轴流风机防喘振分析及基于SLPC的防喘振控制系统设计

　　检测与控制装置化工自动化及仪，2005轴流风机防喘振分析及基于，防喘振控制系统设计王再英西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安710054用于机后放风静叶调节和转速调节的防喘振控制系统。控制系统结构简单功能可靠实用成本低，得到广泛应用。

　　1引言风机鼓风机压缩机是常用的通用机械设备之，在石油化工生物医药环保冶金电力等行业占有重要地位。轴流风机由于其流量大结构紧凑效率高调节方便等特点，在炼油厂催化装置空分装置以及冶金高炉装置电厂锅炉机组等系统中得到广泛应用。喘振是轴流风机的固有特性。

　　旦喘振发生，风机系统将处于不安全的工作状态，甚至严重损坏机体。对于轴流风机，喘振所带来的危害更为严重；尤其是高压轴流风机，如果发生喘振，可能在短时间毁坏设备而造成重大损失，因此严禁在喘振的工况下运行。为了防止轴流风机在工作中发生喘振，必须配置可靠的防喘振控制系统。

　　2轴流风机喘振分析转速与静叶角度不变时，轴流风机的性能曲线压小，风机向管网输送的气流量大压力小，且气流还不能立即充满管网，此时通过管网的流量及其压力均小于风机的送风流量和送风压力。随着风机继续运行，管网中的风压逐渐上升，风机流量逐渐减小，终在风机性能曲线与管网阻力特性曲线1的交汇点4达到稳定状态。在4点，风机压力送风流量与管网阻力流量达到平衡，4点就是该风机系统运行的实际工况点。在风机性能曲线压力高点1〃管网阻力减少增加时，工况点偏离4点，工况点移到40，并在新的工况点稳定运行。对这种情况可作如下解释管网性能曲线由变为工1〃时，管网的阻力下降上升，导致流量增加减少。风机送风压力要与管网压力维持平衡，故风机送风流量沿性能曲线增加减少，送风压力下降上升，风机性能曲线与管网的阻力特性曲线1z工在，点相交风机系统在新的工况点44达到平衡。风机系统运行时，总是存在着各种小扰动，如气流不均匀流量的微小变化等，这些小扰动都可能使系统工作点偏离平衡工况点。如果小扰动过后，系统仍能回到原来的工况点或到达新工况点，则系统的运行工况是稳定的。管网阻力特性曲线变化时，只要工况点沿着风机性能曲线在高点的右下部即压力上升则流量下降的性能曲线部分变化，风机系统的工况总是稳定的。

　　管网阻力特性曲线的关系及其变化若管网阻力突然大幅度增加，管网的阻力特性曲线由1变为，使系统理论工况点越过压力高点落在左边的点风机性能曲线与管网阻力特性曲线的交点。这时风机系统的工况点是不稳定的，风机及管网的流量和压力将出现激烈的脉动，并引起设备与系统的剧烈振动，这种现象就称为喘振。发生喘振时，风机系统不可能在6定的运行，对这种情况可作如下解释在1中，当管网的阻力特性曲线由1变为时，风机送风压力上升，工作点沿着风机性能曲线到达高点小而随着风机送风压力增加大于前时刻管网的压力，风机送风量逐渐增加，且大于管网的出风量，使管网的压力进步增加，导致管网压力大于风机送风压力，风机无法向管网送风风机仍在旋转，反而使管网中的气流向风机倒流风机短时间工作在负风量区，户轴风口和出风口排出，管网压力很快下降。当管网压力低于风机送风压力时，风机重新向管网送风，使管网压力再次上升。如果管网的阻力特性仍是保持不变，则系统又会重复上述循环，周而复始，整个系统无法工作在理论工况点。风机送风压力忽高忽低，流量时正时负；相应地，管网中的气压也是忽高忽低，流量忽大忽小，从而导致风机系统喘振。在喘振发生时，激烈的流量压力脉动，使系统运行极不稳定，并引发强烈的机械振动，甚至导致设备的损坏。高压轴流风机压缩机若发生喘振，可能在短时间毁坏设备而造成重大损失，因此严禁系统在喘振工况下运行。从上面的分析可知，对于确定的风机性能曲线都存在个临界点，风机流量低于临界流量，风机系统就要发生喘振。5点就是风机性能上发生喘振的临界点。

　　转速恒定条件下，静叶调节角度运行时的喘振线与稳定区的性能曲线2中的实线。在转速恒定条件下，轴流风机不同的静叶角度对应不同点，将这些喘振临界点连接起来形成的曲线称为喘振线；喘振线将轴流风机的工作特性划分为喘振区喘振线的左上部和稳定工作区喘振线的右下部。在静叶角度不变的条件下，轴流风机不同的转速也有不同的性能曲线，每条性能曲线同样存在个喘振临界点，将这些喘振临界点连接起来也形成条喘振线，这条喘振线也将轴流风机的工作特性划分为喘振区喘振线的左上部和稳定工作区喘振线的右下部。风机变速运行时的喘振线与稳定区的性能曲线2中的虚线〃为轴流风机额定转速。防喘振控制的目的就是采用可靠有效的控制措施，保证风机系统的工况点始终位于稳定工作区在实际系统中还要考虑风机叶片的阻塞和风机旋转失效等问，本文只讨论喘振问，避免风机系统发生喘振不能正常工作和造成设备的损毁。

　　恒定虚线时的性能曲线与喘振线3轴流风机防喘振原理在风机的实际运行中，为了适应生产工艺过程负荷风量的变化，改变风机系统工况点以满足负荷的需要是不可避免的，而改变后的理论工况点有可能位于喘振区，风机系统无法正常工作。另外，风机的性能曲线或系统管网的阻力特性自身也可能会发生变化，例如管网的意外阻塞，使1中的管网特性突然由曲线1变为曲线时，风机系统的理论工况点由原先的稳定工况点4移到理论工况点位于喘振区。无论什么原因使工况点进入喘振区都会引起风机系统发生喘振，轻则影响正常生产，严重时会造成系统设备的损坏。因此，必须采取可靠措施，将风机系统的实际工况点始终控制在稳定工作区，防止喘振发生。

　　防止喘振发生，就是防止风机系统的工况点越过喘振线进入喘振区。对1风机性能曲线进行分析可以发现，对于给定的条性能曲线，若风机理论工作点的流量小于临界点的流量就会发生喘振。如果设法使风机系统的流量始终大于临界流量，就可以避免发生喘振。通过对2中风机性能曲线的进步分析可以发现寸于个较小的流量在些性能曲线上的理论工况点可能进入喘振区，而在另条性能曲线上则可能位于稳定工作区2中等流量线与不同性能曲线的交点可能在稳定工作区，也可能在喘振区。如果通过选择合适的性能曲线吏对应给定小流量的工况点始终在稳定工作区，也可以避免发生喘振。以上结论就是防喘振控制系统的设计依据。

　　由于喘振线的理论计算和设计喘振线的检测很难做到非常准确，为了保证定的安全系数，在理论喘振线的基础上，增加定的喘振裕度，即在理论喘振线之前预先给出条防喘振线，1.将工况点控制在防喘振线所限制的稳定工作区，方面保证喘振控制有定的安全系数，另方面也可避免由于理论喘振线存在偏差或性能曲线变化临界点偏移等因素使防喘振系统失效而导致轴流风机发生喘振的潜在危险。下面讨论几种常用的防喘振原理。

　　31机后放风法防喘振原理在轴流风机转速和静叶角度恒定时常采用的机后放风防喘系统的组成原理3.当生产工艺要求的流量接近或小于喘振临界点的流量时，为了保证风机的流量大于并远尚而振临界点的流量而稳定运行，可在风机后送风口的风管上设置放风阀，在工艺要求流量心接近或小于喘振临界流量，的基础上，通过放风阀增加放风流量，使风机的总流量=+队，风机系统的工况点位于稳定工作区，防止在小流量时轴流风机发生喘振。放风流量可按以下原则确定轴流风机风机总流量产工艺用气量，防喘振M放风阀放风量么工艺气流只有流量要求而没有压力要求。

　　在工艺流量心观，服，时，则取。

　　队；放风阀开启定角度，增加放风量。在工艺风阀关闭。

　　工艺气流不但有流量要求而且对压力也有要求。

　　应按4，通过等压线，在稳定工作区找出对应的工作点4，即可确定恒压送风时相应的放风32轴流风机静叶角度调节法和转速调节法防喘振原理通过2可以发现，个比较小的工作流量在不同的性能曲线不同的性能曲线对应于风机不同稳定工作区，也可能在喘振区。如果对于不同的工作流量需求，通过调节轴流风机静叶角度或轴流风机的转速，选择合适的风机性能曲线使对应的工作流量在所选的性能曲线上的工况点位于稳定区，通过轴流风机的静叶调节或转速调节进行性能曲线调整，确保实际工况点在稳定工作区，实现轴流风机的防喘振控制。

　　4基于单回路可编程调节器的防喘振控制系统近几年来的实践证明，基于单回路可编程调节器81的防喘振控制系统是实现轴流风机防喘振比较成功的方案。现在已有数套控制系统投入使用，取得了良好的效果。

　　41机后放风防喘振控制系统基于8的轴流风机机后放风防喘振控制系统组成原理5.

　　原理与静叶度度调节防喘振控制系统原理注温度变送器；风流量变送器；压力变送器；控制模式控制模式2；外部控制设定通过软件编程，控制系统完成以下功能，实现轴流风机的防喘振控制由于轴流风机性能曲线受温度影响比较大，温度升高时喘振线会前移。通过温度传感器检测送风温度。对温度的变化进1校正补防。消除由此引起的轴流风机喘振线的变化。保证安个裕度不降低。在送风温度变化较小或特性曲线对温度变化不太灵敏时，可不必进行温度检测和校正补偿。

　　2通过8凡的折线函数变换逼近防喘振1线，般3的10段折线函数对防喘振曲线的逼近粘度可满足实际控制的要求。

　　总的控制原则当风机工况点接近到达或越过喘振线时。调节器输出控制，厂小调节放风的开度。将工况点移到稳定工作区域1况点本分已位于稳定工作区域则放风阀关闭。

　　在实际控制系统设计中，根据工况点的位置及其变化妇势。汕过8的选择控制功能551模块实现种控制模式的选择与转换在工况点位于稳定工作区域变化速度比较小或者远离喘振区时，调节器选择常规控制01模式防风阀开度基本稳定缓慢关小或完全关闭，的7较大。

　　在工况点趋近喘振线且移动速度比较快时，调节器选择快开控制0附2模式按预置值将放风阀开至预定开度。如果工况点移动速度减小，则进行，的抑7较小控制如果工况点停止或回移，返回常规控制01模式；测，选择外部控制1模式。

　　当工况点快速趋向防喘振线并接近防喘振线时。选择外部控制了模式，将放风阀全开。若工况点到达或越过喘振线，则报警。

　　这防喘振控制系统结构简单实用，附加设备少投资较小。但其缺点将阴加的风量向外排放，造成能源浪费。若气体介质是有害气体，不允许向大气排放，这时可将放风管引到进风管道，将放风再送到进风口，其防喘振控制系统与前面讨论的相同。

　　42静叶角度调节与转速调节防喘振控制系统基于3的静叶角度调节防喘振控制系统原理与轴流风机机后放风防喘振控制系统原理相似。检测与调节部分不变，将机后放风防喘振控制系统中的放风阀去掉，增加风机静叶角度调节机构，度调节机构实现风机静叶角度调节。

　　在机后放风防喘振控制系统是通过调节放风量，确保风机给定性能曲线上的工作点始终在稳定工作区，防止轴流风机发生喘振。而静叶角度调节防喘振控制系统则是通过调节风机静叶角度。调整轴流风机的性能曲线，将工况点控制在稳定工作区，防止喘振发生。

　　相对于机后放风防喘振控制系统。静叶怕度调节防喘振控制系统没有风量的浪费，有利于节能。

　　但风机机械结构较为复杂是其缺点。

　　静叶角度调节防喘振找制系统的功能要求与机后放风防喘振控制系统相同，软件编程也基本类似。

　　将静叶角度调节换成转速调节，就可构成转速调节防喘振控制系统流程。其调节原理与静叶角度调节完全相似，这里不再赘述。由于转速调节防喘振控制系统需要增加调速设备，投资大调节速度慢是其缺点。

　　5结束语瑞振是风机的固有特性，对于轴流风机，喘振所带来的危害更为严重。因此，在轴流风机的运行中定要防止喘振的发生。为了保证轴流风机安全运行，必须配置可靠的防喘振控制系统。在基于孓0生的机理和可能出现的情况。充分利8提供数量少，功能全面可靠，投资少。现在己有多套控制系统安装使用，运行良好。