离心式压缩机系统的喘振控制动态分析

压缩机可靠性直接受喘振控制器、管道系统、阀门、循环管线和冷却器之间相互作用的影响。设计不合理的喘振控制系统，会导致多重喘振事件，增加人员安全和压缩机重大损坏的风险。

该研究的目的是评估正常运行和瞬态条件，建议优化的控制策略，包括循环运行和部件。

应在进行新压缩机项目、现有系统改造项目、以及需要判断现有系统的喘振风险时，进行该项目。 

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1 背景

离心式压缩机在喘振事件中损坏

ESD喘振事件（压缩机在喘振时的不稳定性）

离心式压缩机系统可以发生几种瞬态事件；在启动、正常运行、紧急停机（ESD），或快速停止时。若系统设计不合理，这些瞬态事件会引起压缩机喘振。喘振控制设计研究评价系统动态行为，并给出建议，避免运行或可靠性问题。 

在喘振发生时，离心式压缩机和附近的系统组件（比如管道、配件、阀门以及旋转设备等）产生相互作用。

流体惯性和压缩机/驱动转子惯性可能稳定或干扰系统动态响应。压缩机工况特点也会对系统动态行为起重要作用。

并且，离心式压缩机设备周围的循环系统，是设备运行的关键组件。其对启动、停止、喘振保护以及流量控制（放空能力）也起作用。这些操作是瞬态的，所有相关的气体流、设备、以及控制的动态参数，都对系统稳定性、性能和安全性有重要影响。

该研究，包含了瞬态建模，是设计一个新的（或改造已有）压缩机系统应该考虑的分析。

2 影响喘振控制设计因素

在ESD时，压缩机是否会有潜在喘振取决于循环阀门的特性，比如最大容量，流量和开启延迟（例如，阀门开始间隔时间，电磁偶出、以及阀杆运动的启动——通常被称作“前冲程”延迟），阀门的运动时间（比如阀门从开启状态运动至关闭状态的时间——通常被称为“冲程”时间）。

除此之外，压缩机ESD信号时机、燃料气体切断信号时机、燃料气体多支管尺寸（针对燃气涡轮驱动）、传动系统惯性以及压缩机在接近喘振点时的空气动态特性，都会给结果带来影响。

最后，在压缩系统中的其他元素，其燃气和设备动力之间的相互作用，比如检查阀、释放阀、放空系统，也十分重要，需要调查。这就需要机械应力分析、热力学分析以及吸入阀和旁路阀设计。

3 需要动力研究的应用

动态分析适用于低惯性系统（包括压缩机/驱动综合转子系统）。这些压缩机通常被电动马达或气体涡轮机驱动，用于传输、收集和注入管道。离心式压缩机应用于工业中，包括蒸汽涡轮机设备，通常具有高惯性，更不易于出现喘振问题。 

4 动态模拟分析的范围

该动态研究范围包含以下几个步骤：

1. ​​循环系统。评估压缩机轮路径与循环系统流量的关系。确认系统稳定运行时的机型尺寸/容量（充足性）。建模包含压缩机、管道系统以及阀门特性。
2. 启动过程。评估系统启动序列，评价排气温度与时间。
3. 正常关闭过程。评估正常关闭过程，评价阀门关闭序列、时间，速率，以及驱动缓降（涡轮机、电动机、发动机，等等）。
4. 缓时瞬态分析。为缓时瞬态事件中的压缩机喘振控制提供独立检查，比如吸入阀或排除阀的偶然关闭（比如意外停机）。
5. 瞬间瞬态分析。由于ESD快速停止或停电，需要在剧烈动态环境下，评估整个系统和循环系统的有效性。
6. 评估设备间的相互作用（若多台压缩机以串联或并联方式共用燃气或站点管道）。
7. 根据业主或工程顾问的要求，评估其他“异常”情况。

分析结果包括控制逻辑的更改建议、循环策略以及其他参数，并报告在异常条件以及整个运行范围下的喘振控制特性。

该研究可以在FEED阶段执行，或在细节化设计的初级阶段。这样可以提供充足时间来评审设计，提供改造建议。 

5 北塔经验和代表性案例

该服务由Kamal Botros博士领导，他是北塔的资深顾问。Botros博士是全球著名的喘振控制设计和分析权威，并专攻复杂系统的瞬态流问题，包括离心式压缩机的喘振现象、压力释放系统动态特性、两相分层流体的瞬态流、管线中不同内容物的接触面混合问题、流体结构相互作用以及在热交换器中流体引发的振动问题。Botros博士在各大刊物上发表了超过170篇学术论文，并参与重要会议。代表性案例包括：

• 主管线系统中，有17个压缩机的机站的动态分析。
• TransCanada管道系统中，有5个压缩机机站的循环系统的动态分析。
• 燃气处理机器的动态分析，包括LP、IP、Hp以及一系列的注气压缩系统。
• 在某分流器中，对焦化装置的湿天然气、硫化氢(H2S)富气的六级离心式压缩机进行动态分析。
• 高水头离心式压缩机和冷却循环系统的动态不平衡，导致压缩机和检查阀颈的损坏。
• 对太阳能C-306，6叶轮3.5压力比压缩机喘振保护系统进行了动态分析。
• 结合太阳能泰坦T130S气体发生器和太阳能C652压缩机，对三个站点进行了动态分析
• 对电厂凝汽器系统的泵系统进行了动态分析。
• 为某热交换器管道破裂，将高压闪蒸流排入低压冲液管壁的过程进行动态分析。
• 为两条并联的蒸发天然气凝析液的过热器向烯烃裂化炉进料的过程，进行动态非稳定性分析。
• 为集气电池的释放系统进行动态分析，包括两台压缩机，两个脱水设备和一个入口分离器。

6 CENTRAN，动态解决方案专业软件

北塔所使用的动态模拟工具叫做CENTRAN。该动态模型工具由Kamal Botros博士在亲历二十载的实践和理论调查基础上发展而来。CENTRAN已经过现场数据和理论实验的证实。

该算法基于气体流量（包括能量方程）的全控制一维运动方程的特征解法。CENTRAN是分析大量的瞬态和不稳定状态问题的有效工具。

CENTRAN与其他商用模拟软件有显著不同。其他商用软件的限制之处，在于只考虑时间梯度的动态模拟（比如暂时），使用常微分方程描述的动态系统（ODE）。严谨性逊于偏微分方程（PDE）。其被称为“集总参数”的方法，即提供一个分布模型的合理近似解。这种方法，不适合处理涉及循环系统的压缩动态分析，以及压缩机出现的喘振现象分析。

在压缩机组管道段周围的空间梯度是及其重要的，因为它们决定了压力、流量以及热扰动从一个点到另一个点的时间。

从该现象发展而来的模型（CENTRAN），是基于整个PDE的解决方案，并且它是基于分布参数的模型，没有忽略空间梯度的模型。 

7 相关信息

• 离心式压缩机系统的喘振控制分析（英文, PDF）
• A New Approach to Designing Centrifugal Compressor Surge Control Systems (英文, PDF)
• 气体压缩机站中，确定过载保护系统的有效性的三种方法的应用（ASME, 英文） 
• 离心式压缩机的喘振控制系统的GMRC应用标准（GMRC, 英文） 
• 更多详情：管线的泵和压缩机系统：实践性方法，BOTROS 博士（ASME出版社，2008, 英文）

8 相关服务

• 流激紊动（FIV）分析
• 声激振动（AIV）分析
• 管道应力分析 

9 关键词

• 离心式压缩机振动
• 燃气系统的瞬态建模
• 离心式压缩机的喘振控制 

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