離心式壓縮機(jī)喘振預(yù)測新方法研究

張丹丹

(上海河圖工程股份有限公司 武漢分公司,湖北 武漢 430070)

離心式壓縮機(jī)是工藝設(shè)備中最為關(guān)鍵的一類[1],由于離心式壓縮機(jī)對氣體的流量、溫度以及壓力的變化比較敏感,所以在運(yùn)行中容易發(fā)生喘振問題[2-4]。喘振會導(dǎo)致壓縮機(jī)機(jī)組劇烈震動,導(dǎo)致流量波動幅度過大,如果不能及時(shí)有效地采取預(yù)防措施加以控制,會造成壓縮機(jī)內(nèi)部零件的損壞,嚴(yán)重時(shí)有可能導(dǎo)致壓縮機(jī)燒瓦甚至發(fā)生氣體爆炸事故[5-6]。因此,有效地預(yù)防和控制離心式壓縮機(jī)的喘振問題變得尤其重要。

1 離心式壓縮機(jī)系統(tǒng)

離心式壓縮機(jī)系統(tǒng)的組成包括: 吸入洗滌器、離心式壓縮機(jī)、二次冷卻器、排放洗滌器等,離心式壓縮機(jī)系統(tǒng)工作流程如圖1所示。在該流程中,為避免壓縮機(jī)受到喘振的影響采用了防喘振控制器,在入口和出口均安裝了隔斷閥和止回閥,以起到隔離和防止回流的作用。

圖1 離心式壓縮機(jī)系統(tǒng)工作流程示意

2 離心式壓縮機(jī)防喘振措施

目前,離心式壓縮機(jī)防喘振的措施有很多[7-9],在眾多防喘振措施中,將慣性數(shù)作為評價(jià)喘振嚴(yán)重程度的判斷依據(jù)是一種極為簡單且實(shí)用的方法[10-12]。該方法通過推導(dǎo)用于描述慣性數(shù)的方程,可以判斷緊急制動期間壓縮系統(tǒng)的穩(wěn)定性。慣性數(shù)R的計(jì)算如式(1)所示:

(1)

式中:I——轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;n——壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速,rad/s;P——喘振時(shí)壓縮機(jī)的輸出功率,W;t——壓縮機(jī)預(yù)沖程時(shí)間,s。

研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)壓縮機(jī)的R低于30時(shí),現(xiàn)有的防喘振系統(tǒng)難以預(yù)防喘振的發(fā)生;當(dāng)R高于100時(shí),現(xiàn)有的防喘振系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)防喘振的功能。雖然采用R判斷方法簡單實(shí)用,但是其準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步提高。因此,本文重點(diǎn)探究慣性數(shù)方程中涉及的關(guān)鍵參數(shù)和其他對喘振有影響的設(shè)計(jì)參數(shù),包括防喘振控制管路流量、防喘振控制閥沖程時(shí)間等,目的是為壓縮機(jī)運(yùn)行過程提供更為精準(zhǔn)的防喘振保護(hù)措施,并預(yù)測緊急制動期間的壓縮機(jī)喘振程度。

3 影響喘振的參數(shù)分析

從壓縮機(jī)固有參數(shù)、壓縮系統(tǒng)參數(shù)和防喘振參數(shù)三個(gè)方面出發(fā),分析影響離心式壓縮機(jī)工作過程中發(fā)生喘振的情況。壓縮機(jī)固有參數(shù)主要是轉(zhuǎn)動慣量;壓縮系統(tǒng)參數(shù)主要包括排放量和壓縮機(jī)預(yù)沖程時(shí)間;防喘振參數(shù)主要包括防喘振控制管路流量和防喘振控制閥沖程時(shí)間。通過單因素分析,即保證其他參數(shù)值為基準(zhǔn)值,改變其中某個(gè)參數(shù)的值,并采用Aspen HYSYS軟件進(jìn)行壓力計(jì)算,壓縮機(jī)單因素分析參數(shù)設(shè)定見表1所列。以壓力波動相對幅度為參數(shù)在某一設(shè)定值下的計(jì)算壓力值與在基準(zhǔn)值條件下的計(jì)算壓力值的比值為例,基于單因素分析的壓力波動相對幅度變化特征如圖2所示。由圖2可知,在一定范圍內(nèi),壓力波動相對幅度的程度會隨轉(zhuǎn)動慣量、防喘振控制管路流量的增大而降低,卻隨排放量、壓縮機(jī)預(yù)沖程時(shí)間和防喘振控制閥沖程時(shí)間的增大而增大。壓力波動相對幅度越大,喘振發(fā)生的可能性和程度越高。因此,轉(zhuǎn)動慣量、防喘振控制管路流量與喘振敏感性呈負(fù)相關(guān),而排放量、壓縮機(jī)預(yù)沖程時(shí)間和防喘振控制閥沖程時(shí)間與喘振敏感性呈正相關(guān)。

表1 壓縮機(jī)單因素分析參數(shù)設(shè)定

圖2 基于單因素分析的壓力波動相對幅度變化特征示意

4 喘振敏感系數(shù)的設(shè)立與驗(yàn)證

4.1 喘振敏感系數(shù)

以單因素分析為依據(jù),調(diào)整式(1)中的參數(shù)組合,保持P不變,將排放量、壓縮機(jī)預(yù)沖程時(shí)間、防喘振控制閥沖程時(shí)間等正相關(guān)參數(shù)作為分子,將轉(zhuǎn)動慣量、防喘振控制管路流量等負(fù)相關(guān)參數(shù)作為分母,形成一個(gè)新的參數(shù),即喘振敏感系數(shù)S。S計(jì)算如式(2)所示:

(2)

式中:qV——防喘振控制管路體積流量;t1——防喘振控制閥沖程時(shí)間;V——排放量。

4.2 喘振區(qū)域識別與結(jié)果驗(yàn)證

通過調(diào)整I,V,t,qV,t1幾個(gè)變量,可以改變S的值,采用Aspen HYSYS軟件模擬各參數(shù)對R和S的影響,可以得到離心式壓縮機(jī)的喘振情況,如圖3所示。通過圖3分析,可以看出當(dāng)S>400時(shí),有明顯喘振現(xiàn)象。當(dāng)R為25～100時(shí),存在喘振現(xiàn)象。因此,可以將圖3中的區(qū)域分為安全區(qū)和非安全區(qū),當(dāng)S<400,110400,R>300或R<110時(shí),為非安全區(qū)。

圖3 基于喘振敏感系數(shù)與慣性數(shù)相結(jié)合的喘振特性示意

根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]提供的實(shí)際測試數(shù)據(jù),通過計(jì)算R和S,結(jié)合圖3判斷離心式壓縮機(jī)工作狀態(tài)是否處于喘振區(qū)域。通過分析對比可知,所計(jì)算的R和S都處于非安全區(qū)域,與測試結(jié)果一致。

5 結(jié)束語

通過分析慣性數(shù)方程中涉及的關(guān)鍵參數(shù)和其他對喘振有影響的設(shè)計(jì)參數(shù),新設(shè)立了S,并采用Aspen HYSYS軟件模擬了各參數(shù)對S和R的影響,基于所得的結(jié)果可以用于識別離心式壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的喘振區(qū)域和安全區(qū)域。本文所計(jì)算的結(jié)果與文獻(xiàn)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證對比,確保了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。該方法可以在早期設(shè)計(jì)階段為工程師提供更為準(zhǔn)確的快速判斷依據(jù)。