P700-2250 型離心式空壓機(jī)喘振原因分析及對(duì)策

李中雁，鄧 華

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司能源動(dòng)力分公司，四川攀枝花 617062）

0 引言

攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司能源動(dòng)力分公司荷花池空壓站，于2009 年裝備了3 臺(tái)P700-2250 型離心式空壓機(jī)。由于該空壓站位于原煤堆場(chǎng)及主公路旁，空氣中含塵量相對(duì)較高，并且該批機(jī)組已連續(xù)運(yùn)行了10 多年，轉(zhuǎn)動(dòng)部件及流道存在不同程度的沖蝕、磨損。2022 年1 月4 日至7 日，該站3 號(hào)P700-2250 型離心式空壓機(jī)先后多次振動(dòng)突然增大、排氣溫度異常，機(jī)組提示發(fā)生喘振。檢修維護(hù)人員檢查該機(jī)冷卻器及其配套系統(tǒng)、溫度檢測(cè)及線路等，均未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)多方面分析排查，最終找到引發(fā)該機(jī)組喘振的原因并采取相應(yīng)處置對(duì)策，機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行。

1 離心式空壓機(jī)工作原理及特點(diǎn)

離心式空壓機(jī)通過電機(jī)拖動(dòng)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)組葉輪及空氣動(dòng)能，再經(jīng)過擴(kuò)壓器使氣體分子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能[1]。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、排氣量大、能效高、檢修維護(hù)便捷、產(chǎn)氣無油且機(jī)組及供氣壓力穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢(shì)，被工業(yè)企業(yè)大量裝備，并逐步替代活塞式空氣壓縮機(jī)和螺桿式空氣壓縮機(jī)。

離心式空壓機(jī)工作流程為：外界空氣通過進(jìn)氣控制裝置進(jìn)入壓縮機(jī)的第一級(jí)→一級(jí)葉輪對(duì)空氣做功，提高了空氣的速度。壓縮后的空氣經(jīng)過一個(gè)徑向的擴(kuò)壓器，使速度降低、壓力提高→壓縮空氣進(jìn)入蝸殼→壓縮后的高溫空氣經(jīng)過由級(jí)間管道進(jìn)入一級(jí)中間冷卻器進(jìn)行冷卻→冷卻后壓縮空氣進(jìn)入二級(jí)葉輪，再器經(jīng)過擴(kuò)壓器提高壓力，然后進(jìn)入蝸殼→壓縮空氣進(jìn)入二級(jí)冷卻器→壓縮空氣從二級(jí)冷卻器出來，在三級(jí)葉輪中被壓縮，并在擴(kuò)壓器中提高壓力后進(jìn)入蝸殼，最后經(jīng)過冷卻器進(jìn)入客戶的空氣系統(tǒng)（圖1）。

圖1 離心式空壓機(jī)工作流程

2 喘振機(jī)理

喘振是以離心式空壓機(jī)為代表的流體機(jī)械及配套管道中流體介質(zhì)的周期振蕩，是空氣等流體介質(zhì)受到規(guī)律性吸入及排出的激勵(lì)作用而產(chǎn)生的規(guī)律性低頻振動(dòng)。喘振是離心式空壓機(jī)的常見問題之一。

2.1 離心式空壓機(jī)性能曲線[2]

根據(jù)工廠現(xiàn)場(chǎng)使用要求，常見離心式空壓機(jī)要是分為二級(jí)和三級(jí)兩種結(jié)構(gòu)形式的空壓機(jī)，其排氣壓力可達(dá)0.25～1.2 MPa，排氣量可達(dá)30000 Nm3/h。不同型號(hào)及廠家所生產(chǎn)的離心式空壓機(jī)相關(guān)性能參數(shù)千差萬別。各離心式空壓機(jī)專業(yè)廠商會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求參數(shù)，相應(yīng)地設(shè)計(jì)出具有一定特性的離心式空壓機(jī)，確保其安全、高效、可靠運(yùn)行。

每一型號(hào)的離心式空壓機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)一條排氣壓力P（或壓比ε）與流量Q 之間的曲線（圖2），每條曲線的最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的排氣量則為該離心式空壓機(jī)在該排氣壓力下的喘振最小流量Qmin。將全部喘振最小流量Qmin點(diǎn)（喘振點(diǎn)）擬合成一條曲線，這條曲線即為離心式空壓機(jī)喘振曲線。圖2 中左側(cè)稱為不穩(wěn)定工作區(qū)即喘振區(qū)，離心式空壓機(jī)在設(shè)計(jì)、制造及運(yùn)行過程中，必須避免進(jìn)入并遠(yuǎn)離喘振區(qū)，并讓機(jī)組在兩條控制線之間的區(qū)域運(yùn)行，避免機(jī)組發(fā)生喘振。

圖2 離心式空壓機(jī)性能曲線

2.2 喘振曲線

離心式空壓機(jī)的喘振曲線是以流量Q 為橫坐標(biāo)，以排氣壓力（出口壓力）P 為縱坐標(biāo)的拋物線。喘振曲線是根據(jù)出口壓力找出不同壓力條件對(duì)應(yīng)的最小吸入空氣流量（Qmin）。但實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，當(dāng)出口小于實(shí)際的管道系統(tǒng)壓力時(shí)，壓縮空氣無法推開止回閥或單向閥，所以在實(shí)際生產(chǎn)過程中只需從管道系統(tǒng)壓力點(diǎn)開始到機(jī)組最大出力的喘振曲線即可。

防喘振控制線方程可表示為[3]：

式中 k——?dú)怏w絕熱指數(shù)

g——重力加速度

P1——進(jìn)氣壓力

P2——出氣壓力

T——進(jìn)氣溫度

Qv——空壓機(jī)進(jìn)氣流量

R——特定氣體常數(shù)

α、b——與壓縮機(jī)性能相關(guān)的常數(shù)

根據(jù)防喘振控制線方程可以得出，該曲線為典型的拋物線，須控制好離心式空壓機(jī)流量和壓力的關(guān)系。離心式空壓機(jī)在出廠時(shí)或安裝調(diào)試時(shí)，通過喘振實(shí)驗(yàn)，并將喘振實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成一條較為準(zhǔn)確的喘振曲線（圖3）[4]以指導(dǎo)機(jī)組生產(chǎn)維護(hù)。

圖3 離心式空壓機(jī)喘振曲線

2.3 離心式空壓機(jī)喘振機(jī)理

離心式空壓機(jī)吸入空氣會(huì)隨外部條件的變化而發(fā)生改變。當(dāng)外部溫度、過濾器壓差等變高或氣壓變低時(shí)，吸入空氣流量減少。當(dāng)進(jìn)入離心式空壓機(jī)吸口的空氣流量不斷減少至Qmin時(shí)，進(jìn)入葉輪流道的氣流偏離設(shè)計(jì)工況，空氣進(jìn)入葉輪的徑向速度變小，相對(duì)速度方向角速度ω 與葉片出口角速度ω1不一致而出現(xiàn)沖角i（圖4），與此同時(shí)，在葉片的非工作面（背面）氣流邊界層產(chǎn)生分離（旋轉(zhuǎn)分離）[5]。

圖4 離心式空壓機(jī)喘振機(jī)理

因?yàn)闅饬鞣蛛x是沿著葉輪旋轉(zhuǎn)的反方向不斷擴(kuò)展，所以在葉道中會(huì)形成空氣漩渦，再?gòu)娜~輪外沿返回至葉輪中心，產(chǎn)生空氣旋離或稱之為旋轉(zhuǎn)失速。發(fā)生空氣旋離時(shí)葉道中空氣流通不暢，級(jí)里壓力立即減小，導(dǎo)致排氣管內(nèi)較高壓力的壓縮空氣倒流到級(jí)里，倒流回級(jí)里的壓縮空氣立即補(bǔ)充級(jí)里流量不足的氣體，使葉輪又恢復(fù)到正常工作狀態(tài)；葉輪重新再把倒流回來的空氣排出去，又再一次讓級(jí)里壓縮空氣流量減少，壓力再次突然下降，管道的高壓壓縮空氣又再一次倒流回級(jí)里；如此反復(fù)，在離心式空壓機(jī)中產(chǎn)生了周期性的壓縮空氣振蕩現(xiàn)象即離心式空壓機(jī)喘振。

2.4 影響離心式空壓機(jī)喘振的因素

2.4.1 流量

隨著離心式空壓機(jī)入口流量的減少，離心式空壓機(jī)的出口壓力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到該轉(zhuǎn)速n 最大出口壓力p 時(shí)，機(jī)組入口流量達(dá)到Qmin，進(jìn)入喘振點(diǎn)工況。當(dāng)機(jī)組入口流量繼續(xù)減少，離心式空壓機(jī)出口壓力也開始隨之減小，離心式空壓機(jī)隨即發(fā)生喘振（圖5）。根據(jù)防喘振控制線方程，離心式空壓機(jī)入口流量減少是機(jī)組發(fā)生喘振的根本原因之一，所以應(yīng)盡量避免機(jī)組在小流量工況下長(zhǎng)期運(yùn)行。通常情況下，離心式空壓機(jī)運(yùn)行最小入口流量不低于該機(jī)組設(shè)計(jì)流量的60%。

圖5 不同轉(zhuǎn)速壓力與流量的關(guān)系

2.4.2 入口壓力

離心式空壓機(jī)的入口壓力分別為P1、P2、P3且P1＞P2＞P3，在機(jī)組恒壓運(yùn)行模式下，分別對(duì)應(yīng)各自不同的壓力條件，當(dāng)入口壓力依次逐漸降低，在喘振曲線上的喘振點(diǎn)也依次降低，機(jī)組對(duì)相應(yīng)地越容易發(fā)生喘振（圖6）。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，當(dāng)入口過濾器壓差增大流量減少時(shí)，要及時(shí)清掃過濾器及濾筒，尤其是天氣炎熱的季節(jié)，以避免離心式空壓機(jī)發(fā)生喘振。

圖6 不同入口壓力的性能曲線

2.4.3 入口溫度

離心式空壓機(jī)在恒壓恒轉(zhuǎn)速模式下運(yùn)行，機(jī)組在不同入口溫度下對(duì)應(yīng)的性能曲線變化明顯（圖7）。從圖中可以看出，離心式空壓機(jī)在該模式下運(yùn)行，其入口空氣溫度分別為-20 ℃、0 ℃、10 ℃。

圖7 不同入口溫度的性能曲線

隨著入口空氣溫度升高，在喘振曲線上的喘振點(diǎn)也依次降低，機(jī)組也越容易發(fā)生喘振。因此在相同工況下，同一臺(tái)離心式空壓機(jī)夏季比冬季更容易發(fā)生喘振。

2.4.4 轉(zhuǎn)速

從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，在外部用氣負(fù)荷不變的前提下，離心式空壓機(jī)轉(zhuǎn)速分別為n1、n2、n3（n1＞n2＞n3），隨著機(jī)組隨轉(zhuǎn)速依次升高，其喘振曲線逐漸右移，機(jī)組就更可能發(fā)生喘振。同樣，當(dāng)離心式空壓機(jī)突然從高轉(zhuǎn)速迅速進(jìn)入低轉(zhuǎn)速時(shí)，由于機(jī)組各級(jí)進(jìn)氣發(fā)生較大改變，在一定程度上改變了機(jī)組性能曲線，也容易引發(fā)機(jī)組喘振。通常我們所使用的離心式空壓機(jī)組均采用恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，通過適量增加喘振裕量“快速”升降轉(zhuǎn)速，避免在開停機(jī)過程中發(fā)生喘振。

2.4.5 空壓機(jī)內(nèi)部工況

隨著離心式空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，機(jī)組可能出現(xiàn)擴(kuò)壓器腐蝕磨損、葉輪與擴(kuò)壓器（或渦殼）之間的間隙過大、葉輪磨損或結(jié)垢、冷卻器流道不暢等問題，均會(huì)導(dǎo)致離心式空壓機(jī)發(fā)生喘振。究其根本原因主要還是機(jī)組各級(jí)流量減少及壓力降低引發(fā)機(jī)組喘振。

2.4.6 外部配套管網(wǎng)性能

在離心式空壓機(jī)本身性能曲線沒有發(fā)生改變的情況下，外部配套管網(wǎng)性能曲線發(fā)生變化（曲線上移或變陡）也會(huì)引發(fā)機(jī)組喘振。比如將管網(wǎng)閥門關(guān)小，讓管網(wǎng)性能曲線變陡，讓離心式空壓機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)域運(yùn)行（圖8）。最初離心式空壓機(jī)在A 工況點(diǎn)運(yùn)行，后通過生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)整或其他原因，致使管網(wǎng)中的壓力大幅增大，管網(wǎng)曲線由2 移動(dòng)至2′，機(jī)組本身性能曲線沒有發(fā)生較大改變，但機(jī)組實(shí)際工況點(diǎn)已移至A 點(diǎn)，導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生喘振。

圖8 管網(wǎng)性能曲線變化

3 喘振特征及危害

離心式空壓機(jī)一旦發(fā)生喘振，機(jī)組和管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)將發(fā)生迅速變化，會(huì)出現(xiàn)一些明顯的特征：①離心式空壓機(jī)級(jí)間進(jìn)氣溫度大幅上升，而冷卻系統(tǒng)及設(shè)備均未發(fā)現(xiàn)故障；②離心式空壓機(jī)的電機(jī)電流產(chǎn)生大幅度波動(dòng)，并隨著喘振強(qiáng)度的增加而逐漸增大；③機(jī)殼、轉(zhuǎn)子、軸承等發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，且振動(dòng)不穩(wěn)定，時(shí)大時(shí)小，同時(shí)還會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈、周期性的氣流聲，但喘振振動(dòng)頻率較低；④離心式空壓機(jī)的出口壓力和入口流量產(chǎn)生大幅度周期性脈動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還可能發(fā)生壓縮空氣倒流，造成機(jī)組嚴(yán)重?fù)p壞事故；⑤離心式空壓機(jī)和管網(wǎng)發(fā)生周期性的劇烈振動(dòng)，并產(chǎn)生時(shí)高時(shí)低“轟轟”的異響。

離心式空壓機(jī)高速級(jí)轉(zhuǎn)速約30000 r/min，一旦發(fā)生喘振將對(duì)機(jī)組及管道危害極大，主要體現(xiàn)在以下5 個(gè)方面：①使轉(zhuǎn)子、葉輪、連接螺栓等發(fā)生嚴(yán)重變形、損壞；②使級(jí)間壓力失穩(wěn)從而引發(fā)強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致氣封、油封、軸瓦、空氣冷卻器等損壞；③使運(yùn)動(dòng)部位和靜止部位相接觸或碰撞，機(jī)組可能發(fā)生嚴(yán)重設(shè)備事故；④使轉(zhuǎn)子組件發(fā)生動(dòng)不平穩(wěn)，破壞整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性；⑤使振動(dòng)、溫度、流量等相關(guān)檢測(cè)儀表設(shè)備設(shè)施損壞。

4 P700-2250 型離心式空壓機(jī)喘振原因分析

4.1 設(shè)備主要情況及喘振過程

P 700-2250 型離心式空壓機(jī)機(jī)組在正常運(yùn)行過程中，于在2022 年1 月4 日至1 月7 日間多次出現(xiàn)喘振，主要表現(xiàn)為振動(dòng)突然增大、進(jìn)氣溫度陡增，機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)控制面板顯示機(jī)組發(fā)生喘振，保護(hù)停機(jī)。

4.2 機(jī)組檢查情況

通過機(jī)組分解檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)冷卻器及其配套系統(tǒng)正常、轉(zhuǎn)瓦正常、轉(zhuǎn)子組件正常、潤(rùn)滑系統(tǒng)正常、檢測(cè)設(shè)備正常；吸風(fēng)過濾器積塵嚴(yán)重，葉輪與擴(kuò)壓器間隙超0.7～0.9 mm，管網(wǎng)運(yùn)行壓力有一個(gè)明顯上升過程，超過0.62 MPa。

4.3 喘振分析

由于3 號(hào)P 700-2250 型離心式空壓機(jī)于1 月初在正常運(yùn)行狀態(tài)下突然多次發(fā)生喘振；同時(shí)每次喘振時(shí)，管網(wǎng)壓力均由0.52 MPa 升高至0.62 MPa，依據(jù)當(dāng)?shù)卮藭r(shí)氣候及天氣狀況，可以排除因入口壓力、入口溫度、相對(duì)分子量、轉(zhuǎn)速等因素引發(fā)喘振。該機(jī)組喘振很可能由機(jī)組本身性能、入口流量和管網(wǎng)性能等發(fā)生改變而引發(fā)機(jī)組喘振。

4.3.1 空壓機(jī)自身性能改變

3 號(hào)P 700-2250 型離心式空壓機(jī)葉輪與擴(kuò)壓器間隙達(dá)到0.7～0.9 mm，已遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值0.5 mm，其內(nèi)泄量大增加，各級(jí)排氣量及壓力均發(fā)生改變，導(dǎo)致其整機(jī)性能發(fā)生較大變化，其喘振曲線已變陡上移，防喘振裕量較設(shè)計(jì)值大幅減小（圖2），致使空壓機(jī)在排氣壓力上升過程中容易發(fā)生喘振，這也是該機(jī)組發(fā)生喘振的直接原因。

4.3.2 管網(wǎng)狀況改變對(duì)機(jī)組的影響

經(jīng)調(diào)取后臺(tái)記錄，3 號(hào)空壓機(jī)每次發(fā)生喘振時(shí)，管網(wǎng)壓力均有一個(gè)較大的波動(dòng)，壓力由0.52 MPa 升高至0.62 MPa，在管網(wǎng)壓力超過0.62 MPa 時(shí)，機(jī)組隨即發(fā)生喘振。當(dāng)管網(wǎng)壓力升高，導(dǎo)致管網(wǎng)性能曲線上移，實(shí)際工況點(diǎn)已移動(dòng)至喘振區(qū)（圖8），進(jìn)而機(jī)組發(fā)生喘振。由此可見，壓縮空氣用戶使用情況發(fā)生變化，導(dǎo)致管網(wǎng)壓力持續(xù)升高，是引發(fā)該機(jī)發(fā)生喘振外部原因。

4.3.3 入口流量變小對(duì)機(jī)組的影響

由于3 號(hào)空壓機(jī)沒有安裝單機(jī)排氣流量計(jì)，無從讀取單機(jī)流量，故以機(jī)組電流估算流量。該機(jī)額定排氣量215 N m3/min，額定電流為111 A，實(shí)際正常運(yùn)行電流約100 A。機(jī)組發(fā)生喘振時(shí)電流約70 A，遠(yuǎn)低于正常值，可以判定該機(jī)運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況。3 號(hào)機(jī)流量大幅減少，實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)非常接近喘振線，大幅減小了防喘振裕量，疊加管網(wǎng)壓力較大波動(dòng)，管網(wǎng)性能曲線上移以及機(jī)組本身防喘振裕度減少，導(dǎo)致該機(jī)更容易發(fā)生喘振。

（1）吸風(fēng)過濾器影響機(jī)組入口流量。吸風(fēng)過濾器濾管積塵較多，加大了進(jìn)氣阻力，增大了過濾器壓差，直接導(dǎo)致3 號(hào)空壓機(jī)入口流量大幅減少，進(jìn)而導(dǎo)致該機(jī)組更容易發(fā)生喘振。

（2）葉輪間隙過大影響機(jī)組入口流量。3 號(hào)空壓機(jī)葉輪與擴(kuò)壓器間隙設(shè)計(jì)值為0.5 mm，最大間隙不超過0.75 mm，經(jīng)過十幾年沖刷與磨損，其間隙已達(dá)0.7～0.9 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值，直接導(dǎo)致其級(jí)間內(nèi)泄量增大、實(shí)際入口流量減少，該機(jī)組防喘振裕量減少。

5 對(duì)策

5.1 穩(wěn)定管網(wǎng)壓力

通過強(qiáng)化用戶管控，加強(qiáng)信息流通，及時(shí)調(diào)整管網(wǎng)壓力，減少管網(wǎng)壓力波動(dòng)頻率及幅度，給機(jī)組營(yíng)造一個(gè)良好的外部供氣條件。

5.2 清掃吸風(fēng)過濾器

3 號(hào)P 700-2250 型離心式空壓機(jī)吸風(fēng)過濾器濾管積塵嚴(yán)重，導(dǎo)致過濾器壓差變大，直接影響機(jī)組的吸入風(fēng)量，引起機(jī)組喘振。因此對(duì)吸風(fēng)過濾器濾管進(jìn)行解體檢查，全面清掃其表面附著物及積塵，并用凈化后的壓縮空氣進(jìn)行二次清掃，保證其表面干凈（圖9），盡量降低壓差、增加機(jī)組入口流量。

圖9 吸風(fēng)過濾器濾清掃前后對(duì)比

5.3 調(diào)整葉輪間隙

通過鑲套方式，將渦殼內(nèi)徑縮小，同時(shí)更新擴(kuò)壓器，以調(diào)整葉輪與擴(kuò)壓器間隙至0.50 ～0.55 mm，恢復(fù)機(jī)組級(jí)間壓力、流量及性能（圖10）。

圖10 渦殼內(nèi)徑鑲套

6 結(jié)束語(yǔ)

通過優(yōu)化管網(wǎng)性能、增大機(jī)組入口流量及恢復(fù)機(jī)組原有性能，并順利完成3 臺(tái)P 700-2250 型離心式空壓機(jī)喘振實(shí)驗(yàn)，得到其喘振曲線與原機(jī)組喘振曲線基本一致，現(xiàn)已平穩(wěn)運(yùn)行近1 年，取得了良好的結(jié)果。

由于離心式空壓機(jī)在石化、冶煉、動(dòng)力等各行業(yè)裝備數(shù)量眾多，其出廠時(shí)均完成排氣壓力、流量及喘振等相關(guān)實(shí)驗(yàn)，隨使用時(shí)間的增長(zhǎng)，機(jī)組自身特性也將隨之發(fā)生改變，加之配套系統(tǒng)的不斷“劣化”，導(dǎo)致離心式空壓機(jī)喘振成為常見故障之一。在日常使用過程中，離心式空壓機(jī)喘振絕大部分原因?yàn)槿~輪間隙變大、吸風(fēng)流量減少、管網(wǎng)波動(dòng)、擴(kuò)壓器及葉輪結(jié)垢磨損等。