離心壓縮機(jī)喘振原因分析與控制措施

唐 宇，石成江，吳華遠(yuǎn)

（1. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油撫順石化公司合成洗滌劑廠， 遼寧 撫順 113001）

離心壓縮機(jī)喘振原因分析與控制措施

唐 宇1，石成江1，吳華遠(yuǎn)2

（1. 遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油撫順石化公司合成洗滌劑廠， 遼寧 撫順 113001）

離心式壓縮機(jī)是一種葉片旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，在高速旋轉(zhuǎn)葉輪的作用下及通過擴(kuò)壓器的擴(kuò)壓后，使介質(zhì)氣體壓力得到提高，它的安全運(yùn)行對工業(yè)生產(chǎn)有著重要的意義。針對離心式壓縮機(jī)喘振產(chǎn)生的機(jī)理與原因、以及防止喘振發(fā)生的條件與措施，進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析與闡述，為離心式壓縮機(jī)喘振的在線監(jiān)測與控制奠定了一定的基礎(chǔ)。

離心式壓縮機(jī)；喘振；管網(wǎng)；性能曲線；控制措施

離心式壓縮機(jī)是一種回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)器，由于具有氣量大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、操作可靠以及介質(zhì)氣體不受油污染等特點(diǎn)，其優(yōu)越性日益得到了大家的認(rèn)可。在石油、化工、化肥以及鋼鐵工業(yè)的生產(chǎn)中，離心式壓縮機(jī)成為壓縮和輸送各種氣體的關(guān)鍵機(jī)器，但其也存在著固有的隱患，那就是易喘振現(xiàn)象。喘振是離心式壓縮機(jī)特有的一種故障，它不僅影響機(jī)組的效率，還會對機(jī)組內(nèi)的部件造成損壞。例如，軸承液體潤滑條件遭到破壞，軸瓦會被燒壞；密封元件被破壞，導(dǎo)致漏氣漏油；轉(zhuǎn)子與定子產(chǎn)生摩擦與碰撞，造成主軸和隔板斷裂。因此，要熟悉和掌握離心式壓縮機(jī)喘振發(fā)生的原因，并制定一些防喘振的有效方法和措施，使壓縮機(jī)工況點(diǎn)脫離喘振區(qū)，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行［1,2］。

1 喘振的判斷方法

離心式壓縮機(jī)一旦發(fā)生喘振現(xiàn)象，則機(jī)組和管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)會有以下較為明顯的特征：

（1）壓縮機(jī)和管網(wǎng)之間發(fā)生周期性的振蕩，并產(chǎn)生時(shí)高時(shí)低的噪聲，嚴(yán)重時(shí)機(jī)組甚至?xí)l(fā)生劇烈的“吼叫”聲。

（2）機(jī)殼和軸承發(fā)生強(qiáng)烈的振動，且振動不穩(wěn)定，時(shí)大時(shí)小，并發(fā)出強(qiáng)烈的、周期性的氣流聲；喘振的振動頻率一般較低，通常為1～30 Hz。

（3）氣體介質(zhì)的出口壓力和入口流量大幅度的變化，發(fā)生周期性的脈動，嚴(yán)重時(shí)還可能產(chǎn)生氣體倒流的現(xiàn)象，這是較危險(xiǎn)的工況。

（4）拖動壓縮機(jī)的電機(jī)的電流表和功率表指針會產(chǎn)生大幅度的波動，并隨著喘振強(qiáng)度的增加而逐漸增大。

因此，在生產(chǎn)過程中，通過對離心式壓縮機(jī)運(yùn)行的聲音、進(jìn)口壓力和流量、振動幅度和儀表的觀察，就可以有效地判斷出喘振是否發(fā)生［3］。

2 喘振原因的分析

2.1 喘振發(fā)生的內(nèi)因

研究表明，喘振發(fā)生的內(nèi)部原因與葉輪結(jié)構(gòu)及葉道內(nèi)介質(zhì)氣體有著密切的關(guān)系。當(dāng)進(jìn)口氣體流量瞬時(shí)降低，低過了所允許的最低工況點(diǎn)時(shí)，壓縮機(jī)內(nèi)的氣流流動方向與葉片進(jìn)口安裝角出現(xiàn)很大的偏差，造成葉道內(nèi)的氣流出現(xiàn)嚴(yán)重的“旋轉(zhuǎn)脫離”，使氣體在葉道中滯流，致使壓縮機(jī)壓力突然降低，然而出口系統(tǒng)的壓力并沒有瞬時(shí)下降，這就使排氣管內(nèi)壓力高的氣體流回壓縮機(jī)，使葉道內(nèi)的流量又得以補(bǔ)充，并恢復(fù)正常工作，當(dāng)壓縮機(jī)內(nèi)的流量再次減小時(shí)，系統(tǒng)氣體又會出現(xiàn)倒流，如此反復(fù)，系統(tǒng)中的氣流便產(chǎn)生了周期性的振蕩，并伴隨著強(qiáng)烈的噪聲，這就形成了壓縮機(jī)的喘振［4］。

2.2 喘振發(fā)生的外因

通過對離心式壓縮機(jī)性能曲線的分析，當(dāng)喘振發(fā)生時(shí)，其工作點(diǎn)一定進(jìn)入了喘振工況區(qū)。因此，壓縮機(jī)的喘振與管網(wǎng)特性有著密切關(guān)系。所謂“管網(wǎng)”就是離心式壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)氣體介質(zhì)輸送任務(wù)的管道系統(tǒng)，位于壓縮機(jī)入口之前的稱吸入管道，位于壓縮機(jī)出口之后的稱為排出管道。管網(wǎng)一般均為由管線、管件、閥門和設(shè)備等四大要素組成（詳見圖1）。實(shí)踐表明，離心壓縮機(jī)管網(wǎng)容量愈大，喘振的振幅愈大，振頻愈低；管網(wǎng)容量愈小，喘振的振幅就越小，振頻愈高。

圖1 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Pipe network structure diagram

圖2為離心式壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作性能曲線圖。從圖可知，隨著管網(wǎng)阻力的增加，氣體流量的減少，其位置由1逐漸左移到2和3，工況點(diǎn)也由 移到 和 ，此時(shí)壓縮機(jī)不會產(chǎn)生喘振，當(dāng)氣體流量進(jìn)一步減少，管網(wǎng)性能曲線左移至位置4時(shí)，其工況點(diǎn) 已進(jìn)入喘振區(qū)，壓縮機(jī)開始在喘振工況下運(yùn)行。顯然，隨著流量的減少，管網(wǎng)性能曲線不斷左移，并與壓縮機(jī)性能曲線交于喘振區(qū)，于是喘振發(fā)生。所以，管網(wǎng)性能曲線左移是產(chǎn)生喘振的條件［5］。

在離心式壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，以下各種因素也會導(dǎo)致喘振的發(fā)生:

（1）吸入量不足

由于外界因素使吸入量減少到喘振流量以下，使壓縮機(jī)進(jìn)入喘振工況區(qū)引起喘振。造成這種情況下的原因有：冷卻器泄漏或塵埃結(jié)垢，使壓縮機(jī)流道阻塞；葉輪進(jìn)口堵塞或過濾器堵塞，使壓縮機(jī)進(jìn)氣阻力增大，導(dǎo)致壓縮機(jī)供氣不足。這些情況如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)都可能發(fā)生喘振。

圖2 離心壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作性能曲線圖Fig.2 Centrifugal compressor and pipe network joint performance curve

（2）系統(tǒng)壓力過高

造成這種情況的有：壓縮機(jī)緊急停機(jī)，介質(zhì)氣體為此進(jìn)行放空或回流；出口管路上的單向逆止閥門關(guān)閉不嚴(yán)或單向閥距壓縮機(jī)出口太遠(yuǎn)等等，這些情況均會造成離心壓縮機(jī)的排出壓力過高，從而導(dǎo)致喘振的發(fā)生。

（3）操作不協(xié)調(diào)

在離心壓縮機(jī)啟動過程中，要強(qiáng)調(diào)“升壓必先升速，降速必先降壓”的原則。升速升壓要緩慢地進(jìn)行；降速之前應(yīng)先采取卸壓措施：如回流、放空等，以免轉(zhuǎn)速降低后，氣流倒灌。

（4）機(jī)組內(nèi)的部件損壞

離心壓縮機(jī)內(nèi)的機(jī)械密封、“O”型圈密封、平衡盤密封等部件安裝位置不合理或不夠精確，會造成各級之間串氣，可能引發(fā)喘振；過濾器或葉輪阻力過大，逆止閥失效或損壞均可以引起喘振。

（5）氣體介質(zhì)狀態(tài)的變化

喘振發(fā)生的可能與氣體介質(zhì)狀態(tài)有很大的關(guān)系。因?yàn)闅怏w狀態(tài)影響流量，從而也影響喘振流量，如進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、氣體相對分子質(zhì)量等對喘振都有一定的影響。當(dāng)恒壓恒速時(shí)，氣體入口溫度越高，越容易發(fā)生喘振。因此，對同一臺離心壓縮機(jī)來說，夏季比冬季更容易發(fā)生喘振；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，進(jìn)氣壓力越高，則喘振流量值也越大；當(dāng)恒壓恒速時(shí)，氣體相對分子質(zhì)量越小，越容易發(fā)生喘振［3］。

3 防喘振條件及措施

當(dāng)離心式壓縮機(jī)進(jìn)口流量減少到一定程度時(shí)，便會發(fā)生喘振，而維持壓縮機(jī)運(yùn)行的喘振流量 要不低于壓縮機(jī)運(yùn)行的最小流量 ，即離心式壓縮機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)會得到不同的機(jī)組喘振時(shí)的性能參數(shù)，將這些喘振點(diǎn)的參數(shù)標(biāo)在性能曲線圖上，并連接起來，就可以得到離心壓縮機(jī)的喘振線。

圖3為一臺離心壓縮機(jī)在n1、n2、n3和n4轉(zhuǎn)速下的一組性能曲線，而每條性能曲線會根據(jù)在發(fā)生喘振工況時(shí)的性能參數(shù)產(chǎn)生出對應(yīng)的喘振點(diǎn)a1、a2、a3、a4和喘振流量。將這些點(diǎn)聯(lián)成一條接近拋物線的曲線，該曲線就是壓縮機(jī)的喘振線，其方程為：

式中: hpol— 壓縮機(jī)有效能量， J/kg；

Qmin— 壓縮機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)下的容積流量，m3/h ；

B — 摩擦損失系數(shù)。

圖3 離心壓縮機(jī)性能曲線Fig.3 Centrifugal compressor performance curve

即壓縮機(jī)運(yùn)行中的流量，要大于喘振流量 ，這是壓縮機(jī)保持穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件。

如果壓縮機(jī)入口的進(jìn)氣量低于機(jī)器的喘振流量 ，必將導(dǎo)致喘振的發(fā)生，而在生產(chǎn)實(shí)踐中可以通過以下的措施來防止喘振的發(fā)生。

3.1 壓力調(diào)節(jié)

壓縮機(jī)在高于設(shè)定壓力的條件下工作時(shí)，可通過進(jìn)口導(dǎo)葉節(jié)流的方式維持出口壓力，或打開防喘振調(diào)節(jié)閥將部分壓力放空；也可加裝旁通管，采用旁通回流的方法，使排出壓力保持在設(shè)定的壓力下，使其流量維持在所限定的最低流量之內(nèi)。

3.2 變頻器調(diào)速

壓縮機(jī)在開始運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷最大，傳感器把所測量的數(shù)據(jù)傳至 PLC（可編程控制器），PLC經(jīng)過PID運(yùn)算輸出運(yùn)行頻率到變頻器，控制變頻器，隨著壓縮機(jī)的運(yùn)行，PLC根據(jù)壓差與流量的降低發(fā)出信號，控制變頻器降低電源頻率，從而降低了運(yùn)行中壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免了壓縮機(jī)的喘振，并減少了不必要的能量損失［7］。

3.3 合理控制防喘振安全裕度

根據(jù)離心壓縮機(jī)性能曲線，見圖 3，在喘振線右側(cè)采用了一條防喘振線作為防喘振調(diào)節(jié)器的給定值曲線，它與喘振線之間的這 的區(qū)域是壓縮機(jī)的安全邊界，稱為安全裕度。它是在一定工作轉(zhuǎn)速下，正常流量與該轉(zhuǎn)速下喘振流量之比值，一般要求安全裕度 。當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)到達(dá)防喘振線時(shí)，防喘振調(diào)節(jié)閥打開，以使工作點(diǎn)右移進(jìn)入安全區(qū)，從而避免喘振的發(fā)生［8］。

3.4 改變離心壓縮機(jī)的參數(shù)

在結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇上，如采用后彎式葉片的葉輪，無葉擴(kuò)壓器，葉輪葉片進(jìn)口邊適當(dāng)加厚等；在設(shè)計(jì)時(shí)采用導(dǎo)葉可調(diào)機(jī)構(gòu)，以便在需要時(shí)，將部分氣流從葉輪出口引入到葉輪入口，通過改變?nèi)~輪入口氣流的預(yù)旋，來抑制喘振的發(fā)生。

3.5 設(shè)置報(bào)警儀表

在離心壓縮機(jī)的進(jìn)口安裝流量、溫度監(jiān)視儀表，出口安裝壓力監(jiān)視儀表，一旦壓縮機(jī)已接近喘振工況區(qū)時(shí)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警，以提前采取措施，防患于未然。

4 結(jié)束語

綜上所述，一旦喘振發(fā)生，離心式壓縮機(jī)將處于危險(xiǎn)的工作狀態(tài)，所以要結(jié)合壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作性能曲線，使工況點(diǎn)要盡量遠(yuǎn)離喘振區(qū)，以保證機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，現(xiàn)場操作人員對喘振的機(jī)理及故障特征要有深入的定性認(rèn)識，并能在生產(chǎn)實(shí)踐中采取相應(yīng)的措施，降低喘振發(fā)生的頻率，從而提高離心式壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

［1］ 王書敏. 離心式壓縮機(jī)技術(shù)問答．海底輸油管道傳熱模擬計(jì)算[M].北京：中國石化出版社，1995．

［2］ 高慎琴. 化工機(jī)器[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992．

［3］ 黃志堅(jiān). 機(jī)械設(shè)備振動故障檢測與診斷[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010．

［4］ 薦保志. 離心式壓縮機(jī)喘振分析及解決措施[J]. 中小企業(yè)管理與科技，2009，4(10)：257-258．

［5］ [美] 埃利.尼森費(fèi)爾得. 離心式壓縮機(jī)操作與控制原理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［6］ 黎飛龍. 離心式壓縮機(jī)防喘振技術(shù)分析[J]. 內(nèi)江科技，2009，5(5)：73-74．

［7］龐琳. 離心壓縮機(jī)喘振的預(yù)防及解決措施[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)，2010，8(22)：82-84．

［8］ 何龍，張瑞妍. 離心式壓縮機(jī)防喘振研究[J]．壓縮機(jī)技術(shù)，2009，10(5)：14-16．

Causes and Control Measures of the Centrifugal Compressor Surge

TANG Yu1，SHI Cheng-jiang1，WU Hua-yuan2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Fushun Petrochemical Company, Liaoning Fushun 113001，China）

The centrifugal compressor is a kind of blade rotary compressor, under the function of the high-speed rotating impeller and the pressure expansion of the diffuser, medium gas pressure is increased, and its safe operation has important significance for the industrial production. In this paper, forming mechanism and causes of the centrifugal compressor surge were discussed，and control measures were put forward, which can lay a foundation for on-line monitoring and control of the centrifugal compressor surge.

Centrifugal compressor; Surge; Pipeline network; Performance curve; Control measures

TQ 051

A

1671-0460（2012）09-0992-03

2012-03-28

唐宇（1986-），男，遼寧錦州人，碩士研究生，研究方向：從事過程裝備監(jiān)測與控制技術(shù)方面的研究工作。E-mail：ticky19860124@163.com。