離心式壓縮機(jī)防喘振控制設(shè)計(jì)探討

劉超，于震遠(yuǎn)，曹萬(wàn)林

離心式壓縮機(jī)防喘振控制設(shè)計(jì)探討

劉超，于震遠(yuǎn)，曹萬(wàn)林

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

離心式壓縮機(jī)可對(duì)氣體進(jìn)行壓縮，從而產(chǎn)生大量的壓縮氣體，適用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域，特別是在采礦、石油、化工、冶金、制冷、航海、航空航天、能源和車輛工程等部門中廣泛地使用壓縮機(jī)來(lái)輸送氣體和提高氣體的壓力。離心式壓縮機(jī)的喘振問(wèn)題一直是離心式壓縮機(jī)的通病，為了有效地提高壓縮機(jī)的壓縮效率，同時(shí)提高壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)化率，主要就其喘振問(wèn)題產(chǎn)生的原因和相應(yīng)的控制措施進(jìn)行分析，為今后離心式壓縮機(jī)的防喘振設(shè)計(jì)及提升效率提供參考。

離心式壓縮機(jī)；防喘振系統(tǒng)；壓縮氣體；氣體壓力

壓縮機(jī)是一種產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力使低壓氣體提升為高壓氣體且排出氣體壓力（表壓）大于0.2 MPa的流體機(jī)械設(shè)備。按壓縮方式不同分為兩類：容積式和透平式。其中，前者包含回轉(zhuǎn)式和往復(fù)式，后者包含復(fù)合式、軸流式、離心式等。在石油化工行業(yè)中，常見(jiàn)的壓縮機(jī)形式包括往復(fù)式、軸流式、離心式等。往復(fù)式壓縮機(jī)的應(yīng)用非常廣泛，通常應(yīng)用于壓縮流量較小、壓比較高的場(chǎng)合。吸入口壓力是壓縮機(jī)極其重要的控制參數(shù)，其穩(wěn)定程度直接關(guān)系到壓縮機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。離心式壓縮機(jī)有便于維護(hù)，占用空間較小，輸出平穩(wěn)，供氣流量大，故障率低，可由電機(jī)、汽輪機(jī)直接帶動(dòng)，安全性高等優(yōu)點(diǎn)；軸流式壓縮機(jī)相比于離心式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)在于流量大、效率高，缺點(diǎn)在于穩(wěn)定工作范圍較窄、出口壓力比較低。綜合比較，離心式壓縮機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、排氣量大、維修方便和輸送介質(zhì)安全的特征，廣泛地應(yīng)用于石油化工行業(yè)。

1 離心壓縮機(jī)喘振問(wèn)題概述

離心式壓縮機(jī)是一種以壓縮氣體以獲得有效壓縮的氣體為主的機(jī)械，其工作原理是通過(guò)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使氣體高速運(yùn)轉(zhuǎn)，使氣體不斷產(chǎn)生離心力，使氣體在葉輪內(nèi)流動(dòng)，使氣體通過(guò)葉輪旋轉(zhuǎn)獲得流速，使壓力上升，使壓縮氣體連續(xù)產(chǎn)生，產(chǎn)生的壓縮氣體可應(yīng)用于許多方面，例如，在運(yùn)輸過(guò)程中，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，由壓縮氣體對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)，所產(chǎn)生的壓縮氣體具有密度小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量極輕等特點(diǎn)。離心式壓縮機(jī)的特點(diǎn)是排氣量大、排氣范圍寬、使用壽命長(zhǎng)、排氣不受相應(yīng)潤(rùn)滑油等物質(zhì)的污染，但當(dāng)氣體的壓力、流速、甚至溫度發(fā)生變化時(shí)，離心式壓縮機(jī)會(huì)出現(xiàn)喘振。

離心壓縮機(jī)的喘振指的是壓縮機(jī)的流體機(jī)械以及周圍的管道進(jìn)行的周期性的震蕩，是由于氣體受到周期性的吸入和周期性的排出的激勵(lì)作用而發(fā)生的機(jī)械振動(dòng)，在離心氣體壓縮機(jī)中，喘振是壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題，喘振問(wèn)題會(huì)影響離心壓縮機(jī)的工作效率，也會(huì)對(duì)其工作質(zhì)量有所影響，對(duì)壓縮出的氣體的質(zhì)量難以保證。

離心壓縮機(jī)的喘振問(wèn)題需要及時(shí)有效解決，最為根本的方法是找出原因，根據(jù)原因找出相應(yīng)的解決對(duì)策，以此提升壓縮機(jī)的工作效率。

2 離心壓縮機(jī)喘振的原因

2.1 離心壓縮機(jī)器核心部位的磨損

離心壓縮機(jī)器的核心部位是對(duì)氣體進(jìn)行壓縮的主要部位，長(zhǎng)久的使用會(huì)導(dǎo)致離心壓縮機(jī)器有所磨損，從而使得葉輪轉(zhuǎn)換壓縮氣體的能力降低，葉輪的磨損程度越發(fā)嚴(yán)重，機(jī)器的喘振就會(huì)越為明顯。離心壓縮機(jī)器的磨損是在離心壓縮機(jī)運(yùn)行工作中難以避免的，需要及時(shí)處理，采取相應(yīng)的措施來(lái)降低磨損率，提升離心壓縮機(jī)的工作效率。

2.2 離心壓縮機(jī)的擴(kuò)壓機(jī)器造成的腐蝕磨損

由于長(zhǎng)時(shí)間的氣體壓縮會(huì)對(duì)機(jī)器產(chǎn)生一定的腐蝕作用，這樣也會(huì)引起喘振現(xiàn)象。離心式壓縮機(jī)的擴(kuò)壓機(jī)是氣體壓縮的主要部件，通過(guò)增加氣體的容量，達(dá)到更方便壓縮氣體的目的，同時(shí)，為了對(duì)已壓縮的氣體再進(jìn)行壓縮，擴(kuò)壓機(jī)也會(huì)產(chǎn)生一定的作用，擴(kuò)壓機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)能使氣體再壓縮，從而使壓縮氣體的壓縮速率得到充分提高，長(zhǎng)時(shí)間使用擴(kuò)壓機(jī)會(huì)造成機(jī)器的腐蝕和磨損，這種現(xiàn)象需要采取一定的措施，使氣速降低，從而減輕喘振效應(yīng)。

2.3 葉輪與擴(kuò)壓機(jī)之間的間隙變化

離心式氣體壓縮機(jī)對(duì)間隙有較嚴(yán)格的規(guī)定，對(duì)間隙的大小有很嚴(yán)格的要求，為了減少間隙的產(chǎn)生，間隙過(guò)大時(shí)會(huì)發(fā)生氣體泄漏，間隙過(guò)小時(shí)會(huì)造成葉輪與擴(kuò)壓機(jī)相互磨損，而間隙過(guò)大時(shí)又會(huì)造成擴(kuò)壓機(jī)相互磨損，造成擴(kuò)壓機(jī)擴(kuò)壓?jiǎn)栴}無(wú)法及時(shí)得到解決，而離心壓縮機(jī)則會(huì)產(chǎn)生一系列的故障，更會(huì)使離心壓縮機(jī)無(wú)法正常離心，而離心壓縮機(jī)則會(huì)產(chǎn)生各種問(wèn)題，總之，間隙過(guò)大時(shí)，應(yīng)掌握適當(dāng)?shù)木嚯x，以保證離心正常進(jìn)行。

3 離心壓縮機(jī)的喘振控制策略

3.1 隨時(shí)調(diào)整設(shè)施的壓力

離心式壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)隨時(shí)對(duì)壓力展開(kāi)監(jiān)測(cè)，當(dāng)壓力超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)立即進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)口流量的方法對(duì)出口壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，可借助防喘振調(diào)節(jié)閥，使內(nèi)部壓力釋放；可以借助設(shè)備的旁通來(lái)排出壓力，使設(shè)備 的壓力保持在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，從而保證離心式壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3.2 應(yīng)用可變極限流量法

每臺(tái)離心壓縮機(jī)的喘振狀態(tài)都不相同，采用不同可變極限流量法將不同情況的喘振流量連接起來(lái)，就會(huì)得到一條喘振線，保證壓縮機(jī)運(yùn)行在喘振線的右端，此時(shí)喘振線就可以工作。

3.3 合理調(diào)整離心式壓縮機(jī)的參數(shù)

采用離心式壓縮機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)企業(yè)的實(shí)際情況了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，合理地調(diào)整其結(jié)構(gòu)參數(shù)，以確保其正常運(yùn)行，避免出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。如果需要對(duì)葉輪進(jìn)口側(cè)進(jìn)行加厚，則離心壓氣機(jī)應(yīng)采用可調(diào)導(dǎo)葉，如果有必要，應(yīng)對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行調(diào)整，使之從葉輪出口轉(zhuǎn)向葉輪。

3.4 安裝離心式壓縮機(jī)喘振報(bào)警設(shè)備

對(duì)于離心式壓縮機(jī)，在其運(yùn)行過(guò)程中必須嚴(yán)格控制其運(yùn)行狀態(tài)。所以，可以在離心式壓縮機(jī)上安裝報(bào)警裝置，使操作者對(duì)離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況有全面了解，一旦出現(xiàn)故障就能立即給出報(bào)警信號(hào)。通過(guò)將流量、溫度監(jiān)測(cè)器安裝在離心式壓縮機(jī)的進(jìn)口、出口處，一旦發(fā)生離心式壓縮機(jī)喘振，報(bào)警設(shè)備就會(huì)立即發(fā)出警報(bào)信號(hào)，讓操作者立即處理，以免離心式壓縮機(jī)持續(xù)喘振，影響工作效率。

3.5 設(shè)置防喘裕度

將不同轉(zhuǎn)速的喘振流連在一起即可得到一個(gè)喘振線，以此為基礎(chǔ)，再以5%余量依次向右平移兩次，則可得到3個(gè)喘振線，即喘振線、防喘振線和防喘振線。這些防喘振線中，當(dāng)機(jī)組工作點(diǎn)逐漸接近或直接進(jìn)入該線時(shí)，防喘振控制系統(tǒng)將開(kāi)啟防喘振線，直到工作點(diǎn)離開(kāi)喘振線；而防喘振快開(kāi)線則是在機(jī)組流量迅速下降時(shí)，工作點(diǎn)將迅速接近第二防喘振線，此時(shí)防喘振控制系統(tǒng)將給出提示信號(hào)，使防喘振閥開(kāi)啟至設(shè)定的安全開(kāi)度，從而使工作點(diǎn)迅速進(jìn)入安全區(qū)域。

4 離心式壓縮機(jī)喘振的控制要點(diǎn)

4.1 實(shí)現(xiàn)離心式壓縮機(jī)防喘振控制的關(guān)鍵點(diǎn)

防喘振控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)集中在4個(gè)方面：①控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有自診斷和冗余容錯(cuò)能力；②檢測(cè)回路（如溫度檢測(cè)、壓力檢測(cè)、流量檢測(cè)等）必須準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠；③防喘振控制方案合理；④防喘振控制閥具有良好的調(diào)節(jié)性能，可實(shí)現(xiàn)快開(kāi)慢關(guān)控制特性，動(dòng)作迅速，泄漏少。防喘振控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 防喘振控制系統(tǒng)示意圖

4.2 需實(shí)現(xiàn)的控制功能

需實(shí)現(xiàn)的控制功能包括：①實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)進(jìn)口質(zhì)量流量溫壓補(bǔ)償；②實(shí)現(xiàn)防喘振曲線圖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；③實(shí)現(xiàn)可遠(yuǎn)程指定的PID喘振控制；④實(shí)現(xiàn)防喘振閥的快開(kāi)慢開(kāi)功能；⑤引入防喘振控制器設(shè)定點(diǎn)盤(pán)旋線控制功能，當(dāng)當(dāng)前工作點(diǎn)向喘振線移動(dòng)時(shí)，觸發(fā)喘振線控制功能，及時(shí)動(dòng)作防喘振閥開(kāi)啟；⑥引入超馳控制思想，通過(guò)設(shè)置 PID控制功能以外的比例調(diào)節(jié)功能，快速打開(kāi)防喘振閥；⑦實(shí)現(xiàn)防喘振安全裕度的自動(dòng)調(diào)整功能；⑧可選擇手動(dòng)控制，協(xié)助設(shè)定、測(cè)試和排除故障；⑨實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、流量變送器等測(cè)量元件的故障切換功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，充分掌握了離心式壓縮機(jī)的工作原理和工作方法，對(duì)于離心式壓縮機(jī)對(duì)氣體的極速壓縮有提高品質(zhì)的作用，通過(guò)找出相應(yīng)的喘振原因可有效地針對(duì)原因提出一系列預(yù)防喘振的措施，無(wú)論條件有什么變化，堅(jiān)持以最適合離心式壓縮機(jī)工作環(huán)境的變化為宜，特別是在夏季，氣溫變高，更容易使離心式壓縮機(jī)發(fā)生喘振現(xiàn)象，及時(shí)進(jìn)行人為監(jiān)督，人為保護(hù)，經(jīng)常對(duì)離心式壓縮機(jī)進(jìn)行檢查、維護(hù)，使離心式壓縮機(jī)的壓縮性能得到有效提高。

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TQ051.21

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.055

2095－6835（2020）22－0128－02

劉超（1986—），男，遼寧遼陽(yáng)人，本科，工程師，研究方向?yàn)殡x心壓縮機(jī)性能改造。

〔編輯：張思楠〕