增压透平膨胀机防喘振控制设计研究与应用

魏烈翠 易晓栋

摘要：作为在空分设备中非常重要的组成部分，增压透平膨胀机能够为空气分离提供冷量。一套空分设备在部分大型国产空分设备中，往往需要配备两台增压透平膨胀机，不过空分设备要求连续运转，即便增压透平膨胀机可以在主备之间快速切换，也依然会对空分设备的运行产生不良影响。增压透平膨胀机必须具备稳定的性能，因此，本文就对增压透平膨胀机防喘振控制设计与应用的相关内容进行分析，可供参阅。

关键词：增压透平膨胀机；防喘振；控制；设计

1有关增压透平膨胀机的概述

在实际运行中，增压透平膨胀机的工作流程包括增压、冷却、绝热膨胀和机械功，工作介质会先经过增压机进行增压，冷却后再进入主换热器，然后进入膨胀机，实施绝热膨胀，产生空分装置所需要的冷量，与此同时，产生的机械功会被增压机吸收。在运行过程中，增压透平膨胀机如果需要对气量进行调节，安装在冷箱顶部的气动薄膜执行机构会带动喷咀叶片转动，改变通道截面积，执行机构阀杆的行程会直接反映喷咀通道宽度的变化情况。一般增压透平膨胀机中的蜗壳是不锈钢结构，被固定在机身上，与底座连接，内部设置喷咀和膨胀机的叶轮，设置在机身轴承上的刚性转子两端分别安装膨胀机叶轮和增压机叶轮，前后轴承全部采用了径向推力联合式轴承，可以由供油管供给润滑油，保证转子的稳定运转。

2增压透平膨胀机喘振的主要原因

通常，增压端和设备存在相互制约的关系，设备本身在运行的过程中，能够降低喘振事件发生的概率，确保离心增压机能够维持自身固有的运行特性。但是，增压透平膨胀机的运行工况变化较快，当流量增大时，设备的运行会产生一定的波动，导致气流传输脱离实际运行模式，此时，增压轮内部会持续做功，提高旋转速度，而因为在运行中会损耗大量能力，机身内部的压力将会有所下降，带来设备端口位置压力下降的问题。

如果管网压力数值过高，可能引发气体倒流的问题，导致增压端压力的升高，当增压端出口压力超过管网压力时，气流停止倒流，此时，为确保设备的正常运行，增压透平膨胀机会自动进行供气，增加管网内部的压力，待其超过增压透平膨胀机出口压力时，又会再次出现气流倒流。气体的反复排放，会引发设备的强烈震动，发出类似喘气的声音，在增压端出口位置，气体的压力和温度都会呈现出大幅升高的现象，增压透平膨胀机本身也会发生剧烈震动，这种现象被称为喘振。如果工作人员没有能够及时采取有效的措施对喘振进行控制，则转子同样会在压力的反复变化下，产生剧烈震动，可能会与机体发生碰撞，引发叶轮密封和轴承等零部件的损坏。

3增压透平膨胀机防喘振控制设计与应用措施

3.1压力控制法的应用

压力控制法是一种单参数控制方法，其基本原理具体如图1所示。

图1 增压透平膨胀机压力控制防喘振系统

以压力控制的防喘振保护系统中，主要包含设置在增压透平膨胀机增压端出口的压力控制器以及防喘振阀。通过设定，将增压透平膨胀机的运行转速控制在某个范围内，确保其运行压力能够远离喘振区，运行在设定压力下，如果增压透平膨胀机增压端出口压力超过设定压力，则防喘振阀PV401会打开一定的开度，控制增压透平膨胀机增压端出口压力保持在设定压力。而如果压力的波动剧烈，单纯依靠防喘振阀小开度的调节已经不能满足压力调节时，需要将增压端防喘振阀全开，确保设备能够快速远离喘振区。

3.2利用压差、流量双参数控制

压差、流量双参数防喘振保护控制方式更加先进、安全，这一点在增压透平膨胀机低转速运行和偏离设计点运行阶段表现得尤其明显。双参数控制系统包含流量测量系统、压差测量系统和控制系统，相应的控制系统具体如图2所示。

图2 增压透平膨胀机双参数控制防喘振系统

在膨胀机防喘振试验中测得一组增压端进出口压差（DP），增压端入口流量计压差（DP2）数据，在DP-DP2坐标图上的绘制出喘振线L₃（如图3），在DP2为2%处做一条喘振保护安全线L₂，再在DP2为8%处做一条控制线L₁。工作点在L₁线右侧则为安全，反之不安全。采用以下控制方法：如果工作点到达L₁线，防喘阀自动开大2%，当防喘阀开大以后，增压端流量增加，压差下降，即DP2增大，DP减小，工作点向右移动。如果2秒工作点未回到L₁线右侧的安全区，防喘阀再开大2%，直到工作点回到安全区。若工作点到达L₂时，则防喘阀自动全开。

图3 压差、流量双参数控制的喘振线

在正常工况之下，工作点控制在L₁的右侧，此时是安全的。但是，为节省能耗，减少能量损耗，工作点应接近L₁，即防喘阀FV401尽可能的关小。因此，操作人员要调整好防喘阀的开度，既要保证工作点在安全区域内，也要尽可能减少能量的损耗。当实际流量FIC401小于等于当前压差对应的L

₁的流量时，防喘阀FV401会自动在原有开度上增加2%开度。如果两秒后仍未回到L₁的右侧，则继续增加2%开度，直至工作点回到L₁的右侧。当实际流量FIC401小于等于当前压差对应的L₂的流量时，防喘阀FV401自动全开。

以上两种防喘振的方案足够满足增压透平膨胀机对防喘振的控制要求。采用压力单参数控制方案，控制系统简单，可靠性高，投资低，特别适用于固定转速增压透平膨胀机的控制，但是，在较低转速的工况下运行会裕度太大，造成浪费。如果增压透平膨胀机经常处于较低转速下运行，则可采用压差、流量双参数的控制方案，即使增压透平膨胀机在不同的转速下运行，也能控制在同一安全裕度下，避免浪费。

4结语

增压透平膨胀机防喘振控制并不同于离心增压机，因为其驱动装置是膨胀轮，与增压端同轴同转速，在实际中，增压透平膨胀机极少出现明显的低转速以及高增压比运行，总之，借助上文提到的两种防喘振控制方法，能取得比较理想的控制效果。

参考文献

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