喘振传感器 我用“PID控制”搞定美国航天局喷气式发动机压缩机的“喘振”

我用“PID控制”搞定美国航天局喷气式发动机压缩机的“喘振”

图片来源：CEChina

作者：Roman Bershader

　　先进的控制方法可以避免离心式和轴流式压缩机发生危险的喘振。利用标准调谐例程的应用更容易找到最佳PID设置，也更易于实现自适应控制。

　　航空业的快速发展始于上个世纪，它需要更强大、更经济的发动机，压缩机在其中发挥着重要作用。由于压缩机喘振可能会带来灾难性后果，因此人们一直非常重视预防喘振的发生。比例-积分-微分（PID）反馈控制器可以为此提供帮助。

　　美国国家航空航天局对喷气式发动机压缩机的研究，包括广泛的现场和风洞测试，然后在空气动力学实验的典型坐标系中进行数据分析，提供总压比与校正质量流量的压缩机图（如图1所示）。

▲图1 总压比与校正质量流量的压缩机图

　　总压力是静态压力和动态压力的总和。图1显示了一个假设的压缩机映射图，其中包括形状和斜率变化很大的恒速性能曲线：喘振和扼流线。垂直方向上的总压力与水平尺度上的校正质量流量之比，形成了用于比较压缩机原型的参考直角坐标系。

　　01 保持压缩机喘振裕度

　　为了评估与喘振线相关的压缩机运行风险，引入了一个被称为喘振裕度的参数，该参数是定量特征，用于定义位于同一性能曲线上的工作点和喘振点之间的距离。考虑到喷气发动机压缩机依靠空气运行，空气是一种恒定分子量的物质，校正后的质量流速与输入马赫数成比例，输入马赫数是一个无量纲量，其定义为速度除以该介质中的声速。该参数与气体力学中使用的标准类似，对于研究在特定马赫数及压缩比的影响下，无论其它变量如何变化，失速流型如何以相同方式表现至关重要。

　　对于在海平面运行的压缩机，如工业压缩机，静压可以超过动压两个数量级。对于这样的压缩机，静压比（Rc）更适合作为垂直标度。工业压缩机也经常使用差压传感器来测量流量。

　　无量纲不可测量（但可计算）值（∆P/P）的定义：特定类型流量计的压降∆P，除以流量计所在位置的静压，静压与马赫数的平方成正比。无量纲值（∆P/P）可用作压缩机图的水平刻度。然后，在静压与无量纲计算值（∆P/P）对比的坐标系和不稳定气流的边界中，喘振线与物质的分子量无关。这是假定在比热比变化不大的情况下运行的。

　　02 通过PID反馈控制器调节防喘振阀

　　根据定义，直角坐标系使用轴上的投影来定位相对于喘振和扼流线的工作点。这可将二维表示的压缩机运行，转换为可用于控制的一维过程变量PV。PID反馈控制器是最实用的，通常利用调节防喘振阀来防止喘振线交叉，或通过调节排放节流阀以防止阻塞线交叉来保护压缩机。

　　喘振保护和扼流保护PID控制器连续计算偏差值（ER），也就是所需设定值（SP%）和输入过程变量（PV%）之间的差值，以更新控制器输出。因此，喘振和扼流管线必须作为查表功能保存在压缩机控制系统中。然后，必须根据来自流量和压力传感器的输入信号来计算操作点（OP）的位置，最后确定PV。

　　对于几乎垂直的性能曲线，在直角坐标系中，可以将“喘振裕度”概念定义为纵轴上两点投影之间的距离：喘振点（从工作点到喘振线的垂直线的交点）和操作点。

　　对于更平坦的性能曲线，这是工业压缩机最常见的特征，“喘振裕度”的概念则被定义为：水平轴上两个点投影之间的距离：一个是操作点，第二个是喘振点（从工作点到喘振线的水平线的交点）。直角坐标系设定制了限制：用于确定位于同一性能曲线上的工作点和喘振点之间的实际距离。

　　03 安全阈值对应安全裕度

　　如图2所示，实际的喘振裕度不等于与喘振线之间的距离。然而，根据公式（1）或类似公式，通过计算PV来保护压缩机：

　　当沿性能曲线测量实际距离、喘振裕度时，公式（1）计算与直角坐标安全阈值相当的过程变量。因此，为了实现最大效率，必须以这样的方式选择安全阈值，使其对应于实际安全裕度。因此，直角坐标法不明确提供如何选择设定值，并且所选的固定设定值也可能不适合不同的性能曲线。

　　工业压缩机推荐的安全阈值约为10%，在给定压比下从喘振线到工作点的距离。从图2可以看出，所需的安全阈值SP应设置在10%以上，以对应于实际喘振裕度为10%的安全水平。至于高出10%的程度，在很大程度上取决于性能曲线的形状和斜率以及喘振线的斜率。

　　现有方法的缺陷尽管利用公式（1）或类似的方法可以成功保护压缩机，但它也有一些缺点。首先，是存储在压缩机控制系统中的工作点和喘振线之间的距离，不等于所指性能曲线上的两个点：工作点和喘振点之间的实际距离。

　　由于将更平坦的性能曲线投影到垂直轴上，或将几乎垂直的性能曲线投射到水平轴上（如图1所示），其变化范围可能非常窄，垂直坐标的微小变化就会导致水平坐标的巨大变化，反之亦然。

　　对最微小变化的敏感性可能会导致控制系统的不稳定。在这种情况下，只有通过降低PID控制器的速度才能实现系统的稳定，这会导致安全阈值的扩大，随后会出现不必要的再循环或吹扫。

　　另一个缺点是，如果需要增加流量来保护压缩机免受喘振的影响，则公式（1）中流量参数的增加是平方的（在其它类似算法中，例如，在压缩机控制公司的算法公式（2）中，与流量增加相关的参数是平方的，并放入分母中）。

　　这在PV和流速之间产生了非线性关系，使得难以调节PID控制器，该控制器在所有情况下都应防止喘振线交叉，并且较少依赖于额外的开环响应。

　　工厂自动化人员通常为PID控制器设置指定的SP，PID控制器根据工厂运行接收输入、计算PV并将输出发送到驱动器。如图1所示，压缩机映射图上工作点位置的可视化，并不能量化压缩机性能，压缩机性能受到喘振和扼流的限制。这使运行人员在必要时难以评估手动干预的风险。

　　04 使用角度而不是投影

　　当直角坐标系被极坐标系取代，使用角度而不是投影，可以在不同的坐标系中校正这些缺点。在二维极坐标系中，平面上的每个点都由距原点的距离和距参考方向的角度来定义。为了获得参考点——坐标原点，图2中需要将垂直坐标从Rc更改为（Rc-1），并将水平坐标从∆P/P更改为∆P/P的平方根，和马赫数Ma成比例，这与气体力学中的标准类似。美国11434917号专利中描述的新极坐标算法，提供了比任何其它已知方法更有效的喘振和扼流保护。

　　使用极坐标的第一种方法让人想起公式（2）中的假设，其中喘振线具有恒定值1，但在极坐标中，喘振线被假设具有恒定角度。为此，垂直坐标（Rc-1）应替换为函数（Rc-1），如图3所示。PV可以计算为百分比：

　　公式（1）、（2）和（3）的共同点是，计算过程变量，然后依据“最小流量”原则，根据喘振线测量选定的设定值，而不考虑压缩机的工作范围。可用压缩机容量由一组恒速性能曲线确定，最小流量点在左侧（喘振点），最大流量点（理想情况下为扼流点）在右侧。

　　05 优化性能曲线和安全裕度

　　压缩机运行可以通过沿性能曲线的最小或最大流量之间移动的工作点来描述，或者通过从某个假想原点测量的可变半径，从一条曲线移动到另一条曲线来描述（如图4所示）。

▲图3和图4：在左侧图3 ，使用极坐标的第一种方法让人想起公式（2）中的假设，其中喘振线的常数值为1，但在极坐标中，假定喘振线的角度恒定。为此，垂直坐标（Rc-1）应替换为函数 （Rc-1）。然后，在右侧图4中，沿性能曲线在最小或最大流量方向上的移动工作点，就可以描述压缩机的运行，也可以通过沿从某个假想原点测量可变半径，从一条曲线移动到另一条曲线来描述。

　　图4所示的方法是通过将直角坐标（Rc-1）与马赫数转换为极坐标获得的，前提是每个性能曲线的中心点到最小流量点和最大流量点的半径相等。因此，可以为工作点从最小流量到最大流量的移动范围内的每个半径计算PV：

　　从公式（4）中获得的过程变量PV，将压缩机映射转换为从0到100%的一维工作点偏移比例（图5所示），其中所标记的移动同时决定了工作点相对于喘振和扼流线的距离。只有这种保护压缩机的方法，才能扩展压缩机运行的整个范围，并可以根据压缩机的性能选择合适的安全裕量。

　　在全运行范围内，工作点向喘振极限或扼流极限移动的可视化和即时量化，增强了态势感知，使运行人员更容易了解潜在风险，并提高生产力和效率。

▲图5：公式（4）中的过程变量PV，将压缩机映射转换为从0到100%的一维工作点偏移量，其中标记的移动同时决定了工作点相对于喘振和扼流线的位置。以这种方式保护压缩机，允许在压缩机运行范围内进行缩放，并能为压缩机选择合适的安全裕度。

　　在工作运行图中，“高效区”是压缩机的最大效率区，在优化单个压缩机的性能时，该位置非常重要。串联和并联压缩机都运行在“高效区”附近，从而在它们之间分担负载，从而优化一组压缩机的效率。

　　06 更高精度和自适应控制

　　由于安全裕度不取决于压缩机性能曲线的斜率，与所有已知方法相比，极坐标中给出的方法在确定安全裕度方面具有更高的精度，并且会在整个过程工况范围内保持一致。

　　极坐标方法提供了更快的PID控制，允许压缩机在更宽的范围内使用，从而通过最小化再循环或吹扫来提高效率。

　　在这些方法中，过程变量几乎是线性的，这使得使用标准调谐例程更容易找到实现最佳喘振和扼流的PID设置，而标准调谐例程可以作为自动调谐的基础，从而更容易实现自适应控制。

　　极坐标方法旨在通过更新软件和图形用户界面来实现一种新的现代控制策略，同时保持输入/输出（I/O）信号的完整性，而无需升级硬件和通信。

　　关键概念：

　　■ 了解如何使用标准调谐例程优化PID设置，将其作为自动调谐的基础，更容易实现自适应控制。

　　■ 一种使用角度而非投影的新型坐标系统提供了比其他已知方法更有效的喘振和阻塞防护。

　　思考一下：

　　PID应用的运行裕度对您的先进过程控制有何帮助？

离心式压缩机喘振发生的机理、原因及预防措施！

一、喘振发生的机理

当离心式压缩机的操作工况发生变动并偏离设计工况时，如果气体流量减少则进入叶轮或扩压器流道的气流方向就会发生变化。

当流量减少到一定程度，由于叶轮的连续旋转和气流的连续性，使这种边界层分离现象扩大到整个流道，而且由于气流分离沿着叶轮旋转的反方向扩展，从而使叶道中形成气流漩涡，再从叶轮外圆折回到叶轮内圆，此现象称为气流旋离，又称旋转失速。发生旋转脱离时叶道中的气流通不过去，级的压力也突然下降，排气管内较高压力的气体便倒流回级里来。瞬间，倒流回级中的气体就补充了级流量的不足，使叶轮又恢复了正常工作，从而从新把倒流回来的气体压出去。这样又使级中流量减少，于是压力又突然下降，级后的压力气体又倒流回级中来，如此周而复始，在系统中产生了周期性的气体振荡现象，这种现象称为“喘振”。

二、喘振发生的原因

1、流量

图1 不同转速下出口压力与流量的关系

每台离心式压缩机在不同转速n下都对应着一条出口压力P与流量Q之间的曲线，如图1所示。

随着流量的减少，压缩机的出口压力逐渐增大，当达到该转速下最大出口压力时，机组进入喘振区,压缩机出口压力开始减小，流量也随之减小，压缩机发生喘振。从曲线上看，流量减小是发生喘振的根本原因，在实际生产中尽量避免压缩机在小流量的工况下运行。

2、气体相对分子质量

图2 不同相对分子质量时的性能

离心压缩机在相同转速、不同相对分子质量下恒压进行的曲线，从曲线中可以看出，在恒压运行条件下，当相对分子质量M=20的气体发生喘振时，相对分子质量为M=25和M=28的气体运行点还远离喘振区。因此，在恒压运行工况下，相对分子质量越小，越容易发生喘振。

3、入口压力

图3 不同入口压力时的性能

压缩机的入口压力P1>P2>P3，在压缩机恒压的运行工况下，入口压力越低，压缩机越容易发生喘振，这也是入口过滤器压差增大时，要及时更换滤网的原因。

4、入口温度

图4 不同入口温度时的性能

恒压恒转速下进行的离心式压缩机在不同入口气体温度时的进行曲线，从曲线上可以看出在恒压运行工况下，气体入口温度越高，越容易发生喘振。因此，对同一台离心式压缩机来说，夏季比冬季更容易发生喘振。

5、转速

透平式驱动的压缩机，往往根据外界不同流量要求而运行在不同转速下，从图1可以知道，在外界用气量一定的情况下，转速越高，越容易发生喘振。

综上所述，出现喘振的根本原因是压缩机的流量过小，小于压缩机的最小流量（或者说由于压缩机的背压高于其最高排压）导致机内出现严重的气体旋转分离；外因则是管网的压力高于压缩机所提供的排压，造成气体倒流，并产生大幅度的气流脉动。

三、喘振的预防措施

1、压力调节

压缩机在高于设定压力的条件下工作时，可通过进口节流的方式维持出口压力，或打开防喘振调节阀将部分压力放空；也可加装旁通管，采用旁通回流的方法，使排出压力保持在设定的压力下，使其流量维持在所限定的最低流量之内。

2、变频器调速

压缩机在开始运行时，负荷最大，传感器把所测量的数据传至PLC(可编程控制器)，PLC经过运算输出运行频率到变频器，控制变频器，随着压缩机的运行，PLC根据压差与流量的降低发出信号，控制变频器降低电源频率，从而降低了运行中压缩机的转速，避免了压缩机的喘振，并减少了不必要的能量损失。

3、合理控制防喘振安全裕度

根据离心压缩机性能曲线，在喘振线右侧采用了一条防喘振线作为防喘振调节器的给定值曲线，它与喘振线之间的这的区域是压缩机的安全边界，称为安全裕度。它是在一定工作转速下，正常流量与该转速下喘振流量之比值。当压缩机工作点到达防喘振线时，防喘振调节阀打开，以使工作点右移进入安全区，从而避免喘振的发生。

4、设置报警仪表

在离心压缩机的进口安装流量监视仪表，出口安装压力监视仪表，一旦压缩机已接近喘振工况区时能及时发出报警，以提前采取措施，防患于未然。

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