离心式压缩机的喘振分析.docx
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离心式压缩机的喘振分析
离心式压缩机的喘振分析
卢勇
摘要：
本文通过分析离心式压缩机工作过程中喘振产生的机理，原因，危害及判断方法，介绍了催化剂长岭分公司空压站4台压缩机的控制方式和喘振控制系统选择准则。
关键词：
喘振机理原因危害判断控制
一、引言
随着生产规模的扩大以及对产品质量要求的提升，生产车间对工艺和仪表用风要求越来越高，催化剂长岭分公司综合车间空压站因此不断进行改造，增加供风能力和提高供风质量，目前，已经淘汰所有往复式压缩机，全部使用离心式压缩机。
离心式压缩机是速度式压缩机的一种，具有排气量大、效率高、结构简单、体积小、气流不受油污染以及正常工况下运行平稳、压缩气流无脉动等特点，然而，离心式压缩机对气体的压力、流量、温度变化较敏感，易发生喘振。
喘振是离心式压缩机的一种固有现象，具有较大的危害性，是压缩机损坏的主要诱因之一，长岭分公司空压站共有4台离心式压缩机，其中库柏公司3台，IHI寿力公司1台，虽然制造厂家通过控制系统的合理设计，避开了绝大多数的喘振，但在设备的长期使用过程中，仍然不同程度地出现了喘振现象，并造成了一些危害，因此，需要结合生产实践，逐步弄清喘振机理，掌握喘振的影响因素，采取有效的防喘振控制措施，消除喘振产生的条件，减少喘振出现的频次，提高压缩机的运行可靠性。
二、喘振现象的产生
1.喘振的机理
图1
离心式压缩机是利用机器的作功元件如高速回转的叶轮对气体作功，使气体在离心力场中压力得到提高，同时动能也大为增加，随后在扩压流道中流动时这部分动能又转变成静压能，而使气体压力进一步提高，这就是离心式压缩机的工作原理或增压原理。
图1为离心式压缩机的性能变化曲线，它清晰地表明了各种工况下的性能、稳定工作范围等，在转速不变的情况下，当流量Q增大到某个最大值时，压比和效率垂直下降，出现阻塞现象。
当流量Q减小到某个值时，操作工况也会发生变动并偏离设计工况，这时进入叶轮或扩压器流道的气流方向就会发生变化，气流向着叶片的工作面冲击，在叶片的非工作面的前缘部分，产生很大的局部扩压度，于是在叶片非工作面上出现了气流边界层分离现象并形成漩涡区，并向叶轮出口处逐渐扩大，如图2所示，气量越小，则分离现象越严重，气流的分离区域也就越大。
由于叶片形状和安装位置不可能完全相同，而且气流流过叶片时的不均匀，使得气流的边界层分离可能在叶片或叶片扩压器的某个叶道中出现。
当流量减少到一定程度，由于叶轮的连续旋转和气流的连续性，使这种边界层分离现象将扩大到整个流道，而且由于气流分离沿着叶轮旋转的反方向扩展，从而使叶道中形成气流涡旋，再从叶轮外圆折回到叶轮内圆，此现象称为旋转脱离。
发生旋转脱离时，叶道中的气流通不过去，级的压力也突然下降，排气管内较高压力的气流便倒流回级里来，瞬间，倒流回级中的气体就补充了级流量的不足，使叶轮又恢复了正常工作，从而重新把倒流回来的气体压出去，这样又使级中流量减少，于是压力又突然下降，级后的压力气体又倒回级中来，如此周而复始，在系统中产生了周期性的气流振荡现象，这种现象称为“喘振”。
因此，离心式压缩机的喘振现象的产生有两个主要原因：
压缩机流量减少，它是喘振产生的内因；与压缩机联合工作的管网特性是喘振产生的外界条件；此外，被输送气体的吸入状态，也是使压缩机产生喘振的因素，一般讲，吸入气体的温度或压力越低，压缩机越容易进入喘振区。
2.造成喘振的原因
影响离心式喘振的因素不是单一的，往往是多种因素综合作用的结果，运行中可能造成喘振的各种原因有：
1）系统压力超高
造成这种情况有：
压缩机紧急停机，气体为此进行放空或回流；出口管路上的单向逆止阀门动作不灵活关闭不严；或者单向阀距压缩机出口太远，阀前气体容量很大，系统突然减量，压缩机来不及调节，防喘系统未投自动等等。
2）吸入流量不足
由于外界原因使吸入量减少到喘振流量以下，而转速，使压缩机进入喘振区引起喘振。
如图1。
这种情况的原因有：
压缩机入口滤器阻塞，阻力太大，而压缩机转速未能调节造成喘振；滤芯太脏，或冬天结冰都可能发生这种情况；入口气源减少或切断，如压缩机供气不足，压缩机没有补充气源等等。
所有这些情况如不及时发现及时调节。
压缩机都可能发生喘振。
3）机械部件损坏脱落
机械密封，平衡盘密封，O型环等部件安装不全，安装位置不准或者脱落，会形成各级之间，各段之间串气，可能引起喘振；过滤器阻力太大，逆止阀失效或破损也都可以引起喘振。
4）操作中，升速升压过快，降速之前未能首先降压
升速、升压要缓慢均匀，降速之前应先采取卸压措施：
如放空，回流等；以免转速降低后，气流倒灌。
5）工况改变，运行点落入喘振区
工况变化，如改变转速，流量，压力之前，未查看特性曲线，使压缩机运行点落入喘振区。
6） 正常运行时，防喘振系统未投自动
当外界因素变化时，如压力下降或气量波动；电机转速下降而防喘振系统来不及手动调节；或来气中断等；由于未用自动防喘振装置可能造成喘振。
7）介质状态变化造成喘振
喘振发生的可能与气体介质状态有很大关系。
因为气体的状态影响流量，从而也影响喘振流量，当然影响喘振。
如进气温度，进气压力，气体成分即分子量等对喘振都有影响。
当转速不变，出口压力不变时，气体入口稳度增加容易发生喘振；当转速一定，进气压力越高则喘振流量值也越大；当进气压力一定，转速不变，气体分子量减少很多时，容易发生喘振。
3.喘振的危害和判断
1）气流脉动使压缩机的大部分动能转化为热能，致使压缩机内温度迅速上升。
2）压缩机性能恶化，压力、效率降低。
3）出现异常噪声、吼叫和爆音。
4）机组出现强烈振动，使得压缩机的轴承、密封损坏，转子和固定部件发生碰撞，造成机器严重破坏。
压缩机的喘振一般可以用以下方法进行判定：
1）听测压缩机出口管路气流的噪音
当压缩机接近喘振工况时，排气管道中会发生周期性时高时低“呼哧呼哧”的噪音，当进入喘振工况时，噪音立即大增，甚至出现爆声。
2）观测压缩机出口压力和进口流量的变化
喘振时，出现了周期性的、大幅度的脉动，从而引起测量仪表大幅度地摆动。
3）观测压缩机的机体和轴承的振动情况
喘振时，机体、轴承的振动振幅显著增大，机组发生强烈的振动。
4）利用故障诊断和状态监测技术进行分析判断
喘振可以分为弱喘振和深度喘振，它们之间没有分界线，一般出现倒流的喘振肯定为深度喘振。
弱喘振或级间喘振，仅靠观测故障现象还不能作出准确的判定，这时可以依靠频谱分析等先进的故障诊断和状态监测技术来进行分析判断。
根据出现振动时的频率特征来判断振动是否因喘振引发的，进而查找故障原因，压缩机接近或进入喘振工况时，振幅要比正常运行时大大增加，喘振频率一般为1～30Hz。
表1为旋转失速与喘振的振动敏感参数。
序号
敏感参数
随敏感参数变化情况
旋转失速
喘振
1
随转速变化
明显
明显
2
随油温变化
不变
不变
3
随介质温度变化
变化
变化
4
随压力变化
很明显
很明显
5
随流量变化
很明显
很明显
6
随负荷变化
很明显
很明显
表1
三、离心式压缩机的防喘振控制
为了防止离心式压缩机产生喘振而设置的控制方案称为防喘振控制方案。
防喘振控制与一般的压缩机流量控制是不相同的，它的基本出发点是要控制压缩机的入口流量不低于某一个极限数值。
根据这个极限数值是恒定、还是可变的不同要求，压缩机的防喘振控制方案分为固定极限流量法和可变流量极限流量法。
1.固定极限流量法是控制压缩机的入口流量不低于某一不变的极限值，以防止喘振现象的产生。
这种方案的结构简单、运行安全可靠，投资费用较少。
但产生喘振现象的流量极限值往往与压缩机的转速有关．因此，当压缩机的转速不是恒值时，不宜采用这种方案。
2.当压缩机的转速可变时，进入喘振区的极限流量也是变化的。
这个极限流量可以根据压缩机的安全操作线（由制造厂家提供）经过一定的计算得到。
可变极限流量法就是控制压缩机的入口流量，使之不低于这个由计算得到的流量极限值，以防止喘振现象的发生。
这种方案由于要根据现场数据来计算流量的极限值，比较麻烦。
而且当安全操作线的方程不相同时，就应该有不同的计算方法和相应的控制方案。
但这种方案在压缩机的转速不恒定，负荷需要变动的场合下，使用较可靠、较经济。
催化剂长岭分公司空压站4台压缩机均固定转速，采用恒压控制，其防喘振控制工艺流程中，由进出口压力、温度以及进口气体实际流量等参数的测量作为喘振控制系统的输入量，其压力的测量点和防喘阀的安装如图3所示，压缩机出口设有单向阀，以防止气体倒流。
A.入口过滤器B.入口膨胀节（其后为入口导叶）C.出口膨胀节D.单向阀E.后冷却器（其后有气液分离器，未画出）F.切断阀G.放空阀H.消音器
图3
控制系统含有防喘振控制单元，该单元由传感器、变送器、喘振控制器以及防喘振阀或回流阀组成。
在运行过程中，机组喘振控制器通过接收入口、出口压力和温度及入口流量信号，判断压缩机的工作状态，以决定防喘振阀或回流阀的关启。
如果无机组喘振控制，压缩机从出现异常到发生喘振的时间很短，因此要求设备和工艺设计应满足准确和快速反应的特点。
在使用恒压控制方法时，空压机运行中不会有卸荷过程，控制系统可对入口导叶和出口放空阀进行连动控制，在保证最小能耗和最少放空量的同时，优化操作点，这样便保证了空压机以恒定的压力连续供风。
一旦空气压力达到其设定值时，空压机入口导叶便开始节流以维持空压机的出口压力，此时入口导叶自动开或关，以确保正确的空压机进气量，来满足用风系统的压力要求。
由于恒压控制方法具有决不对空压机进行卸载操作的特点，这样便保证了空压机在满足所有工艺要求的情况下，维持稳定的出口压力。
当工艺用风要求降低到喘振极限以下时，可调节的出口放空阀，保持全关。
如果工艺用风要求降低到空压机最低的稳定操作范围以下时，该放空阀可按要求自动开或关，将空压机过剩压缩能力排大气。
入口导叶和出口放空阀的连动工作，也确保了工艺用风量和排大气风量之和，总能等于或大于空压机的最低稳定操作点。
喘振主动控制系统选择准则
1.根据设计目标选择作动机构和传感器。
通过调整结构参数确定作动机构的动作范围和动作速率的范围等特性。
确定传感器的动态特性以及采样频率等；
2.根据作动机构的特性设计控制方案和控制参数。
选取的原则是控制效果好，控制时间短，对系统的影响小；
3.考虑系统工况变化的情况，使控制系统在较大的范围有较好的控制效果，或者针对系统的变化调整控制参数。
四、结束语
压缩机作为石化工业中不可或缺的重要设备，并且生产处于连续作业，这就要求压缩机拥有良好的性能，然而喘振又是离心式压缩机固有的特性，是由其工作原理所决定的，如果发生喘振，将会对机组造成破坏，影响正常运行，因此，应保证机组和进出管路及附属设备组成可靠的防喘振系统，以避免设备在运行中发生事故。
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