離心式壓縮機(jī)振動(dòng)故障分析及解決措施

摘 要 為解決某石化公司離心式壓縮機(jī)的振動(dòng)故障問(wèn)題，分析其工作時(shí)的頻譜圖與工況參數(shù)，判斷該故障屬于喘振，并結(jié)合壓縮機(jī)工作參數(shù)及振動(dòng)幅值，給出壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)和進(jìn)口溫度變化曲線(xiàn)。研究結(jié)果表明，壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)有部分工作點(diǎn)位于喘振區(qū)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻進(jìn)口溫度驟增、振動(dòng)劇烈，分析可知，工質(zhì)分子量減小、進(jìn)口溫度驟升、轉(zhuǎn)速降低過(guò)快是引起喘振的主要原因。最后提出安裝防喘振閥和安全閥、增加回流管、降低停機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)速降低速率、安裝防喘振系統(tǒng)等解決措施。

關(guān)鍵詞 離心式壓縮機(jī) 喘振 壓縮機(jī)性能曲線(xiàn) 解決措施

中圖分類(lèi)號(hào) TQ051.21" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B" "文章編號(hào) 0254?6094（2025）02?0315?07

離心式壓縮機(jī)具有輸出平穩(wěn)均勻、供氣充足及運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，是石化行業(yè)廣泛應(yīng)用的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備[1，2]。但離心式壓縮機(jī)易受工作介質(zhì)溫度、質(zhì)量流量、進(jìn)出口壓力及分子量等參數(shù)變化的影響，引起入口質(zhì)量流量減小的問(wèn)題，當(dāng)入口質(zhì)量流量減小，壓縮機(jī)排氣壓力隨之改變，當(dāng)?shù)陀诠芫W(wǎng)壓力時(shí)，極易引起出口處的工質(zhì)向進(jìn)口處倒流，此過(guò)程壓力與質(zhì)量流量循環(huán)波動(dòng)，出現(xiàn)喘振[3～7]。喘振嚴(yán)重時(shí)將造成設(shè)備緊急停機(jī)，導(dǎo)致設(shè)備損壞[8]。

針對(duì)離心式壓縮機(jī)的喘振問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究。賀秋梅對(duì)離心式壓縮機(jī)喘振原因、機(jī)理及特征判斷做了詳細(xì)闡述，并從設(shè)計(jì)參數(shù)、壓力、雙參數(shù)及質(zhì)量流量控制工藝等方面提出防喘建議[9]。TOYAMA K等研究了離心式壓縮機(jī)的不穩(wěn)定性，測(cè)量了壓縮機(jī)內(nèi)部不同位置在喘振時(shí)的壓力變化[10]。史云昊等建立了一氣腔模型，模擬了不同工況下壓縮機(jī)出口處壓力和質(zhì)量流量變化情況，進(jìn)而分析喘振的影響因素及其規(guī)律[11]。ABDULKAREEM A W A和RASHA H H建立了變轉(zhuǎn)速的離心壓縮系統(tǒng)模型，研究了壓縮機(jī)各部件的能量損失，推導(dǎo)出了壓縮機(jī)的變速特性，進(jìn)而研究了變轉(zhuǎn)速下喘振的主動(dòng)控制問(wèn)題[12]。

然而，大多數(shù)學(xué)者對(duì)失速和喘振的描述和判斷均基于理論分析和模擬，而對(duì)于工程實(shí)踐中壓縮機(jī)失速喘振案例分析探討卻很少，也極少將工程中壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)直接與性能曲線(xiàn)結(jié)合在同一走勢(shì)圖中進(jìn)行協(xié)同對(duì)比分析。筆者采用測(cè)振動(dòng)法和壓力波動(dòng)法[13]對(duì)某石化公司的離心式壓縮機(jī)進(jìn)行測(cè)試，將其各工作點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)直接與壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)協(xié)同分析;通過(guò)研究進(jìn)口溫度、轉(zhuǎn)速、工質(zhì)分子量和進(jìn)出口壓力對(duì)壓縮機(jī)的影響規(guī)律，將理論知識(shí)運(yùn)用到工程實(shí)踐中，并結(jié)合實(shí)際提出解決壓縮機(jī)喘振問(wèn)題的方法，為壓縮機(jī)故障檢測(cè)與診斷提供一定的指導(dǎo)。

1 壓縮機(jī)振動(dòng)原因分析

觀(guān)察某石化公司離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行工況記錄，發(fā)現(xiàn)自該壓縮機(jī)啟動(dòng)以來(lái)，以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)啟動(dòng)時(shí)，壓縮機(jī)出口壓力可達(dá)1.1 MPa，運(yùn)行正常，壓縮機(jī)未見(jiàn)較大振動(dòng)。當(dāng)工作介質(zhì)改為混合氣體時(shí)，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端x方向振動(dòng)幅值最高達(dá)到了132.97 μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常工作時(shí)的最大振幅25.98 μm，壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端y方向同樣振動(dòng)劇烈，振幅最高達(dá)到了219.80 μm。為了找到振動(dòng)原因并解決該問(wèn)題，針對(duì)這一不正常運(yùn)行工況進(jìn)行分析計(jì)算。

振動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致振動(dòng)的原因有很多種，喘振是常見(jiàn)原因之一，同時(shí)喘振還會(huì)伴隨軸承異常振動(dòng)，壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量、溫度與壓力異常波動(dòng)等變化[14，15]。DAY I認(rèn)為，喘振前壓縮機(jī)內(nèi)部壓力會(huì)突然下降，進(jìn)而引起倒流，可以作為判斷喘振的指標(biāo)。故筆者對(duì)該壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行分析[16]。

1.1 頻譜圖及物性參數(shù)分析

以混合氣體為工質(zhì)的離心式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)頻譜圖如圖1所示?？梢钥闯?，除了在工頻處存在明顯的振動(dòng)峰值外，壓縮機(jī)具有較為嚴(yán)重的亞異步振動(dòng)，振動(dòng)頻率復(fù)雜;最大振動(dòng)幅值出現(xiàn)在0.2～0.4倍頻（14.36～28.72 Hz）處，且振動(dòng)幅值大于工頻（71.80 Hz）處的幅值。

將壓縮機(jī)不同工況下的相關(guān)參數(shù)及各工質(zhì)氣體分子量參數(shù)列于表1、2。

由表1可以看出，當(dāng)工質(zhì)為混合氣體時(shí)，進(jìn)氣溫度為33 ℃，以氮?dú)鉃楣ぷ鹘橘|(zhì)時(shí)，進(jìn)氣溫度為20 ℃，混合氣體的進(jìn)氣溫度明顯大于氮?dú)?，氣體溫度增加將引起密度降低，進(jìn)而造成入口質(zhì)量流量減小，導(dǎo)致管網(wǎng)中的氣體向離心壓縮機(jī)倒流，該過(guò)程引起機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，最終造成喘振[17]。由表2可知，使用氮?dú)鈫C(jī)時(shí)，工質(zhì)的平均分子量為28.01，在標(biāo)準(zhǔn)操作條件下，混合氣體工質(zhì)的平均分子量為22.82，可見(jiàn)使用混合氣體工質(zhì)的平均分子量較氮?dú)鉁p小了18.53%。

多變變壓縮能量頭h的計(jì)算式如下：

式中 m——多變變指數(shù);

M——工質(zhì)氣體分子量;

p、p——壓縮機(jī)的進(jìn)、出口壓力，Pa;

R——?dú)怏w常數(shù);

T1——進(jìn)氣溫度，℃。

同一離心式壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)壓縮氣體的工質(zhì)容積和流量是恒定的，耗費(fèi)的壓縮機(jī)能量頭h不變，多變變指數(shù)m也不變，由式（1）可知，當(dāng)工質(zhì)氣體其他參數(shù)恒定，分子量M減小時(shí)，氣體常數(shù)R將增大，因此將引起出口壓力p降低，壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)下移，導(dǎo)致壓縮機(jī)的喘振極限流量增大進(jìn)而引起喘振[18，19]。

1.2 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

離心式壓縮機(jī)啟動(dòng)工況部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表3，可以看出，在開(kāi)機(jī)升速過(guò)程中，轉(zhuǎn)速增加較平穩(wěn)，最高每秒增加31.6轉(zhuǎn)，整體比較穩(wěn)定，振動(dòng)幅值不大，屬于壓縮機(jī)安全工作范圍之內(nèi)。

離心式壓縮機(jī)穩(wěn)定工況部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表4，可以看出，穩(wěn)定工作時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速約4 310 r/min，此時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)變化較為平緩，沒(méi)有突變的現(xiàn)象，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端x方向振動(dòng)幅值穩(wěn)定在18～29 μm之間，y方向振動(dòng)幅值穩(wěn)定在15～23 μm之間;壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端x方向振動(dòng)幅值基本維持在20～37 μm之間，最大可達(dá)37.34 μm，y方向振動(dòng)幅值穩(wěn)定在20～38 μm之間，最大可達(dá)37.25 μm。由設(shè)計(jì)參數(shù)可知，壓縮機(jī)振幅在50 μm處報(bào)警，100 μm處聯(lián)鎖，根據(jù)表4可知壓縮機(jī)此時(shí)屬于正常工作范圍內(nèi)。

離心式壓縮機(jī)停機(jī)工況部分?jǐn)?shù)據(jù)見(jiàn)表5，可以看出，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下降到1 800～3 263 r/min時(shí)，振動(dòng)發(fā)生了突變，壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端x方向振動(dòng)幅值最高甚至達(dá)到132.97 μm，遠(yuǎn)超工作轉(zhuǎn)速時(shí)的最大振幅25.98 μm，振幅增大了411.8%，驅(qū)動(dòng)端y方向振動(dòng)幅值最高達(dá)145.64 μm，較穩(wěn)定工況時(shí)的最大振幅（22.99 μm）增大了533.5%;壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端x、y方向最大振幅分別為215.56、219.80 μm，與穩(wěn)定工況時(shí)的最大振幅（37.34、37.25 μm）相比各增長(zhǎng)了477.3%、490.1%。由表5可知，停機(jī)過(guò)程中，在振幅達(dá)到219.80 μm的這段時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)速降低過(guò)快，每秒降低444轉(zhuǎn)，管路壓力偏高導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生湍流脈動(dòng)。

根據(jù)頻譜及停機(jī)過(guò)程中的振動(dòng)突變，可初步判斷為機(jī)組發(fā)生了喘振。為了證明該振動(dòng)屬于喘振，分析壓縮機(jī)連續(xù)兩日的相關(guān)工況參數(shù)，包括進(jìn)氣溫度、進(jìn)出口壓力、入口質(zhì)量流量及壓縮機(jī)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)幅值等。

1.3 進(jìn)氣溫度

離心式壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖2所示，可以看出，進(jìn)氣溫度在15：52：37開(kāi)始出現(xiàn)急劇上升，由式（1）可知，因同一臺(tái)壓縮機(jī)工作時(shí)功率恒定，做功不變，即h和m不變，則進(jìn)氣溫度T1增大，工質(zhì)氣體分子量M減小，都會(huì)使得壓縮機(jī)出口壓力降低，導(dǎo)致其性能曲線(xiàn)下移，造成壓縮機(jī)工作點(diǎn)更易進(jìn)入喘振區(qū)發(fā)生喘振[20，21]。

1.4 壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)

為便于采集、分析機(jī)組振動(dòng)信息，對(duì)比分析了壓縮機(jī)工作參數(shù)變化趨勢(shì)，如圖3所示。可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速快速降低時(shí)，隨著出口壓力快速降低，入口壓力快速增大，此階段質(zhì)量流量急劇減少，壓縮機(jī)振動(dòng)幅值異常升高。結(jié)合壓縮機(jī)振動(dòng)幅值和入口壓力變化情況可知，壓縮機(jī)進(jìn)口處發(fā)生了氣流倒流現(xiàn)象，且隨著倒流現(xiàn)象消失，振動(dòng)恢復(fù)正常，應(yīng)為典型的壓縮機(jī)喘振或者旋轉(zhuǎn)失速現(xiàn)象[22]。

為驗(yàn)證診斷結(jié)果，將壓縮機(jī)工作點(diǎn)繪制到性能曲線(xiàn)圖中，如圖4所示。由于正常工作時(shí)的介質(zhì)是混合氣體，故選擇以吸入壓力為1.1 MPa、分子量為22.85的回收氣體啟動(dòng)的性能曲線(xiàn)作為參考。其中，實(shí)線(xiàn)是壓縮機(jī)正常工作時(shí)的性能曲線(xiàn)，點(diǎn)線(xiàn)是通入介質(zhì)以后壓縮機(jī)的各工作點(diǎn)。由圖4可知，當(dāng)質(zhì)量流量小于喘振邊界點(diǎn)即進(jìn)入喘振區(qū)，壓力超過(guò)性能曲線(xiàn)即進(jìn)入喘振區(qū)，只有工作點(diǎn)位于性能曲線(xiàn)下方壓縮機(jī)才能正常工作。

根據(jù)圖4可驗(yàn)證，壓縮機(jī)從啟機(jī)到停機(jī)這段時(shí)間內(nèi)，有一部分工作點(diǎn)的流量小于喘振極限流量值1 261 000 kg/h，對(duì)比可知這部分工作點(diǎn)是由于停機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速下降過(guò)快流量過(guò)小造成的。根據(jù)該壓縮機(jī)近日工作參數(shù)和性能曲線(xiàn)可得出：該壓縮機(jī)的振動(dòng)屬于喘振，壓縮機(jī)在停機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速降低過(guò)快，導(dǎo)致入口質(zhì)量流量減小，而管網(wǎng)容積很大，壓力變化很慢，管網(wǎng)壓力仍高于其排氣壓力，在巨大壓差的作用下使得氣體向著離心壓縮機(jī)入口

處倒流，該過(guò)程循環(huán)從而引起機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，導(dǎo)致喘振。

2 壓縮機(jī)喘振常見(jiàn)解決措施

針對(duì)該離心式壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象，提出以下解決措施：

a. 安裝防喘振閥和安全閥。由于該機(jī)組未安裝防喘振閥，建議安裝防喘振閥和安全閥，在壓縮機(jī)因喘振引起異常振動(dòng)時(shí)，可以及時(shí)報(bào)警和調(diào)節(jié)防喘振閥的開(kāi)閉。

b. 增設(shè)工藝旁路。若機(jī)組未設(shè)置防喘振閥，可在壓縮機(jī)出口安裝回流管連接到進(jìn)口處，當(dāng)管網(wǎng)壓力過(guò)高時(shí)，可通過(guò)回流管將氣體向進(jìn)口抽走一部分，從而增大進(jìn)口流量[23]。

c. 增加入口質(zhì)量流量。壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量的減小是引發(fā)其喘振的根本原因，根據(jù)性能曲線(xiàn)可知，增加壓縮機(jī)入口質(zhì)量流量，使工作點(diǎn)向穩(wěn)定工作區(qū)偏移，可以有效避免喘振的發(fā)生。

d. 停機(jī)時(shí)緩慢降低轉(zhuǎn)速。由測(cè)得數(shù)據(jù)可知，在振幅達(dá)到219.80 μm的過(guò)程中轉(zhuǎn)速降低過(guò)快，每秒降低444轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速的快速降低造成進(jìn)口質(zhì)量流量迅速減小，壓縮機(jī)出口壓力大幅下降，導(dǎo)致氣體在壓差作用下倒流發(fā)生喘振。因此可以緩慢降低轉(zhuǎn)速，例如由每秒444轉(zhuǎn)減小到每秒100轉(zhuǎn)。

e. 安裝防喘振系統(tǒng)。如果壓縮機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍小，為了節(jié)約投資可以減小防喘流量裕度，選用固定極限流量法控制;如果壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，負(fù)荷經(jīng)常變化，可以采用可變極限流量法防喘振控制;當(dāng)進(jìn)入壓縮機(jī)的氣體物性參數(shù)（例如壓力、溫度、分子量）經(jīng)常變化時(shí)，建議使用通用性能曲線(xiàn)防喘控制系統(tǒng)[24]。

3 結(jié)論

3.1 通過(guò)頻譜圖和振動(dòng)幅值可以發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)最大振動(dòng)幅值出現(xiàn)在0.2～0.4倍頻之間，且振動(dòng)幅值大于工頻（71.80 Hz）處的幅值。啟動(dòng)和穩(wěn)定工作時(shí)振幅正常，停機(jī)時(shí)壓縮機(jī)各端振動(dòng)發(fā)生了突增，各端振動(dòng)最大增幅均達(dá)到80%以上。

3.2 分析壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)，確定該異常振動(dòng)為喘振引起的。對(duì)工質(zhì)工況分析發(fā)現(xiàn)，分子量降低、入口溫度增大、轉(zhuǎn)速降低過(guò)快導(dǎo)致負(fù)荷變化劇烈是引起喘振的主要原因。

3.3 結(jié)合該離心式壓縮機(jī)現(xiàn)狀，建議采取安裝防喘振閥、安裝回流管、增大入口質(zhì)量流量、減小停機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)速降低速率、安裝防喘系統(tǒng)等措施，從而避免喘振的發(fā)生。

參 考 文 獻(xiàn)

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