基于进气噪声特性的压缩机喘振监控系统和监控方法与流程

1.本发明涉及压缩机技术领域，尤其是基于进气噪声特性的压缩机喘振监控系统和监控方法。


背景技术：

2.现代压缩机内部流动现象复杂，失速和喘振是压缩机受工况变化等因素影响运行在小流量时发生的严重失稳现象，常伴随着剧烈的气流参数波动和结构部件振动，并可导致机组严重故障和停车。失速和喘振后果的严重性，已成为限制压缩机宽工况高效率运行的核心问题之一。先进的压缩机系统普遍具有宽工况高性能运行的实际需求，为确保长周期稳定运行、最大限度避开失速或喘振工况，有效可靠的喘振预警及防喘控制方法是必须关注的重点。
3.压缩机运行的噪声来源于气动噪声和结构噪声，其中压缩机内流场引起的气动噪声是噪声的主要来源，特别对于中高转速压缩机，较高的气流速度和进口局部超音使内流场的湍流运动更为强烈，气动噪声占比更大。实际运行中因现场噪声声源复杂，常规的管口噪声测试难以有效分离出气动噪声，而测量管内噪声可以更有效地剔除结构噪声。
4.目前，压缩机的喘振预警和防喘控制普遍基于进排气压力和流量数据的监测，当进排气压力脉动出现大幅低频成分或流量小于阈值时，启动防喘放空阀实现退喘。由于现场杂波干扰，实际中压力出现显著低频脉动成分时压缩机往往已进入深度喘振，而流量阈值设定偏高时往往导致虚警，现有方法对及时发现喘振先兆、实现喘振早期预警和防喘控制的效果欠佳。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于进气噪声特性的压缩机喘振监控系统，能够及时发现喘振先兆，实现喘振的早期预警。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，包括：
7.基于进气噪声特性的压缩机喘振监控系统，压缩机的输入管路上沿输入方向依次设有流量计、进气噪声测试管道；所述进气噪声测试管道的壁面上设有用于采集声压数据的传声器阵列；
8.系统还包括：信号采集模块、终端控制单元；所述信号采集模块的接收端分别与流量计、传声器阵列相连，分别获取压缩机的流量、声压数据；所述信号采集模块的输出端与终端控制单元相连，将压缩机的流量、声压数据发送给终端控制单元；所述终端控制单元用于根据压缩机的流量、声压数据进行喘振监测。
9.优选的，所述压缩机与电机相连；所述压缩机的输入管路上沿输入方向在流量计的前端还设有进气压力变送器；所述压缩机的输出管路上沿输出方向依次设有排气压力变送器、调节阀；
10.所述信号采集模块的接收端还分别与进气压力变送器、排气压力变送器相连，分
别获取压缩机的进气压力、排气压力，并将压缩机的进气压力、排气压力发送给终端控制单元；所述终端控制单元与电机和调节阀相连，通过控制电机的转速和调节阀的开度进行退喘控制。
11.优选的，所述压缩机的输入管路上沿输入方向在进气压力变送器的前端还设有节流阀；所述终端控制单元与相连，用于控制节流阀的开度。
12.优选的，所述传声器阵列包括若干个传声器，此若干个传声器沿圆周向平齐安装于所述进气噪声测试管道的内壁面，沿周向等角度环形布置；所述传声器阵列与压缩机进口的轴向距离大于3倍管道内直径。
13.优选的，所述传声器阵列的传声器数量范围为30～40个。
14.优选的，所述排气压力变送器与压缩机出口的距离大于5倍管道内直径。
15.优选的，喘振监测包括以下步骤：
16.s11，压缩机在设定的工况参数下运行，工况参数包括：转速n、流量m；
17.s12，流量计实时采集压缩机的流量m(t)，传声器阵列实时采集压缩机的声压时域数据p(t)，信号采集模块实时获取压缩机的流量m(t)、声压时域数据p(t)，并发送给终端控制单元；
18.s13，终端控制单元对声压时域数据p(t)进行频域变换，得到声压频谱p(f)；其中，t表示时间，f表示频率，p表示声压值；
19.s14，终端控制单元根据压缩机的流量m(t)和声压频谱p(f)进行喘振判断，
20.若流量m(t)大于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，则压缩机处于稳定的运行状态；
21.若流量m(t)小于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，且声压频谱p(f)在低频段的声压值的波动未超过设定波动阈值，则压缩机处于临界稳定的运行状态；其中，低频段是指频率f《δf
rot
的频段，f
rot
为压缩机转频，δ为小于1的比例因子；
22.若流量m(t)小于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，且声压频谱p(f)在低频段的声压值增加且超过设定声压阈值，则判定压缩机进入喘振工况。
23.优选的，退喘控制包括以下步骤：
24.s21，压缩机在设定的工况参数下运行，工况参数包括：转速n、进气压力pi、排气压力pd、流量m、压比ε＝pd/pi；
25.s22，进气压力变送器实时采集压缩机的进气压力pi(t)，流量计实时采集压缩机的流量m(t)，传声器阵列实时采集压缩机的声压时域数据p(t)，排气压力变送器实时采集压缩机的排气压力pd(t)，信号采集模块实时获取压缩机的进气压力pi(t)、流量m(t)、声压时域数据p(t)、排气压力pd(t)，并发送给终端控制单元；
26.s23，终端控制单元对声压时域数据p(t)进行频域变换，得到声压频谱p(f)；t表示时间，f表示频率，p表示声压值；
27.s24，终端控制单元根据压缩机的流量m(t)和声压频谱p(f)进行喘振判断，
28.若流量m(t)大于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，则压缩机处于稳定的运行状态；
29.若流量m(t)小于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，且声压频谱p(f)在低频段的声压值的波动未超过设定波动阈值，则压缩机处于临界稳定的运行状态；
30.其中，低频段是指频率f《δf
rot
的频段，f
rot
为压缩机转频，δ为小于1的比例因子；
31.若流量m(t)小于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，且声压频谱p(f)在低频段的声压值增加且超过设定声压阈值，则判定压缩机进入喘振工况，记录压缩机由临界稳定的运行状态进入喘振工况时的喘振流量m
cr
、喘振进气压力p
icr
、喘振排气压力p
dcr
、喘振压比ε
cr
＝p
dcr
/p
icr
；
32.s24，若压缩机处于稳定或临界稳定的运行状态，则终端控制单元10无控制信号输出，即不对电机的转速和调节阀的开度进行控制；
33.若压缩机进入喘振工况，且流量下降的速度d(m(t)/m
cr
)/dt高于压比下降速度d(ε(t)/ε
cr
)/dt，则终端控制单元发出控制信号，降低电机的转速，直至流量大于相应转速特性曲线的设定阈值；
34.其中，ε(t)＝pd(t)/pi(t)；
35.若压缩机进入喘振工况，且流量下降的速度d(m(t)/m
cr
)/dt低于压比下降速度d(ε(t)/ε
cr
)/dt，则终端控制单元发出控制信号，增大调节阀的开度，直至流量大于相应转速特性曲线的设定阈值；
36.若压缩机进入喘振工况，且流量下降的速度d(m(t)/m
cr
)/d等于压比下降速度d(ε(t)/ε
cr
)/dt，则终端控制单元发出降低电机的转速和增大调节阀的开度中任意一种控制信号，再进一步根据流量下降的速度d(m(t)/m
cr
)/d与压比下降速度d(ε(t)/ε
cr
)/dt的大小关系，发出对应的控制信号，直至流量大于相应转速特性曲线的设定阈值。
37.优选的，终端控制单元通过控制节流阀和调节阀的开度，以及电机的转速，使压缩机在设定的工况参数下运行，工况参数包括：转速n、进气压力pi、排气压力pd、流量m、压比ε＝pd/pi。
38.本发明的优点在于：
39.(1)本发明的基于进气噪声特性的压缩机喘振监控系统，通过监测进气管道噪声的声压数据，及时准确识别喘振时的声压特性变化，有利于实现压缩机喘振工况的早期预警。
40.(2)本发明在进气管道的壁面布置传声器阵列，测量管内噪声特性，可有效剔除现场结构噪声的影响；传声器与管道内壁平齐安装，不对压缩机流场产生干扰，实现了非侵入式测量；多个传声器沿周向等角度布置，环形阵列的测量方式可有效剔除杂波信号，准确识别喘振前不同频段声压变化的先兆特征，实现喘振早期预警。
41.(3)本发明在压缩机前方安装进气噪声测试管道，管壁上布置传声器阵列的轴向位置和孔数可根据声压测量精度要求和信号采集声学模块的通道情况做出调整，相对于直接在压缩机的机匣进口安装传声器阵列，本发明所述的进气噪声测试管道无需改造压缩机的本体结构，对传声器阵列方案的调整更易于实现。
42.(4)本发明的排气压力变送器位于所述压缩机出口下游个管道内直径以上，有利于上游流场的充分掺混，减少压力测量的高频噪声。
43.(5)本发明的基于进气噪声特性的压缩机喘振监控系统，通过测量压缩机进气管道噪声的声压特性进行喘振预警，并根据喘振发生时流量和压比下降速度的比较结果决定退喘控制策略，预警时刻更早且退喘更迅速，无需增加其它运算逻辑，控制决策非常可靠，退喘过程更为迅速，系统易于实现，方法简便可靠。
附图说明
44.图1为本发明的喘振监控系统原理图。
45.图2为本发明的压缩机结构示意图；
46.图3为本发明的压缩机剖面示意图；
47.图4为本发明的传声器阵列示意图；
48.图5为本发明的喘振工况和临界稳定运行工况的声压频谱图。
49.图6为进入喘振工况的声压时域图。
50.图7为进入喘振工况的进气压力时域图。
51.图8为基于本发明方法和常规方法退出喘振工况的进气压力时域对比图。
52.图中标号与各部件对应关系如下：
53.1-节流阀；2-进气压力变送器；3-流量计；4-传声器阵列；5-压缩机；6-变频电机；7-排气压力变送器；8-调节阀；9-信号采集模块；10-终端控制单元；41-进气噪声测试管道。
具体实施方式
54.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
55.由图1所示，本发明的一种基于进气噪声特性的压缩机喘振监控系统，包括压缩机5；所述压缩机5的输入管路上沿输入方向依次安装节流阀1、进气压力变送器2、流量计3和进气噪声测试管道41，所述进气噪声测试管道41的壁面上安装传声器阵列4；所述压缩机5的输出管道上沿输入方向依次安装排气压力变送器7和调节阀8；所述压缩机5与变频电机6相连。喘振监控系统还包括信号采集模块9和终端控制单元10；所述信号采集模块9的接收端与所述进气压力变送器2、流量计3、传声器阵列4、排气压力变送器7相连，获取压缩机5的进气压力、流量、声压数据、排气压力；所述信号采集模块9的输出端与终端控制单元10相连，将压缩机5的进气压力、流量、声压数据、排气压力发送给终端控制单元10；所述终端控制单元10与所述节流阀1、变频电机6和调节阀8相连，用于控制节流阀1和调节阀8的开度，以及变频电机6的转速。
56.由图2、3、4所示，所述传声器阵列4包括若干个传声器，此若干个传声器沿圆周向平齐安装于所述进气噪声测试管道41的内壁面，沿周向等角度环形布置；本实施例中，传声器阵列4的传声器数量范围为30～40个。所述传声器阵列4与所述压缩机5进口的轴向距离3个管道内直径以上，即传声器阵列4与压缩机5进口的轴向距离大于3倍管道内直径。本发明采用环形传声器阵列测量多点声压信号进行处理，有利于剔除杂波干扰，在压缩机5前方安装进气噪声测试管道41，避免了直接在压缩机5机匣上开传声器孔，便于传声器阵列形式、传声器数目和轴向位置的调整。
57.本发明中，对此若干个传声器所采集的声压数据利用现有技术进行去噪处理、异常剔除处理，并利用现有技术的相关数据处理方法，如取平均值方法，最终可精确得到压缩机5的声压数据。
58.所述排气压力变送器7位于所述压缩机出口下游5个管道内直径以上，即排气压力
变送器7与压缩机5出口的距离大于5倍管道内直径，有利于上游流场的充分掺混，减少压力测量的高频噪声。
59.本发明提出的基于进气噪声特性的压缩机喘振监控系统，通过监测进气管道噪声的声压数据，及时准确识别喘振时的声压特性变化，有利于实现压缩机5喘振工况的早期预警。
60.本发明的喘振监测方法，包括以下步骤：
61.s11，终端控制单元10通过控制节流阀1和调节阀8的开度，以及电机6的转速，改变压缩机5的流量、进气压力和转速，调节流量的同时排气压力也相应变化，使压缩机5在设定的工况参数下运行，工况参数包括：转速n、进气压力pi、排气压力pd、流量m、压比ε＝pd/pi；
62.s12，压缩机5在设定的工况参数下运行，流量计3实时采集压缩机5的流量m(t)，传声器阵列4实时采集压缩机5的声压时域数据p(t)，信号采集模块9实时获取获取压缩机5的流量m(t)、声压时域数据p(t)，并发送给终端控制单元10；
63.s13，终端控制单元10对声压时域数据p(t)进行频域变换，得到声压频谱p(f)；其中，t表示时间，f表示频率，p表示声压值；
64.s14，终端控制单元10根据压缩机5的流量m(t)和声压频谱p(f)进行喘振判断，
65.若流量m(t)大于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，则压缩机5处于稳定的运行状态；其中，每个转速均对应有转速特性曲线，每个转速特性曲线对应有设定的阈值m
thr
；相应转速特性曲线是指：当前运行转速所对应的转速特性曲线；
66.若流量m(t)小于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，且声压频谱p(f)在低频段的声压值的波动未超过设定波动阈值，则压缩机5处于临界稳定的运行状态；其中，低频段是指频率f《δf
rot
的频段，f
rot
为压缩机转频，f
rot
＝n
rot
/60，n
rot
为压缩机转速；δ为小于1的比例因子，本实施例中，δ＝0.2；
67.若流量m(t)小于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，且声压频谱p(f)在低频段的声压值增加且超过设定声压阈值，则判定压缩机5进入喘振工况。可以通过声压值的增加倍数进行判断，若声压值的增加倍数超过设定倍数，则判定压缩机5进入喘振工况。
68.本发明通过测量压缩机进气管道噪声的声压特性进行喘振预警，根据喘振发生时流量和压比下降速度的比较结果决定退喘控制策略，预警时刻更早且退喘更迅速，系统易于实现，方法简便可靠。
69.本发明的退喘控制，包括以下步骤：
70.s21，终端控制单元10通过控制节流阀1和调节阀8的开度，以及电机6的转速，改变压缩机5的流量、进气压力和转速，调节流量的同时排气压力也相应变化，使压缩机5在设定的工况参数下运行，工况参数包括：转速n、进气压力pi、排气压力pd、流量m、压比ε＝pd/pi；
71.s22，压缩机5在设定的工况参数下运行，进气压力变送器2实时采集压缩机5的进气压力pi(t)，流量计3实时采集压缩机5的流量m(t)，传声器阵列4实时采集压缩机5的声压时域数据p(t)，排气压力变送器7实时采集压缩机5的排气压力pd(t)，信号采集模块9实时获取压缩机5的进气压力pi(t)、流量m(t)、声压时域数据p(t)、排气压力pd(t)，并发送给终端控制单元10；
72.s23，终端控制单元10对声压时域数据p(t)进行频域变换，得到声压频谱p(f)；t表示时间，f表示频率，p表示声压值；
73.s24，终端控制单元10根据压缩机5的流量m(t)和声压频谱p(f)进行喘振判断，
74.若流量m(t)大于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，则压缩机5处于稳定的运行状态；其中，每个转速均对应有转速特性曲线，每个转速特性曲线对应有设定的阈值m
thr
；相应转速特性曲线是指：当前运行转速所对应的转速特性曲线；
75.若流量m(t)小于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，且声压频谱p(f)在低频段的声压值的波动未超过设定波动阈值，则压缩机5处于临界稳定的运行状态；其中，低频段是指频率f《δf
rot
的频段，f
rot
为压缩机转频，f
rot
＝n
rot
/60，n
rot
为压缩机转速；δ为小于1的比例因子，本实施例中，δ＝0.2；
76.若流量m(t)小于相应转速特性曲线的设定阈值m
thr
，且声压频谱p(f)在低频段的声压值增加且超过设定声压阈值，则判定压缩机5进入喘振工况，记录压缩机5由临界稳定的运行状态进入喘振工况时的喘振流量m
cr
、喘振进气压力p
icr
、喘振排气压力p
dcr
、喘振压比ε
cr
＝p
dcr
/p
icr
；
77.s25，若压缩机5处于稳定或临界稳定的运行状态，则终端控制单元10无控制信号输出，即不对电机6的转速和调节阀8的开度进行控制；
78.若压缩机5进入喘振工况，且流量下降的速度d(m(t)/m
cr
)/dt高于压比下降速度d(ε(t)/ε
cr
)/dt，则终端控制单元10发出控制信号，降低电机6的转速，直至流量大于相应转速特性曲线的设定阈值；
79.其中，ε(t)＝pd(t)/pi(t)；
80.若压缩机5进入喘振工况，且流量下降的速度d(m(t)/m
cr
)/dt低于压比下降速度d(ε(t)/ε
cr
)/dt，则终端控制单元10发出控制信号，增大调节阀8的开度，直至流量大于相应转速特性曲线的设定阈值。
81.若压缩机5进入喘振工况，且流量下降的速度d(m(t)/m
cr
)/d等于压比下降速度d(ε(t)/ε
cr
)/dt，则终端控制单元10发出降低电机6的转速和增大调节阀8的开度中任意一种控制信号，再进一步根据流量下降的速度d(m(t)/m
cr
)/d与压比下降速度d(ε(t)/ε
cr
)/dt的大小关系，发出对应的控制信号，直至流量大于相应转速特性曲线的设定阈值。
82.实施例
83.利用本发明提出的基于进气噪声特性的压缩机喘振监控系统和监控方法，对某压缩机的喘振进行监测，逐渐关小调节阀8，自进入临界稳定运行状态起计时，监测到压缩机进入喘振的时刻在1.1秒附近，如图6所示。若采用常规的利用进气压力进行喘振监测，监测到压缩机在1.9秒以后进入喘振，如图7所示。因此，本发明的基于进气噪声特性的压缩机喘振监控系统，通过监测进气管道噪声的声压数据，及时准确识别喘振时的声压特性变化，有利于实现压缩机喘振工况的早期预警。
84.利用本发明提出的基于进气噪声特性的压缩机喘振监控系统和监控方法，进入喘振工况时，计算流量下降速度d(m(t)/m
cr
)/dt为0.53，压比下降速度d(ε(t)/ε
cr
)/dt为0.47，判断流量下降的速度d(m(t)/m
cr
)/dt高于压比下降速度d(ε(t)/ε
cr
)/dt，终端控制单元10发出退喘控制信号，降低电机6的转速，直至流量大于相应转速特性曲线的设定阈值，自终端控制单元10发出退喘控制信号起计时，如图8所示，本发明降低电机6的转速约0.7秒后，压缩机实现完全退喘，然而，采用常规的打开调节阀8方式需约1.3秒实现完全退喘。因此，本发明根据喘振发生时流量和压比下降速度的比较结果决定退喘控制策略，退喘更迅
速，无需增加其它运算逻辑，控制决策可靠，退喘过程更为迅速，方法简便可靠。
85.以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。