離心式壓縮機(jī)喘振分析及預(yù)防措施

劉云龍 呂文浩 魯悅

摘要：離心式壓縮機(jī)通過葉輪帶動(dòng)氣體運(yùn)動(dòng)，增加氣體的動(dòng)能，把氣體部分的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓能，使氣體壓力增大。其優(yōu)點(diǎn)是單級(jí)流量大、壓比高、氣體介質(zhì)密封性好。又因離心式壓縮機(jī)壓力與流量關(guān)聯(lián)度高，穩(wěn)定運(yùn)行范圍較窄，容易發(fā)生喘振，為確保離心式壓縮機(jī)在工藝要求條件下安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須對(duì)喘振進(jìn)行控制。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量壓縮機(jī)的性能曲線，在一定條件下可獲得與實(shí)際運(yùn)行相匹配的防喘振曲線，該防喘振系統(tǒng)控制下的機(jī)組應(yīng)是最安全和經(jīng)濟(jì)的。

關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī);喘振;故障分析;預(yù)防

中圖分類號(hào)：TH452;TH165.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0121-02

0? 引言

石油、天然氣作為重要的能源型資源，目前在各個(gè)行業(yè)中都得到了越來越廣泛的應(yīng)用，只有充分考慮到壓縮機(jī)在石化行業(yè)中的重要作用，切實(shí)分析離心式壓縮機(jī)存在喘振問題的原因以及解決辦法，才能有助于石化裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文主要針對(duì)離心式壓縮機(jī)防喘振控制提出觀點(diǎn)，分析離心式壓縮機(jī)喘振產(chǎn)生的原因及危害，結(jié)合具體設(shè)備運(yùn)行過程中存在的問題，提出了離心式壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)探討。

1? 離心式壓縮機(jī)喘振

1.1 離心式壓縮機(jī)喘振的原因

離心式壓縮機(jī)在工作中經(jīng)常發(fā)生喘振。喘振也被稱呼為“飛動(dòng)”，該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要由于壓縮機(jī)機(jī)組入口流量低于某一值（喘振流量），從而使壓縮機(jī)機(jī)組的管網(wǎng)壓力高于壓縮機(jī)出口壓力，導(dǎo)致氣體倒流回機(jī)組，由于反復(fù)的氣體脈動(dòng)影響，使壓縮機(jī)出現(xiàn)了“呼哧、呼哧”的聲音，伴隨著機(jī)組振動(dòng)值上升。因此，在離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制，防止喘振現(xiàn)象的發(fā)生，并及時(shí)加以改善。

1.1.1 內(nèi)因

離心式壓縮機(jī)喘振的內(nèi)因就是由葉輪以及介質(zhì)所導(dǎo)致的，當(dāng)進(jìn)口的流量低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，壓縮機(jī)的氣流方向就會(huì)和葉片進(jìn)口的安裝角產(chǎn)生偏差，如果偏差較大，還會(huì)導(dǎo)致脫離，此時(shí)氣體就會(huì)滯留在葉輪的流道中，進(jìn)而造成壓縮機(jī)的壓力減小，不過由于工程管路有一定的背壓，出口壓力并不會(huì)變小，這樣就會(huì)使氣體發(fā)生回流，補(bǔ)充流量，使其恢復(fù)正常。如果流量繼續(xù)變少且補(bǔ)充不足時(shí)，倒流現(xiàn)象還會(huì)出現(xiàn)，如此反復(fù)，裝置中的氣流就會(huì)出現(xiàn)振蕩，這就是離心式壓縮機(jī)的喘振內(nèi)因。

1.1.2 外因

離心式壓縮機(jī)喘振的外因主要就是管網(wǎng)導(dǎo)致的。管網(wǎng)是離心式壓縮機(jī)輸送介質(zhì)的一種管道系統(tǒng)，其主要由吸入管道和排出管道構(gòu)成，主要包括：管線、管件和閥門等。若由管網(wǎng)原因?qū)е碌拇?，則離心式壓縮機(jī)的喘振幅度會(huì)隨管網(wǎng)容量的增多而變大，隨管網(wǎng)容量的減少而變小;若由管網(wǎng)性能曲線左移導(dǎo)致的喘振，則當(dāng)氣流量變小時(shí)，管網(wǎng)性能曲線會(huì)加大左移，從而與離心式壓縮機(jī)的喘振曲線相交在喘振區(qū)域，使離心式壓縮機(jī)發(fā)生喘振。

1.1.3 其他

離心壓縮機(jī)的喘振還有很多原因。第一、吸氣不足。當(dāng)離心壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果冷卻器漏水或塵土堆積，就會(huì)阻塞壓縮機(jī)的流道或葉輪進(jìn)口，導(dǎo)致吸入量減少，進(jìn)而引起離心壓縮機(jī)喘振。第二、壓縮機(jī)壓力過高。離心壓縮機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于突然停機(jī)，會(huì)出現(xiàn)介質(zhì)回流，造成內(nèi)部壓力過大，出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。第三、作業(yè)流程不規(guī)范。一般而言，對(duì)于汽輪機(jī)、變頻電機(jī)、液力耦合器等可變轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)升壓時(shí)，應(yīng)先保證逐漸提升轉(zhuǎn)速，再緩慢關(guān)閥升壓;降低轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)先降低壓力，使氣體排出或回流。但是在實(shí)際操作中，操作人員不按規(guī)定操作，容易造成離心壓縮機(jī)的喘振。第四、離心壓縮機(jī)部件損壞。離心壓縮機(jī)的內(nèi)部部件較多，一旦發(fā)生異?，F(xiàn)象，會(huì)引起振動(dòng)。此外，如果過濾器或葉輪的阻力過大，止回閥容易損壞，造成離心壓縮機(jī)的喘振。

1.2 離心式壓縮機(jī)喘振的特性

喘振是因?yàn)殡x心式壓縮機(jī)在某一個(gè)小流量下工作時(shí)出現(xiàn)的一種氣流分離現(xiàn)象，是內(nèi)外因素相互作用的結(jié)果，內(nèi)部因素是因?yàn)樵O(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生了兩個(gè)部件之間的流量差，外部因素則是因?yàn)閮烧咧g壓力的變動(dòng)產(chǎn)生的氣體倒流。內(nèi)部因素和外部因素不是并列存在的關(guān)系，內(nèi)部原因在外部原因的促成下發(fā)揮作用，二者存在一點(diǎn)就會(huì)對(duì)整體的壓縮機(jī)運(yùn)行造成影響，出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。所以，離心式壓縮機(jī)喘振的特性就是一個(gè)內(nèi)外因素共同作用的結(jié)果。

1.3 離心式壓縮機(jī)喘振的危害

雖然喘振只是壓縮機(jī)在工作時(shí)，因?yàn)樾×髁康淖儎?dòng)產(chǎn)生的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象，但是會(huì)對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備造成極大的損傷，一旦出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，壓縮機(jī)的運(yùn)行將會(huì)中斷，電路會(huì)受損，造成內(nèi)部的葉片損壞，還會(huì)出現(xiàn)其它設(shè)備的紊亂和報(bào)廢，如軸承、密封系統(tǒng)，甚至可能導(dǎo)致危險(xiǎn)氣體泄漏，外部工作人員的受傷，帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失，造成安全事故。

2? 離心式壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)

2.1 防喘振控制系統(tǒng)的原理

對(duì)于離心式壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)原理的研究要從出現(xiàn)喘振現(xiàn)象的原因入手。離心式壓縮機(jī)的喘振是由于吸入流量的減少，所以，只要保證輸送氣體的過程中流量能夠大于該處引起喘振的閾值，就能保證機(jī)器穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)防喘振控制系統(tǒng)的研究要經(jīng)過多種因素的測(cè)定，因此要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，探索出針對(duì)不同種類的壓縮機(jī)各自不同工況條件下的運(yùn)行曲線，以及不同形式的零件之間的設(shè)計(jì)裝配精確度。根據(jù)不同的情況在可變極限流量法和固定極限流量法中合理選擇最優(yōu)方案，最大限度的防止喘振的出現(xiàn)。

2.2 防喘振控制系統(tǒng)的方案選擇

防喘振控制系統(tǒng)的研究應(yīng)與現(xiàn)有技術(shù)相結(jié)合。

①應(yīng)用變頻技術(shù)，可有效降低喘振的可能性。采用變頻調(diào)速技術(shù)，可以通過改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作頻率，調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，合理調(diào)整壓縮機(jī)的運(yùn)行工況，滿足流量需求，降低壓縮機(jī)的運(yùn)行功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)喘振現(xiàn)象的控制，保證機(jī)組和人員的安全，在一定程度上減少能耗，使噪音盡量控制在可接受的范圍內(nèi)。但是變頻控制需要變頻電機(jī)及配套變頻系統(tǒng)的投資和維護(hù)費(fèi)用較高。

②壓縮機(jī)出口流量通過回流管道回流至進(jìn)口，補(bǔ)償進(jìn)口流量過小，防止喘振，通常在回流管道上面加裝防喘振閥。在運(yùn)行初期，防喘振閥全開以保證入口流量補(bǔ)償充足;平穩(wěn)運(yùn)行后，管網(wǎng)流量足夠，再緩慢關(guān)閉此閥，以滿足額定工況。同時(shí)在發(fā)生喘振時(shí)，又具有快速開啟功能，最大程度上防止喘振發(fā)生。

③進(jìn)口調(diào)節(jié)導(dǎo)葉+回流控制的防喘振控制系統(tǒng)。對(duì)于空分設(shè)備，由于進(jìn)口流量大，通常在壓縮機(jī)的一級(jí)葉輪進(jìn)口前端安裝進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉，可根據(jù)工作需要調(diào)整導(dǎo)向角，一般設(shè)計(jì)流量45～100%為控制范圍。最小控制值取決于氣體輸入和輸出狀態(tài)（壓力、進(jìn)口溫度、出口溫度和氣體組分），以及導(dǎo)葉（入口導(dǎo)葉、出口擴(kuò)散器）的位置，不同角度的導(dǎo)葉對(duì)應(yīng)著不同的工作曲線。當(dāng)未開啟回流時(shí)，流量調(diào)節(jié)范圍可達(dá)45～100%，無喘振現(xiàn)象。當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)接近喘振界限時(shí)，啟動(dòng)喘振控制和喘振保護(hù)。

因此，進(jìn)口可調(diào)導(dǎo)葉+回流控制是一種節(jié)能、簡(jiǎn)單易行的防喘振控制方案。但是進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)多用于空壓機(jī)，而對(duì)于丙烯冷劑壓縮機(jī)等不適用安裝進(jìn)口導(dǎo)葉的特殊機(jī)型，只能通過回流控制。對(duì)于不具備蒸汽條件而無法使用汽輪機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)，則可選變頻電機(jī)或耦合器以達(dá)到變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的防喘振功能。

2.3 喘振監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)

防喘振控制是通過嚴(yán)密監(jiān)控機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，聯(lián)動(dòng)控制相應(yīng)工況，降低喘振現(xiàn)象對(duì)壓縮機(jī)造成的危害。

防喘振閥的控制功能主要來源于喘振量、閥門定位器的回位和防喘振閥的位置。經(jīng)常檢測(cè)防喘振線路，可以確定其閥門定位器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài)，并通過有效調(diào)整與快排閥并列的旁通閥，使其保持相對(duì)穩(wěn)定。若壓縮機(jī)工作點(diǎn)通過喘振線，流量持續(xù)下降，防喘振閥將迅速完全開啟，直至流量增加超過喘振極限，再緩慢關(guān)閉，調(diào)整至穩(wěn)定開度。

波動(dòng)保護(hù)：波動(dòng)控制器是用來計(jì)算輸出壓力梯度的。當(dāng)坡度超過調(diào)整后的臨界壓力坡度時(shí)，開始計(jì)時(shí)器計(jì)算所檢測(cè)的坡度。在探測(cè)到兩個(gè)連續(xù)梯度時(shí)，回流閥會(huì)根據(jù)喘振周期的梯度（33%、66%、100%）逐漸開啟。若計(jì)數(shù)器超過設(shè)定跳閘參數(shù)（一般為5次），即發(fā)生喘振，則控制系統(tǒng)必須關(guān)閉壓縮機(jī)。

3? 防喘振技術(shù)研究方案

3.1 防喘振技術(shù)研究方案

首先是根據(jù)壓縮機(jī)出廠的參數(shù)來設(shè)定額定工況下的相關(guān)數(shù)據(jù)，在通過多次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來判斷，設(shè)定的數(shù)值是否符合實(shí)際要求，再根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)有問題的部分進(jìn)行調(diào)整，記錄下最終得出的數(shù)據(jù)，重新編寫，調(diào)整系統(tǒng)。根據(jù)編制控制軟件，對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證機(jī)組安全，自動(dòng)調(diào)節(jié)，防止出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。防喘振技術(shù)的研究是在數(shù)據(jù)研究的基礎(chǔ)上，通過多次的試驗(yàn)得到經(jīng)驗(yàn)值，進(jìn)而擬合出防喘振線，將數(shù)據(jù)調(diào)控在可靠范圍內(nèi)，降低喘振對(duì)壓縮機(jī)的損害，確保平穩(wěn)安全運(yùn)行，減少經(jīng)濟(jì)損失。

3.2 可變極限流量法控制系統(tǒng)研究

當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)氣的過程溫度或氣體組分發(fā)生變化時(shí)，雖然條件波動(dòng)，但同一臺(tái)壓縮機(jī)壓縮相同流量的氣體所提供的能量不會(huì)改變，僅通過改變進(jìn)氣的溫度和壓力等因素，可以改變極限流量，通過改變曲線或改變防喘振旁通閥開啟點(diǎn)的設(shè)置，來保持壓縮機(jī)喘振線穩(wěn)定。

3.3 固定極限流量法控制系統(tǒng)研究

為達(dá)到控制流量或壓力的目的，傳統(tǒng)的無毒害且不燃?xì)怏w壓縮機(jī)設(shè)備通常采用放空等手段來控制流量，這些調(diào)節(jié)方式比較簡(jiǎn)單，但長期觀察發(fā)現(xiàn)，這種方式會(huì)造成管網(wǎng)損耗，造成能源浪費(fèi)，最終經(jīng)濟(jì)利益也會(huì)受損。因此設(shè)置了一個(gè)新的防喘振控制器，需要設(shè)置最大值，當(dāng)壓縮機(jī)吸入量小于固定值時(shí)，開啟回流閥，將氣體回流回壓縮機(jī)，增大流量，防止喘振發(fā)生。對(duì)于工藝裝置要求壓縮機(jī)常態(tài)運(yùn)行在遠(yuǎn)離喘振流量極限值時(shí)，通常采用固定極限流量法防喘振控制。

4? 結(jié)束語

本文通過對(duì)離心壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象進(jìn)行分析，從原因、監(jiān)控、防護(hù)等方面制定出解決問題的方法之后可以得出，隨著我國市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)于石化企業(yè)來說，離心式壓縮機(jī)屬于工業(yè)流程的核心裝置，從設(shè)備入手，研究分析經(jīng)常發(fā)生的喘振現(xiàn)象，找到合理的預(yù)防及應(yīng)對(duì)措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)核心工業(yè)設(shè)備的保護(hù)，降低能耗，對(duì)于企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與石化行業(yè)的社會(huì)效益起到巨大的影響作用，進(jìn)而促進(jìn)全產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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