離心式壓縮機的喘振分析盧 勇摘要：本文通過分析離心式壓縮機工作過程中喘振產生的機理，原因，危害及判斷方法，介紹了催化劑長嶺分公司空壓站4臺壓縮機的控制方式和喘振控制系統選擇準則。關鍵詞：喘振 機理 原因 危害 判斷 控制一、 引言隨著生產規模的擴大以及對產品質量要求的提升，生產車間對工藝和儀表用風要求越來越高，催化劑長嶺分公司綜合車間空壓站因此不斷進行改造，增加供風能力和提高供風質量，目前，已經淘汰所有往復式壓縮機，全部使用離心式壓縮機。離心式壓縮機是速度式壓縮機的一種，具有排氣量大、效率高、結構簡單、體積小、氣流不受油污染以及正常工況下運行平穩、壓縮氣流無脈動等特點，然而，離心式壓縮機對氣體的壓力、流量、溫度變化較敏感，易發生喘振。喘振是離心式壓縮機的一種固有現象，具有較大的危害性，是壓縮機損壞的主要誘因之一，長嶺分公司空壓站共有4臺離心式壓縮機，其中庫柏公司3臺，IHI壽力公司1臺，雖然制造廠家通過控制系統的合理設計，避開了絕大多數的喘振，但在設備的長期使用過程中，仍然不同程度地出現了喘振現象，并造成了一些危害，因此，需要結合生產實踐，逐步弄清喘振機理，掌握喘振的影響因素，采取有效的防喘振控制措施，消除喘振產生的條件，減少喘振出現的頻次，提高壓縮機的運行可靠性。二、 喘振現象的產生1. 喘振的機理防喘振工況區P壓力線喘振線護設計點流量Q固定轉速的特征曲線阻塞工況區穩定工況區圖1 離心式壓縮機是利用機器的作功元件如高速回轉的葉輪對氣體作功，使氣體在離心力場中壓力得到提高，同時動能也大為增加，隨后在擴壓流道中流動時這部分動能又轉變成靜壓能，而使氣體壓力進一步提高，這就是離心式壓縮機的工作原理或增壓原理。圖1為離心式壓縮機的性能變化曲線，它清晰地表明了各種工況下的性能、穩定工作范圍等，在轉速不變的情況下，當流量Q增大到某個最大值時，壓比和效率垂直下降，出現阻塞現象。當流量Q減小到某個值時，操作工況也會發生變動并偏離設計工況，這時進入葉輪或擴壓器流道的氣流方向就會發生變化，氣流向著葉片的工作面沖擊，在葉片的非工作面的前緣部分，產生很大的局部擴壓度，于是在葉片非工作面上出現了氣流邊界層分離現象并形成漩渦區，并向葉輪出口處逐漸擴大，如圖2所示，氣量越小，則分離現象越嚴重，氣流的分離區域也就越大。由于葉片形狀和安裝位置不可能完全相同，而且氣流流過葉片時的不均勻，使得氣流的邊界層分離可能在葉片或葉片擴壓器的某個葉道中出現。當流量減少到一定程度，由于葉輪的連續旋轉和氣流的連續性，使這種邊界層分離現象將擴大到整個流道，而且由于氣流分離沿著葉輪旋轉的反方向擴展，從而使葉道中形成氣流渦旋，再從葉輪外圓折回到葉輪內圓，此現象稱為旋轉脫離。葉道中邊界層分離，生成漩渦區，多產生在非工作面，尤其是葉輪出口附近，氣量越小，則分離現象越嚴重，氣流的分離區域也就越大。圖2非工作面工作面漩渦區發生旋轉脫離時，葉道中的氣流通不過去，級的壓力也突然下降，排氣管內較高壓力的氣流便倒流回級里來，瞬間，倒流回級中的氣體就補充了級流量的不足，使葉輪又恢復了正常工作，從而重新把倒流回來的氣體壓出去，這樣又使級中流量減少，于是壓力又突然下降，級后的壓力氣體又倒回級中來，如此周而復始，在系統中產生了周期性的氣流振蕩現象，這種現象稱為“喘振”。因此，離心式壓縮機的喘振現象的產生有兩個主要原因：壓縮機流量減少，它是喘振產生的內因；與壓縮機聯合工作的管網特性是喘振產生的外界條件；此外，被輸送氣體的吸入狀態，也是使壓縮機產生喘振的因素，一般講，吸入氣體的溫度或壓力越低，壓縮機越容易進入喘振區。2. 造成喘振的原因影響離心式喘振的因素不是單一的，往往是多種因素綜合作用的結果，運行中可能造成喘振的各種原因有：1) 系統壓力超高造成這種情況有：壓縮機緊急停機，氣體為此進行放空或回流；出口管路上的單向逆止閥門動作不靈活關閉不嚴；或者單向閥距壓縮機出口太遠，閥前氣體容量很大，系統突然減量，壓縮機來不及調節，防喘系統未投自動等等。2) 吸入流量不足由于外界原因使吸入量減少到喘振流量以下，而轉速，使壓縮機進入喘振區引起喘振。如圖1。這種情況的原因有：壓縮機入口濾器阻塞，阻力太大，而壓縮機轉速未能調節造成喘振；濾芯太臟，或冬天結冰都可能發生這種情況；入口氣源減少或切斷，如壓縮機供氣不足，壓縮機沒有補充氣源等等。所有這些情況如不及時發現及時調節。壓縮機都可能發生喘振。3) 機械部件損壞脫落機械密封，平衡盤密封，O型環等部件安裝不全，安裝位置不準或者脫落，會形成各級之間，各段之間串氣，可能引起喘振；過濾器阻力太大，逆止閥失效或破損也都可以引起喘振。4) 操作中，升速升壓過快，降速之前未能首先降壓升速、升壓要緩慢均勻，降速之前應先采取卸壓措施：如放空，回流等；以免轉速降低后，氣流倒灌。5) 工況改變，運行點落入喘振區工況變化，如改變轉速，流量，壓力之前，未查看特性曲線，使壓縮機運行點落入喘振區。6) 正常運行時，防喘振系統未投自動當外界因素變化時，如壓力下降或氣量波動；電機轉速下降而防喘振系統來不及手動調節；或來氣中斷等；由于未用自動防喘振裝置可能造成喘振。7) 介質狀態變化造成喘振喘振發生的可能與氣體介質狀態有很大關系。因為氣體的狀態影響流量，從而也影響喘振流量，當然影響喘振。如進氣溫度，進氣壓力，氣體成分即分子量等對喘振都有影響。當轉速不變，出口壓力不變時，氣體入口穩度增加容易發生喘振；當轉速一定，進氣壓力越高則喘振流量值也越大；當進氣壓力一定，轉速不變，氣體分子量減少很多時，容易發生喘振。3. 喘振的危害和判斷1) 氣流脈動使壓縮機的大部分動能轉化為熱能，致使壓縮機內溫度迅速上升。2) 壓縮機性能惡化，壓力、效率降低。3) 出現異常噪聲、吼叫和爆音。4) 機組出現強烈振動，使得壓縮機的軸承、密封損壞，轉子和固定部件發生碰撞，造成機器嚴重破壞。壓縮機的喘振一般可以用以下方法進行判定：1) 聽測壓縮機出口管路氣流的噪音當壓縮機接近喘振工況時，排氣管道中會發生周期性時高時低“呼哧呼哧”的噪音，當進入喘振工況時，噪音立即大增，甚至出現爆聲。2) 觀測壓縮機出口壓力和進口流量的變化喘振時，出現了周期性的、大幅度的脈動，從而引起測量儀表大幅度地擺動。3) 觀測壓縮機的機體和軸承的振動情況喘振時，機體、軸承的振動振幅顯著增大，機組發生強烈的振動。4) 利用故障診斷和狀態監測技術進行分析判斷喘振可以分為弱喘振和深度喘振，它們之間沒有分界線，一般出現倒流的喘振肯定為深度喘振。弱喘振或級間喘振，僅靠觀測故障現象還不能作出準確的判定，這時可以依靠頻譜分析等先進的故障診斷和狀態監測技術來進行分析判斷。根據出現振動時的頻率特征來判斷振動是否因喘振引發的，進而查找故障原因，壓縮機接近或進入喘振工況時，振幅要比正常運行時大大增加，喘振頻率一般為130Hz。表1為旋轉失速與喘振的振動敏感參數。序號敏感參數隨敏感參數變化情況旋轉失速喘振1隨轉速變化明顯明顯2隨油溫變化不變不變3隨介質溫度變化變化變化4隨壓力變化很明顯很明顯5隨流量變化很明顯很明顯6隨負荷變化很明顯很明顯表1三、 離心式壓縮機的防喘振控制為了防止離心式壓縮機產生喘振而設置的控制方案稱為防喘振控制方案。防喘振控制與一般的壓縮機流量控制是不相同的，它的基本出發點是要控制壓縮機的入口流量不低于某一個極限數值。根據這個極限數值是恒定、還是可變的不同要求，壓縮機的防喘振控制方案分為固定極限流量法和可變流量極限流量法。1. 固定極限流量法是控制壓縮機的入口流量不低于某一不變的極限值，以防止喘振現象的產生。這種方案的結構簡單、運行安全可靠，投資費用較少。但產生喘振現象的流量極限值往往與壓縮機的轉速有關因此，當壓縮機的轉速不是恒值時，不宜采用這種方案。2. 當壓縮機的轉速可變時，進入喘振區的極限流量也是變化的。這個極限流量可以根據壓縮機的安全操作線（由制造廠家提供）經過一定的計算得到。可變極限流量法就是控制壓縮機的入口流量，使之不低于這個由計算得到的流量極限值，以防止喘振現象的發生。這種方案由于要根據現場數據來計算流量的極限值，比較麻煩。而且當安全操作線的方程不相同時，就應該有不同的計算方法和相應的控制方案。但這種方案在壓縮機的轉速不恒定，負荷需要變動的場合下，使用較可靠、較經濟。催化劑長嶺分公司空壓站4臺壓縮機均固定轉速，采用恒壓控制，其防喘振控制工藝流程中，由進出口壓力、溫度以及進口氣體實際流量等參數的測量作為喘振控制系統的輸入量，其壓力的測量點和防喘閥的安裝如圖3所示，壓縮機出口設有單向閥，以防止氣體倒流。A.入口過濾器 B.入口膨脹節（其后為入口導葉） C.出口膨脹節D.單向閥 E.后冷卻器（其后有氣液分離器，未畫出） F.切斷閥 G.放空閥 H.消音器圖3控制系統含有防喘振控制單元，該單元由傳感器、變送器、喘振控制器以及防喘振閥或回流閥組成。在運行過程中，機組喘振控制器通過接收入口、出口壓力和溫度及入口流量信號， 判斷壓縮機的工作狀態， 以決定防喘振閥或回流閥的關啟。如果無機組喘振控制，壓縮機從出現異常到發生喘振的時間很短，因此要求設備和工藝設計應滿足準確和快速反應的特點。在使用恒壓控制方法時，空壓機運行中不會有卸荷過程，控制系統可對入口導葉和出口放空閥進行連動控制，在保證最小能耗和最少放空量的同時，優化操作點，這樣便保證了空壓機以恒定的壓力連續供風。一旦空氣壓力達到其設定值時，空壓機入口導葉便開始節流以維持空壓機的出口壓力，此時入口導葉自動開或關，以確保正確的空壓機進氣量，來滿足用風系統的壓力要求。由于恒壓控制方法具有決不對空壓機進行卸載操作的特點，這樣便保證了空壓機在滿足所有工藝要求的情況下，維持穩定的出口壓力。當工藝用風要求降低到喘振極限以下時，可調節的出口放空閥，保持全關。如果工藝用風要求降低到空壓機最低的穩定操作范圍以下時，該放空閥可按要求自動開或關，將空壓機過剩壓縮能力排大氣。入口導葉和出口放空閥的連動工作，也確保了工藝用風量和排大氣風量之和，總能等于或大于空壓機的最低穩定操作點。喘振主動控制系統選擇準則1. 根據設計目標選擇作動機構和傳感器。通過調整結構參數確定作動機構的動作范圍和動作速率的范圍等特性。確定傳感器的動態特性以及采樣頻率等；2. 根據作動機構的特性設計控制方案和控制參數。選取的原則是控制效果好，控制時間短，對