丙烯制冷壓縮機防喘振和石墻控制的探討

郭飛虎，徐鵬，褚學文

(沈陽鼓風機集團有限公司，遼寧 沈陽 110869)

在乙烯裝置中會采用乙烯和丙烯制冷壓縮機為深冷分離流程提供不同溫度等級所需的制冷量，同時丙烯和乙烯制冷壓縮機組成復疊制冷系統(tǒng)，以獲得更低等級的制冷溫度。丙烯壓縮機所提供的制冷量大部分用于乙烯塔乙烯精餾以及乙烯冷劑的冷凝，因此丙烯壓縮機的控制方案合理對乙烯壓縮機以及整個乙烯裝置的平穩(wěn)運行有著非常關鍵的影響。

本文從乙烯裝置的丙烯制冷壓縮機的控制方案出發(fā)，對壓縮機防喘振和石墻控制方案的優(yōu)缺點進行比較分析，著重就石墻控制的原理和控制邏輯進行了探討。

1 丙烯制冷壓縮機原始控制方案

1.1 壓縮機參數(shù)及工藝流程

某順序分離流程用丙烯制冷壓縮機為單缸3段壓縮，1段和2段壓縮機出口均設置有側流抽氣。丙烯制冷壓縮機分別給裂解氣干燥、脫丙烷塔冷凝、甲烷冷卻以及乙烯冷凝提供冷量，同時為乙/丙烷汽化器、甲烷汽提塔再沸器和乙烯汽化器提供熱量。丙烯制冷壓縮機的主要設計參數(shù)見表1所列。

表1 丙烯制冷壓縮機主要設計參數(shù)

丙烯制冷壓縮機的工藝流程如圖1所示。丙烯制冷壓縮機最終出口氣相介質(zhì)進抽氣預冷器E-1601經(jīng)水冷卻后冷凝為丙烯液態(tài)冷劑，然后進丙烯液相儲罐D(zhuǎn)-1600。儲罐出口液相丙烯進冷箱E-1321換熱后，一部分進壓縮機2段入口分離罐D(zhuǎn)-1602，另一部分分別給裂解氣干燥、脫丙烷塔冷凝以及甲烷冷卻提供制冷量。經(jīng)換熱后的這部分氣態(tài)丙烯進壓縮機2段D-1602罐。D-1602罐底液相丙烯一部分去乙烯塔再沸器E-1622提供熱量，另一部分進冷箱E-1322換熱。E-1322出口的丙烯一部分進壓縮機1段入口分離罐D(zhuǎn)-1601，另一部分進乙烯冷凝器E-1624換熱，吸收熱量后的這部分氣體與來自乙烯塔冷凝器E-1623的氣相丙烯混合進入D-1601罐。在D-1601罐中氣液分離后的氣相進入丙烯制冷壓縮機1段壓縮。經(jīng)壓縮后的一部分氣體抽出經(jīng)抽氣預冷器E-1603冷卻后去E-1622和E-1623提供熱量，換熱后進入D-1601罐，壓縮機1段抽出后剩余氣體進2段壓縮。丙烯壓縮機2段壓縮后的一部分氣體抽出經(jīng)抽氣預冷器E-1602冷卻后給乙/丙烷汽化器和甲烷汽提塔再沸器提供熱量，換熱后的液相丙烯進入D-1602罐，壓縮機2段抽出后剩余氣體進壓縮機3段壓縮。

圖1 丙烯制冷壓縮機工藝流程示意

1.2 原控制方案

根據(jù)丙烯制冷壓縮機防喘振的需要，原工藝流程分別設置2個防喘振控制回路和2個石墻控制回路：

1)防喘振控制回路。壓縮機3段出口氣相經(jīng)防喘振閥FV-1601進壓縮機1段D-1601，作為壓縮機1段的防喘振控制回路。為防止壓縮機1段入口超溫，在D-1601罐頂設置液相丙烯激冷線，用于控制進入壓縮機1段的丙烯介質(zhì)溫度。FV-1601閥的開度由1段吸入罐頂去壓縮機1段入口的流量、溫度和壓力，以及壓縮機1段后抽氣的壓力和溫度信號控制。

壓縮機3段出口氣相經(jīng)防喘振閥FV-1602進壓縮機2段D-1602，作為壓縮機2段的防喘振控制回路。為防止壓縮機2段入口超溫，在D-1602罐頂設置液相丙烯激冷線，用于控制進入壓縮機2段的丙烯介質(zhì)溫度。FV-1602閥由壓縮機1段后抽氣的壓力和溫度、壓縮機2段后抽氣的壓力和溫度，以及壓縮機1段入口流量與壓縮機1段后抽氣流量的差值進行運算控制。

2)石墻控制。壓縮機1段后抽氣旁路氣相經(jīng)石墻閥FV-1611進壓縮機1段D-1601罐，作為壓縮機2段的石墻控制回路。FV-1611閥由壓縮機1段后抽氣的壓力和溫度、壓縮機2段后抽氣的壓力和溫度，以及壓縮機1段入口流量與壓縮機1段后抽氣流量的差值進行運算控制。

壓縮機2段后抽氣旁路氣相經(jīng)石墻閥FV-1612進壓縮機2段D-1602罐，作為壓縮機3段的石墻控制回路。FV-1612閥由壓縮機2段后抽氣的壓力、溫度，以及壓縮機3段出口壓力、溫度和流量信號控制。

1.3 存在的問題

當前丙烯制冷流程采用壓縮機逐段抽氣設計、壓縮機各段流量逐漸降低的方式。從工藝運行的角度考慮，如果保證壓縮機1段不發(fā)生喘振、則壓縮機2段和3段發(fā)生喘振的機率非常小，所以原始設計并未設置單獨的壓縮機第3段防喘振控制。

另外，壓縮機3段出口返D-1602罐作為壓縮機2段的防喘振保護。但該回路流程較長： 氣體進D-1602罐后需經(jīng)過冷箱、乙烯塔后才能返回D-1601罐，然后進入壓縮機1段再進入壓縮機2段入口。當壓縮機2段有喘振風險時，該回路設置是否能及時、有效保護壓縮機值得討論。

鑒于以上問題，有必要對該丙烯壓縮機的控制進一步討論。

2 建議措施

對以上問題分析，仍維持原4個控制回路不做調(diào)整，但對部分控制給出建議措施。

2.1 FV-1601防喘振控制回路

壓縮機3段出口氣相經(jīng)FV-1601閥返回D-1601罐，同時負責壓縮機1段和2段的防喘振： 壓縮機1段和2段防喘振2個控制器同時比較做低選控制，2個控制回路達到設定的低值都可觸發(fā)FV-1601閥的開啟。其中，壓縮機1段的防喘振功能與原設計完全一致，而對于壓縮機2段的防喘振回路，原始設計為壓縮機3段出口經(jīng)FV-1602閥返D-1602罐，建議修改為壓縮機3段出口經(jīng)FV-1602閥返D-1601罐。這樣壓縮機1段出口氣體經(jīng)部分抽氣后直接進入2段壓縮，相對于原設計流程更短、更有利于壓縮機2段的防喘振保護。

修改后的問題： 由于該制冷壓縮機流程為逐段抽氣設置，2段質(zhì)量流量為1段的77%，3段質(zhì)量流量為1段的39%(3段出口流量僅為2段入口流量的51%)。此時僅設置壓縮機3段出口返D-1601罐的回流量是否能滿足壓縮機1段和2段防喘振的需要，仍需要再討論。

針對以上問題，建議該防喘振回路的控制邏輯設定為： 當壓縮機1段或2段流量減小、有發(fā)生喘振的風險時，首先應開啟FV-1601閥；當FV-1601閥全開后回流量仍不滿足壓縮機1段或2段防喘振流量需要時，就需要開啟FV-1611閥或FV-1612閥，分別彌補壓縮機1段和2段的防喘振流量。

將FV-1611閥和FV-1612閥回路作為備用的原因在于壓縮機1段抽氣返回壓縮機1段入口和壓縮機2段抽氣返回壓縮機1段入口這兩個回路的開啟會導致丙烯壓縮機1段和2段抽氣下游乙烯塔等工藝的波動，影響裝置的正常運行。因此在壓縮機防喘振可控的前提下應盡量避免上述FV-1611閥和FV-1612閥控制回路的開啟。而當FV-1601閥全開、仍無法避免壓縮機喘振時就只能采用備用方案、優(yōu)先保護壓縮機的運行，否則一旦壓縮機發(fā)生喘振導致機組停機，下游的工藝乃至整個裝置也無法正常運行。

2.2 FV-1602防喘振控制回路

壓縮機3段出口氣相經(jīng)FV-1602閥返回D-1602罐修改為3段出口氣相返2段后抽氣(E-1602前)，負責壓縮機3段的防喘振控制。修改后的丙烯制冷壓縮機工藝流程如圖2所示。

圖2 修改后的丙烯制冷壓縮機工藝流程示意

當壓縮機3段有發(fā)生喘振的風險時，通過3段的防喘振信號開啟FV-1602閥，增加了壓縮機2段出口的整體流量?；亓髟黾拥牧髁繌浹a了2段出口抽氣的流量： 相當于壓縮機2段出口抽氣量的減小而實際去下游工藝的氣量并未變更。由于壓縮機2段出口抽氣量的減小從而使壓縮機3段入口的流量得到補償，避免了壓縮機3段發(fā)生喘振。

基于壓縮機防喘振回路的功能，防喘振回路上、下游應盡量接近壓縮機的進口、排氣管口，同時應減少中間設備以避免沿程的流動損失，從而迅速有效地緩解壓縮機喘振。因此，上述壓縮機3段出口至2段出口抽氣的設置是最直接有效避免壓縮機3段發(fā)生喘振的方案。因此，根據(jù)上述需要調(diào)整了原FV-1602防喘振回路管線的走向和設計。

2.3 石墻控制回路

壓縮機1段出口抽氣經(jīng)FV-1611閥返D-1601罐負責壓縮機2段石墻控制，同時負責壓縮機1段防喘振控制。壓縮機2段出口抽氣經(jīng)FV-1612閥返D-1601罐負責壓縮機3段石墻控制，同時負責壓縮機2段防喘振控制。以上2個回路的石墻設置與原方案完全一致，僅分別增加了當前段的防喘振功能。

壓縮機1段抽氣返回壓縮機1段入口回路上的FV-1611閥同時具備壓縮機2段石墻控制和壓縮機1段防喘振的功能： 閥門控制器同時接收壓縮機1段防喘振信號和壓縮機2段石墻信號的控制，任何一個信號觸及控制器，該閥門均開啟。同樣的原理壓縮機2段抽氣返回壓縮機1段入口回路上的FV-1612閥同時具備壓縮機3段石墻和壓縮機2段防喘振的功能。

如2.1節(jié)中所述，該制冷壓縮機逐段抽氣、各段流量逐漸降低，因此壓縮機3段出口至D-1601罐的壓縮機3段出口返回壓縮機1段入口的防喘振回路流量不可能滿足壓縮機1段和2段防喘振的需要，因此需要增加其他的防喘振回路(或功能)來補充。故增加的壓縮機1段抽氣返回壓縮機1段入口和壓縮機2段抽氣返回壓縮機1段入口2個回路的防喘振功能既能彌補壓縮機3段出口返回壓縮機1段入口防喘振回路的流量不足，同時還能避免2，3段發(fā)生石墻的可能。

通常壓縮機某段發(fā)生石墻而導致石墻線開啟的根本原因是壓縮機抽氣段下游工藝已經(jīng)出現(xiàn)了較大的波動，此時首先應保證壓縮機運行的安全而不能單獨考慮工藝的運行。

在整個乙烯裝置開車初期、丙烯制冷壓縮機沒有運行時，壓縮機1，2段出口抽氣下游的工藝流程如乙烯精餾塔和乙烯制冷工藝等并未投入運行，因此壓縮機1段抽氣返回壓縮機1段入口和壓縮機2段抽氣返回壓縮機1段入口的2個閥FV-1611，F(xiàn)V-1612均需全部開啟，以滿足壓縮機2，3段開車階段的需要，否則2，3段會因為流量滯止發(fā)生石墻(此為石墻閥的作用之一)。但如果開車階段石墻閥開度不合理，又會導致石墻線返回量過大、導致壓縮機段入口流量增加過大而升速困難。因此，在壓縮機開車階段應根據(jù)實際的工藝需求和壓縮機轉(zhuǎn)速-流量的匹配去調(diào)整石墻閥的開度。只有當壓縮機抽氣段下游工藝運行穩(wěn)定后，F(xiàn)V-1611和FV-1612閥才為常閉狀態(tài)。而當下游工藝與設計預期有較大偏離或壓縮機停機時，需要根據(jù)工藝和壓縮機的運行狀態(tài)來確定FV-1611和FV-1612閥是否開啟。

3 石墻控制總結

為便于理解離心壓縮機的石墻現(xiàn)象，以下對石墻的原理和控制進行討論。

3.1 石墻原理

離心壓縮機石墻也叫做堵塞或阻塞，是壓縮機一種異常的運行狀況。當壓縮機出口管網(wǎng)系統(tǒng)背壓降低，壓縮機的出口壓力高于管網(wǎng)系統(tǒng)背壓、壓縮機的工作點會向大流量方向(性能曲線的右側)移動，壓縮機預期性能曲線如圖3所示。由于壓縮機的入口流量增加，使壓縮機出口壓力有下降的趨勢，因此當壓縮機出口壓力與管網(wǎng)系統(tǒng)背壓達到新的平衡時，壓縮機就穩(wěn)定地工作在這個狀態(tài)下。而如果壓縮機出口管網(wǎng)系統(tǒng)背壓持續(xù)降低，壓縮機的入口流量就會一直增加，當壓縮機入口流量達到當前段某級葉輪所能吸入的最大流量時，葉輪流道內(nèi)的氣流速度會急劇增加、在壓縮機當前段某級葉輪流道通流截面的最小處就會達到當?shù)芈曀佟ＭǔＧ闆r下氣體的流動速度是不會超過當?shù)芈曀俚?，因此壓縮機的入口流量不可能再增加，壓縮機就會發(fā)生堵塞現(xiàn)象，從而導致壓縮機的壓力急劇下降。

圖3 離心壓縮機的預期性能曲線示意

與喘振類似，離心壓縮機發(fā)生石墻也會對機組造成損壞。如果壓縮機在阻塞點長時間運行，壓縮機與管網(wǎng)系統(tǒng)會達到一種往復變化的不穩(wěn)定狀態(tài)： 壓縮機的工作點會一直在堵塞-正常-堵塞之間徘徊，壓縮機的軸向力會發(fā)生循環(huán)往復的變化，從而有壓縮機轉(zhuǎn)-定子的掛碰導致壓縮機轉(zhuǎn)子損壞的風險。

為防止壓縮機阻塞或石墻發(fā)生，就需要避免壓縮機在大流量狀態(tài)下運行。與防喘振控制完全相反，避免石墻就需要提升壓縮機進出口的壓比或降低壓縮機的入口流量。

3.2 石墻控制

為了分析壓縮機的石墻控制，建立以下簡單模型： 某2段壓縮的壓縮機的1段出口抽氣去下游工藝；在抽氣管線上游設置石墻閥及控制回路，負責壓縮機1段的防喘振和壓縮機2段的石墻控制。帶中間側流抽氣的壓縮機流程如圖4所示。

圖4 帶中間側流抽氣的壓縮機流程示意

壓縮機在開機轉(zhuǎn)速提升的過程中，石墻閥為開啟狀態(tài)。當機組運行穩(wěn)定后，石墻閥為關閉狀態(tài)。如果壓縮機下游負荷增加、工藝所需的抽氣量加大時，只能通過調(diào)整壓縮機的轉(zhuǎn)速以增加壓縮機吸入能力來滿足后續(xù)工藝需要。

如果壓縮機1段在較小的流量狀態(tài)下運行，當壓縮機1段出口下游工藝調(diào)整、抽氣量需求增加時，會有壓縮機2段入口流量不足而發(fā)生喘振、而1段發(fā)生石墻的可能。此時應關閉石墻閥開度，相當于增加了1段的出口背壓、彌補了壓縮機2段的入口流量。

如果壓縮機1段以較大流量狀態(tài)運行，當壓縮機1段出口下游工藝調(diào)整、抽氣量需求減小時，會有壓縮機1段出口壓力憋壓而發(fā)生喘振、壓縮機2段入口流量增加而發(fā)生石墻的可能。此時應打開壓縮機1段出口抽氣至1段入口的石墻控制回路閥門，對壓縮機1段抽氣管線進行泄壓操作，降低壓縮機1段的進出口壓比從而緩解喘振、同時增加2段的壓比避免石墻的發(fā)生。因此，石墻閥開啟后若壓縮機選型通流能力合理，只要壓縮機1段不發(fā)生喘振，就能避免壓縮機2段發(fā)生石墻現(xiàn)象。

作為石墻閥，其最大通流能力可按照壓縮機在額定操作工況的最大抽氣量考慮，同時應考慮壓縮機開車階段、低壓狀態(tài)下壓縮機下游沒有抽氣時的全回流狀態(tài)下的流通能力。其正常狀態(tài)下的通流量可按照壓縮機正常操作工況的抽氣量與壓縮機2段正常工作點流量與壓縮機2段石墻狀態(tài)時壓縮機入口最大流量(性能曲線最右側點)之間的差值來考慮。在壓縮機2段達到預期堵塞控制流量之前石墻閥可以不用開啟，隨著壓縮機2段入口流量進一步增加達到預期堵塞的控制流量時，則必須開啟該閥門。這與壓縮機2段實際運行工作點和堵塞點之間的流量域度有關，也就是上面提及的開啟石墻閥之前“壓縮機2段有發(fā)生石墻的可能”但并非一定會發(fā)生的原因。

4 結 論

通過對帶抽氣制冷丙烯壓縮機防喘振和石墻控制方案的討論，修改了原設計方案，并著重對壓縮機的石墻控制進行了討論：

1)對于帶有抽氣的壓縮機，抽氣下游回路即可承擔抽氣段前壓縮機的防喘振功能，同時承擔抽氣段后壓縮機的石墻功能。

2)對于有抽氣的壓縮機，石墻閥還承擔工藝開車的作用。所以，在壓縮機升速、開車以及停車過程，石墻閥必須開啟。

3)升速、開車以及停車過程，石墻閥的具體開度與抽氣流量和抽氣段上游段的入口流量有關。應根據(jù)不同的工藝和壓縮機各段流量來判斷，無法統(tǒng)一。

4)按照壓縮機額定操作工況的最大抽氣量作為石墻閥的通流能力來校核，閥門有足夠的流通余量。