基于20000m3/h空分增压透平膨胀机防喘振设计与应用

总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/空分增压透平膨胀机防喘振设计与应用陈正忠(开封空分集团设计研究院河南开封475000)摘要:本文以2000m/h空分设备为背景,介绍了增压透平膨胀机产生喘振的原因,描述了ACD增压透平膨胀机压差与流量双变量防喘振控制方案。详细介绍了防喘振曲线的制作过程,以及防喘振逻辑在DCS上的组态。关键词:增压透平膨胀机;防喘振控制;压差中图分类号:TQ161文献标识码:A文章编号: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青海盐湖集团二期化工项目配建1套20000Nmh空机器(特别是对叶轮)产生冲击,因此压缩机发出强烈的分设备,采用分子筛吸附预净化、空气增压透平膨胀机提声音和振动。供装置冷量、双塔精馏、无氢制氩、液氧泵内压缩流程,控制系统采用 Honeywell Experion PKs系统,由开封空分集压力比端振线团有限公司成套供货。增压透平膨胀机采用美国ACD公喘振控制线司和开封空分集团的产品,一用一备。在调试出氧阶段由于进口膨胀机资料中没有防喘振制作的资料所以需要现场制作防喘振控制。1喘振产生的原因=60%890%100%105%当压缩机运行过程中流量太小,出口压力太高时,流动就成为不稳定状态。流量小,所以流动速度就低,气体前进的动力就小;出口压力高,气体前进的阻力就大;再由于轴向涡流的存在,这样就会出现气体瞬间的倒流(或增压器需要最低体积流量,以便在稳定的范围内运局部倒流)现象。出现倒流之后,就会减轻出口压力,压行。当体积流量低于规定的最低体积流量时,增压机将缩机便恢复了正流方向的流动。但是如果不设法增加流喘振,其机械部件承受的应力过大,因此应加以避免。为量需求,又要重复上述过程,再次发生倒流,再次恢复正了能在稳定的范围内运行增压器,透平膨胀机组的增压流,如此反复进行。压缩机的这种不稳定运行状态就称侧装备了回流阀用于补偿当前流量与最低体积流量之为“喘振”。由于正流和反流交替发生,状态剧烈变化,对间的差值。回流阀的开度由防喘振控制器控制。稳定与收稿日期:2015-12-1作者简介:陈正忠(198510-)男,本科,助理工程师,研究方向:仪表自动化设计工作。第12期基于20000m7/h空分增压透平膨胀机防喘振设计与应用37非稳定运行之间的分界线被称为喘振线。其线路取决于在避免喘振的同时,我们更不希望压缩机的运行工各种因素(如温度、压力等)。必须在喘振线与喘振控制线况突然产生大幅度的波动。在正常工作时,回流阀应该之间确定一个安全的限度,以确定稳定的控制特性。安是全关的。如果DP2下降到喘振值的1.21时将回流阀突全区域在喘振线的右下侧如下图1。然全开,压缩机突然受到冲击,容易损伤机器;而且一旦转速落到共振区,会造成操作上的慌乱;另外,工况遭到2喘振曲线的制作大幅度破坏以后,想要恢复也比较费力。因此对于回流一般制造商会随机器出厂提供压缩机的性能曲线阀的动作在设计时设定一个缓冲区,例如设置成喘振压图,性能曲线可以是由该样机试验得出的,也可以是同类差值的1.15-1.25。这样,喘振曲线就有3条曲线。一条样机的试验基础上总结出换算方法而计算出来的,通常是喘振线;一条是在喘振线的基础上将DP2乘以115得是用压比与流量的关系来表示的,压比为纵坐标,流量为到的喘振保护线;另一条是在喘振线的基础上将DP2乘横坐标。在一定的转速下有一条性能曲线,通常流量减以1.25得到的喘振动作线。小压比增加,流量小到某一值时便会发生喘振,这一点称根据给定的一组参数及上面的计算方法可以得到为喘振点。如果机器转速是可变的,对于不同的转速就条线段分别是喘振线、防喘振保护线以及动作线。在有不同的喘振点,将这些点连起来为一条曲线就称为喘振曲线。喘振线将性能曲线Flow DPFlow %DPCompressor DP Compressor %DP图划分成安全区和喘振区,喘振线的右下□mR的=0=30m20门Transmitter Range=0- 150 psid方为安全区,左上方为喘振区。ACD膨胀0.00.0%0.000.0%机中的压缩机就属于这种情况"。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%也是许多压缩机防喘振实际采用的方法,155.1%28.2018.8%就是用进出口压差(用DP表示)一流量压222276%30.110.0%38.4%差(用DP2表示)图来代替压比一流量图并51.5%49516.5%100.5767.0%且提供了喘振曲线上DP与DP2的对应数61.020.3%128.19855%值。用这种方法的优点是只要测量出运行Slope of dpSlope of Range时的两个压差即可,这时喘振线上各点的2.10154.2029DP与DP2接近线性关系,并且不受压缩机进口条件如压力,温度和气体组分的影响图2压差与流量对应的两组数据显然是十分方便的。喘振线上DP2的每一DCS画面上取一个基点作为原点,横坐标为DP2,纵坐标点代表不同的转速,进口导叶位置或进口压力。为DP,这样就会得到一个矩形区域,在此矩形坐标框中绘在DCS屏幕上制作一个DP_DP2的坐标图,图上画制三条线,分别是喘振线、防喘振保护线、动作线。绘制出喘振曲线,利用运行时测量的两个压差标出工作点位出的坐标图如下图3。置,这样可以直观地看出工作点离喘振线有多远,以便于实际操作,在避免喘振的同时有效的提高了膨胀机的工作效率。根据说明书提供的两组压差的对应数据(可以是压差数据,也可以是百分比数据)在坐标图上可以得到若干点(这些点近似于一条直线,但不要作成直线,误差较大),用数学处理方法(例如样条函数)通过这些点连成条曲线(如有困难,连成一条折线也可)而得到表示两者关系的数学表达式提供给DCS组态人员。这样,只要知道DP,便可算出喘振线上的对应D将喘振流量安全值设置为喘振流量值的1.1倍。就是说,当流量下降到喘振流量的1.1以下时,回流阀(也称图3流量压差坐标图防喘振阀)会自动打开使压缩机流量增大,避免喘振。但3防喘振控制逻辑是我们用的是压差而不是流量。因为压差与流量的平方成正比,所以喘振压差安全值应该是喘振压差的121倍。由绘制出的三条线可以得到动作线的斜率W0和防·38·基于20000。/h空分增压透平膨胀机防喘振设计与应用第12期喘振保护线的斜率W1。膨胀机投入运行时,控制器实时达到了设计值进一步说明该防喘振方案的正确性。采集动坐标的数值PⅤ制与设定值W0做比较PV