离心压缩机防喘振控制阀选型研究

中图分类号：TH452

0 引言

在某外资企业项目，项目占地面积 83353m2，总投资 74.32 亿元人民币。有两套进口工艺气离心压缩机组（日本神钢制造，电机功率12450 kW）的防喘振控制阀选型在合同技术澄清阶段未明确全开时间、流量系数等关键参数，制造商仅推荐采用 20 英寸阀门。后期业主依据同类旧机组紧急停车振动数据（转速 临界转速 3200 rpm），推断振动异常源于停车时发生短暂喘振，并怀疑旧阀选型不当 防喘振阀 型合理性。经过综合研究，20 英寸需变更至 24 英寸阀门，增加费用 100 余万元，延期交货 3 个月，对项目成本及进度控制造成很大 。本文研究总结防喘振控制阀选型关键要求，为今后压缩机组前期技术澄清提供参考。

表1 新旧装置防喘振控制阀参数对比

1 防喘振控制系统的简介

离心压缩机典型的防喘振控制系统主要由防喘振控制器、喘振监测系统和防喘振控制阀三部分构成。

（1）防喘振控制器通过实时采集进口压力、进口温度及流量等过程变量，依据内置防喘振控制算法，识别压缩机运行点与预设防喘振控制线或喘振线的接近程度。如判断运行点临近喘振区，则通过 PID 控制输出信号动态调节防喘振控制阀开度，增加循环流量，确保压缩机始终处于稳定工作区间。

（2）喘振监测系统依据出口压力、进口温度与流量等信号，基于特定算法计算喘振疑似指数（系统中自定义的喘振判断逻辑，并非实际喘振事件）。当该指数超过设定阈值频次，系统即判定存在喘振风险，触发防喘振阀开启以降低出口压力，避免喘振发生。该系统通常作为控制器的冗余保护机制，在控制器失效时提供后备防护。

（3）防喘振控制阀作为系统最终执行元件，接收控制信号后快速开启，将出口管路气体泄放或回流，从而提升压缩机入口流量，使运行点远离喘振控制线。其选型性能直接决定防喘振控制系统的响应速度、调节精度与运行可靠性，是保障压缩机组及装置稳定运行的关键环节。

2 防喘振控制阀的选型研究

在离心压缩机防喘振控制系统中，防喘振控制阀的核心设计目标可归纳为 ：在压缩机运行逼近喘振工况时能够迅速开启，通过增加循环流量有效抑制喘振发生；在稳定运行工况 来的能量损耗；并在接收到控制指令后具备快速动态响应能力，通常在数秒内完成规定开度动作。 因此 在压缩机组采购合同的技术澄清前期，除明确常规技术要求（如阀体材质、结构形式及执行机构类型）之外，还需重点就以下方面与压缩机制造厂进行详细论证与确认：

（1）控制阀尺寸（主要指定 Cv 值，从而确定阀门尺寸）；

（2）控制阀流量特性（如：线性、等百分比、快开特性等）；

（3）控制阀操作时间（定位器的正常打开，电磁阀失电的紧急打开）；

（4）控制阀管路布置要求（进出口直管段，压缩机出口管路到控制阀的容积）；

2.1 控制阀设计尺寸研究

控制阀的尺寸主要基于流量系数Cv 的计算值。Cv 值是衡量阀门流通能力的一个重要参数，它表示在特定条件下，阀门打开时通过阀门的流量与压降之间的关系。它的定义和计算在阀门选型和设计中至关重要。不同厂家对 Cv 计算取值都有各自要求，本文研究总结相关要求如下（符号说明见图 1）：

图 1 离心压缩机系统及其性能符号说明

I617(美国石油协会标准)规定基于额定点（见图 1,即 Qsrated）计算 Cv 值，取1.3 倍 Cv 值作阀门选（2）美国 CCC 公司（防喘振控制器制造商）规定基于工况-1（见图 1 运行点 1,即Qsmxs）计算 Cv，取 1.8-2.2 倍 C

者基于工况-2（见图1 运行点 2,即Qsmax）计算Cv，取 0.9-1.1 倍 Cv 值作阀门选型；（3）法国施耐德（防喘振控制器制造商）规定基于喘振控制线（见图1 加粗黑实线）计算到的最大Cv 值，取 1.5 -2.0 倍Cv 值作阀门

选型；

（4）德国西门子（压缩机制造商）规定基于喘振控制线（见图 1 加粗黑实线）计算到的最大Cv 值，取 1.8-2.2 倍 Cv 值作阀门选型（似于施耐德的方法）；

（5）德国曼透平（压缩机制造商）规定基于喘振控制线（见图 1 加粗黑实线）计算到的最大Cv 值，取 1.8-2.0 倍 Cv 值作阀门选型（类似于施耐德的方法）；

（6）日本神钢（压缩机制造商）规定基于额定点（见图 1,即 Qsrated）计算到的 Cv 值，取 1.2 倍 Cv 值（7）日本日立（压缩机制造商）规定基于工况-3

（见图1 运行点3，即 Qsmin）和工况-4（见图1 运行点4，即 Qsmns）计算Cv（取大），取 2 倍Cv 值作阀门选型。2.2 控制阀流量特性、操作时间、管道布置

控制阀的流量特性需根据实际工况需求、控制精度、调节比及系统稳定性等因素综合选定。阀门的行程时间直接决定了其动态响应速度，是确保控制系统及时动作的关键性能指标。优化的管道配置有助于降低噪声与振动，保障阀门运行平稳，并可显著缩短阀门开启时的系统泄压时间。针对防喘振控制系统这一特定应用，基于对各主要制造商技术规范的总结，防喘振控制阀需满足以下要求（其中，出口管路容积定义为压缩机出口至出口止回阀与防喘振阀之间的管道容积）：

（1）API617 规定控制阀流量特性为线性，操作时间仅规定由电磁阀控制打开为1-2 秒内，仅要求出口管路容积小于压缩机出口额定流量(m3/s)x1s；（2）美国CCC 公司规定控制阀流量特性为线性，

操作时间不但规定由电磁阀控制打开为 2 秒内，而且规定由定位器控制打开为 5 秒内，仅要求出口管路容积小于压缩机出口额定流量(m3/s)x1s；2）过国施计销规定控制润流

作时间不但规定由电磁阀控制打开为 1-2 秒内，而且规定由定位器控制打开为 5 秒内，仅要求出口管路容积小于压缩机出口额定流量(m3/s)x1s；

作时间不但规定由电磁阀控制打开为2 秒内，而且规定由定位器控制打开为 5 秒内，不但要求出口管路容积小于压缩机出口额定流量(m3/s)x1.5s，而且要求进、出口管道的直管段分别为 5 倍和 3 倍的管道直径；

（5）德国曼透平规定控制阀流量特性为线性，操

作时间不但规定由电磁阀控制打开为2 秒内，而且规定由定位器控制打开为5 秒内，不但要求出口管路容积小于压缩机出口额定流量(m3/s)x1.5s，而且要求进、出口管道的直管段分别为 5 倍和 3 倍的管道直径；

（6）日本神钢规定控制阀流量特性为线性，操作时间不但规定由电磁阀控制打开为 2 秒内，而且规定由定位器控制打开为5 秒内，不但要求出口管路容积

小于压缩机出口额定流量(m3/s)x1.5s，而且要求进、出口管道的直管段分别为 5 倍和 2 倍的管道直径；

（7）日本日立规定控制阀流量特性为线性，操作时间不但规定由电磁阀控制打开为 1 秒内，而且规定由定位器控制打开为2 秒内但要求出口管路容积

小于压缩机出口额定流量(m3/s)x1s，而且要求进、出口管道的直管段分别为 4 倍和 2 倍的管道直径。3 防喘振控制阀的选型案例

在前文所述的外资项目中，防喘振控制阀由 20 英寸变更为 24 英寸，系经压缩机制造商重新选型后所确定。为向业主论证24 英寸阀门能够满足新装置压缩机的防喘振控制要求，依据第二章所汇总的选型规范与方法，专门编制了计算表（见表2）。该表以本项目压缩机实际参数作为输入条件，并基于保守原则取计算最大值，最终确定的阀门口径与制造商重新选型结果完全一致，充分验证了其合理性。

表 2 防喘振控制阀Cv 值计算

Cv 计算输入（符号说明见图 1）：

选型值 (以美国CCC 公司、法国施耐德和日本日立

注 1：不同阀门类型，不同阀门厂家，有不同的 Cv 值定义,上述是基于梅索尼兰 41005 系列的控制阀定义的阀门尺寸。

针对旧装置压缩机在紧急停机过程中可能进入喘振区的问题，业主坚持要求通过动态模拟验证新选 24 英寸阀门在紧急停机工况下能否有效避免喘振。

经与制造商澄清，正式动态模拟需额外费用 25 万元， 分析周期为 个半月，将严重延误阀门交货。鉴于喘振区内压缩机性能具有不确定性，操作点变化难以精确模拟，动态分析在 造商 ，既往项目动态报告曾预测停机会喘振，但实际运行中并未发生，反映出该工况下喘振识别的复杂性 基于 机喘振机理、性能曲线及轴系转动惯量等，自主开发简化动态模拟计算工具，用于分析紧急停机过程中运行点在性能曲线上的变化趋势，初步判断喘振风险。该建议最终获业主接受。

分析结果表明，若防喘振阀能在1 秒内实现电磁阀控制的全关至全开，紧急停机过程中运行点可避免进入喘振控制线（图 2）；若动作时间延长至 2 秒，则进入喘振控制线存在喘振风险（图 3）。因此，最终变更方案不仅将阀门尺寸由 20 英寸增至 24 英寸，同时将电磁阀快开时间由 2 秒缩短至1 秒。该结果显著增强了业主对选型方案的认可，有力推动了项目进展。

图2 紧急停车工况离心压缩机运行点动态模拟图(1 秒)图3 紧急停车工况离心压缩机运行点动态模拟图(2 秒)

4 结语

近年来，国内外资投资的石油化工装置日益呈现高度集成化与工艺路线复杂化的趋势。为提高装置全生命周期内的运行效益，确保如大型工艺压缩机组等关键设备的稳定运行，已成为保障整体装置安全与效率的核心环节。防喘振控制阀作为离心压缩机系统的关键安全设备，其选型需全面覆盖各类运行工况，包括最小与最大流量状态、启动、紧急停机及出口阀故障关闭等，以有效预防喘振发生。

本文系统梳理了防喘振控制阀流量系数 Cv 的计算方法，归纳对比不同制造商的选型要求，并基于实际工程案例开发了配套计算表格，为该类阀门的科学选型提供了实用依据与实践积累。研究成果可为未来项目在设计阶段的防喘振阀选型提供理论支持与工具辅助，从而有效避免因选型不当导致的合同变更，节约成本与工期，并最终保障压缩机组长期稳定、高效运行。

参考文献

[1] 何衍庆等. 控制阀工程设计与应用[M]. 化学工业出版社,2005.

[2] 龚飞鹰,刘传君等. 控制阀实用手册[M]. 化学工业出版社,2015

[3] 陆培文. 工业过程控制阀设计选型与应用技术[M]. 中国标准出版社,2016

[4] 黄钟岳,王晓放,王巍. 透平式压缩机[M]. 化学工业出版社,2013.

[5] 美国石油学会,API617 轴流､离心压缩机和膨胀压缩机[S],2022.

[6] Invensys Process Systems, “Dynamic Simulation” [R], Japan Dynsym UGM, 2008.

作者简介： 熊飞（1980-），男，汉，江苏通州人，设备部副部长，副高级工程师，工程硕士。主要从事石油化工行业压缩机、冷冻机、风机和泵等转动设备的工程设计、工厂检验和现场调试等工作。