温度、流量、振动、位移和转速等重要参数；控制系统则包含压缩机防喘振系统、压缩机组转速条件控制系统、润滑油压力调节控制系统、干气密封调节控制系统等[7]。

RR压缩机防喘控制在过程控制系统UCP中实现。防喘控制程序采用梯形图语言编写，喘振线、喘振相关报警点和操作员下发命令等通过HMI上的Intouch软件实现[8]。RR压缩机组防喘控制分为手动控制、自动控制和手动/自动等同控制3种模式。当防喘控制处于手动控制模式时，防喘阀开度来自HMI上的输入值；自动控制模式主要依据流量波动和防喘阀阀位开度变化，通过PID防喘控制器计算实时流量与控制设定值的偏差，从而调节防喘阀的开度；手动/自动等同控制，可实现手动与自动控制模式优先级选择和无扰动切换。

PID防喘控制器由比例控制器、积分控制器、微分控制器3部分组成，PID防喘控制器对控制设定值与实时流量值的偏差分别进行比例、积分和微分计算，将3部分计算值相加得出防喘阀输出控制量。

1.2 防喘特性曲线

RR压缩机工作特性曲线由横坐标流量和纵坐标压比组成。横坐标值由安装在压缩机入口的孔板流量计测量所得流量（差压值）与压缩机入口压力值之比计算后得出，纵坐标值是压缩机的出口压力（绝压）与入口压力（绝压）的比值。

RR压缩机防喘振特性曲线与压缩机工作特性曲线的横坐标和纵坐标保持一致，横坐标轴为入口流量参数，纵坐标轴为压比参数。RR压缩机的防喘特性曲线由喘振线、失败设定线、报警设定线、比例积分控制器设定线、安全设定线、微分控制器设定线和阻塞线组成。

喘振线的建立是基于压比和入口流量的喘振点，一般将通过喘振测试得出的6个喘振点进行连线即为喘振线。喘振线的纵坐标压比不变，将横坐标流量值分别扩大2%、6%、8%、20%和40%，则分别得到紧急停车线（失败设定线）、报警设定线、防喘阀快开线（比例积分控制器设定线）、防喘控制线（安全设定线）、微分设定线（微分控制器设定线）。

RR压缩机防喘振特性曲线如图1。

图1 RR压缩机的防喘特性曲线Fig.1 Anti-surge characteristic curve of RR compressor

2 喘振点测试方法

2.1 喘振点判断方法

离心压缩机在运行过程中，当负荷低于某一定值时，气体的正常输送遭到破坏，气体的排除量时多时少，忽进忽出，发生强烈震荡，并发出如同咆哮病人“喘气”的噪声。此时可看到气体出口压力表、流量表的指示大幅波动。随之，机身本体带动周围管网一起震动，压缩机会发出周期性间断的吼声[9]。

根据压缩机喘振发生原理和现象，压缩机工作点接近喘振区时，如果出现以下任意一项则认为即将发生喘振：

1）压缩机入口和出口管线内出现异常低频脉动声音。

2）压缩机振动参数明显上升，当振动参数幅值超过35um时，判定发生喘振。

3）压缩机入口压力值出现明显波动。

4）压缩机的出口压力最初先升高，继而急剧下降，并呈周期性大幅波动[10]。

5）压缩机转速周期性大幅波动。

2.2 喘振点测试前准备

1）测试基于压力越站流程进行，测试前站内所有压缩机组均已停机，测试启机前应进行压缩机组本体设备检查，确保压缩机组本体设备工作正常。

2） 对压缩机回流管路空冷器进行启停测试，在整个测试期间空冷器全部处于运行状态，以保证工艺气体温度的稳定。

3） 在压缩机防喘阀快开回路中串入防喘阀快开手动开关，对防喘阀进行手动开关测试，验证手动开关能迅速开关防喘阀，确保防喘阀定位器和执行机构动作满足测试要求。

4）在压缩机振动监测SYSTEM 1系统上，组态需要监测的振动和轴位移数据趋势图，检查确认趋势刷新和显示正常。在便携计算机上安装在线压缩机组控制程序，用LOGIX5000编程软件组态快速趋势，趋势参数选取压缩机转速、入口压力、出口压力、入口差压（流量）、压比、防喘阀开度命令等。

2.3 喘振点测试过程

1） 将要测试的压缩机组正常启动至怠速，检查运行参数，确认各项参数在正常范围内。

2）将压缩机转速手动调整到准备测试的转速值，检查压缩机组各项参数均正常。

3）在线修改防喘控制程序，屏蔽防喘控制程序中的防喘自动控制切换功能、防喘阀速开功能、防喘控制失败停车功能。

4）待压缩机运行稳定后，逐渐关小防喘阀开度，进行喘振点测试。在压缩机组HMI上手动输入喘振阀关度数值，每次关1%～2%，关阀的速度一定要慢，以防止流量突变导致压缩机进入喘振区域。关阀过程中实时监视SYSTEM 1系统及LOGIX5000的趋势数据，现场安排人员监听压缩机组管线内的气流声是否出现异常。当任何一喘振迹象出现时，通过快开手动开关快速打开防喘振阀，此点测试结束。

5）测出喘振点后，将相应LOGIX5000中的趋势暂停，查看并对比LOGIX5000和SYSTEM1中的数据趋势，选出喘振点的数值并记录，对喘振点趋势进行截图保存，将历史数据导出保存。

6）当前转速下的喘振点测试完成后，全开防喘阀，调整压缩机转速至下一测试转速值，待运行稳定后，再重复第4）和第5）测试步骤，进行下一喘振点测试。

依次调整压缩机转速至3120rpm、3600rpm、4200rpm、4800rpm（为安全起见，5040rpm转速下喘振点不做测试），通过监控压缩机的转速、进出口压力、轴承振动以及管线气流声等，测得压缩机在各转速下的喘振流量、压比等参数。

3 喘振点分析及选取

对压缩机3120rpm、3600rpm、4200rpm、4800rpm 4个不同转速下的喘振点测试后，通过对测试过程中接近喘振点时的数据趋势进行分析，可见压缩机转速、入口流量参数明显出现波动，压缩机振动参数幅值明显升高。选取参数即将出现波动时的流量和压比作为该转速下新测喘振点的参数，4个不同转速下新测喘振点的参数见表1。

表1 4个不同测试转速下选取的新测喘振点参数Table 1 Parameters of the newly measured surge point selected under four different test speeds

4 新测喘振点与原喘振线对比分析

将新测喘振点的压比参数分别为1.189、1.252、1.338、1.435时的流量与原喘振线上对应的流量进行对比，并计算两者流量差百分比分别为5.8%、3.6%、7.6%、1.73%，发现4个新测喘振点较原喘振线向右有一定的偏移，偏移量从1.73%～7.6%不等，平均偏移量为4.68%。该平均偏移量比原设定的紧急停车线与喘振线之间2%偏移量大2.68%，说明实际喘振点已偏离原喘振线，也找出当压缩机运行参数异常波动时会发生压缩机关键参数超限报警、联锁保护或跳机事件的原因。

5 原喘振线和原控制线的修正

根据测试数据及分析结果可知，压缩机在3120rpm、3600rpm、4200rpm和4800rpm转速下的新测喘振点流量相比原喘振线上对应的流量均向右偏移。从安全运行角度出发，原喘振线须根据新测喘振点进行修正，新喘振线由原喘振线右移得到，右移百分比按照7.6%+2%的原则计算。其中7.6%为实新测喘振点与原喘振线对应的最大流量差百分比，2%为预留的安全裕度，即原喘振线向右平移9.6%为新喘振线。同理，原控制线向右平移9.6%为新控制线。

选取原喘振线上6个喘振点（0,1）、（0.0143,1.2043）、（0.0241,1.3201）、（0.0371,1.4418）、（0.0478,1.5606）、（0.065,1.68）为参照点，计算对应的修正喘振线、控制线坐标数值见表2。

表2 原喘振线、控制线坐标和修正喘振线、控制线坐标数值Table 2 The coordinates of the original surge line and control line and the coordinates of the corrected surge line and control line

根据表2中坐标数值，可绘制原喘振线、原控制线、修正后喘振线和修正后控制线。将4个新测喘振点的流量和压比数据作为坐标数值（0.014，1.189）、（0.019，1.252）、（0.028，1.338）、（0.037，1.435），可绘制新测喘振线。

原喘振线、新测喘振线、修正后喘振线、原控制线、修正后控制线如图2。

图2 修正前后的喘振线和控制线Fig.2 Surge line and control line before and after correction

最后，将修正后的喘振线和控制线的X轴、Y轴坐标参数写入压缩机组UCP控制程序中，从而实现RR压缩机喘振线和控制线的修正和优化。

6 结束语

西气东输一线四道班压气站1#RR压缩机通过现场测试喘振线，验证了原喘振线已存在偏差，从而多次造成压缩机组因喘振问题跳机。通过现场测定、修正和优化喘振线、控制线后，压缩机工作点能保持在新的喘振控制线附近平稳运行，其振动、转速、入口流量、进出口压力等参数均正常，压缩机运行小流量工况下的安全性得到提升。本文以RR压缩机喘振线现场测试及修正为例，阐述的喘振线现场测试、修正、优化方法，可供输气管道离心式压缩机现场测定喘振线时借鉴应用。