離心式壓縮機(jī)防喘振控制的探析

鄧世海

【摘要】喘振（又稱之為飛動(dòng)）是使離心式壓縮機(jī)性能反常的一種不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。離心式壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，將出現(xiàn)整個(gè)壓縮機(jī)管網(wǎng)系統(tǒng)的氣流周期性振蕩現(xiàn)象。不但會(huì)使壓縮機(jī)的性能顯著惡化，氣體參數(shù)（壓力、流量）產(chǎn)生大幅度脈動(dòng)，而且會(huì)發(fā)生一種如同喘息病患者呼吸時(shí)的“呼哧、呼哧”的噪音，并大大地加劇整個(gè)機(jī)組的振動(dòng)。喘振會(huì)使壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子的元件經(jīng)受交變應(yīng)力；級間壓力失調(diào)引起強(qiáng)烈的振動(dòng)，使密封和軸承損壞；甚至發(fā)生轉(zhuǎn)子與定子元件相碰、壓送的氣體外泄、引起爆炸等惡性事故。

【關(guān)鍵詞】離心式；壓縮機(jī)；喘振控制

前言

離心式壓縮機(jī)是一種高轉(zhuǎn)速，高精密度，高可靠性的機(jī)械，它具有流量穩(wěn)定、經(jīng)久耐用、節(jié)能、保養(yǎng)簡易等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、石油化工等領(lǐng)域。但是，使用離心式壓縮機(jī)無法回避喘振問題，因?yàn)榇袷请x心式壓縮機(jī)的特殊工況，它是在一定的操作條件（流量、壓力和轉(zhuǎn)速）下，由于被壓縮氣流的倒流而引起的一種不正常現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生是由離心式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，因而是無法消除的。發(fā)生喘振時(shí)機(jī)組劇烈振動(dòng)，流量大幅度波動(dòng)，若不及時(shí)采取措施加以處理很可能造成重大事故。

事實(shí)上，喘振這一現(xiàn)象對于從事離心式壓縮機(jī)運(yùn)行的操作人員并不陌生，現(xiàn)主要從設(shè)計(jì)和運(yùn)行的角度對離心式壓縮機(jī)組發(fā)生喘振的原因、防喘振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及不機(jī)組發(fā)生喘振時(shí)應(yīng)采取的措施談幾點(diǎn)看法。

1、壓縮機(jī)的喘振及危害

壓縮機(jī)入口流量減少時(shí)，可能出現(xiàn)另一種不穩(wěn)定工況現(xiàn)象，壓縮機(jī)的氣體流量和排氣壓力周期性地低頻率、大振幅壓縮機(jī)的喘振及危害壓縮機(jī)入口流量減少時(shí)，可能出現(xiàn)另一種不穩(wěn)定工況現(xiàn)象，壓縮機(jī)的氣體流量和排氣壓力周期性地低頻率、大振幅地波動(dòng)，引起機(jī)器的強(qiáng)烈振動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為壓縮機(jī)的喘振。喘振時(shí)，氣流軸向波動(dòng)，通過壓縮機(jī)的整個(gè)氣體流量（或平均流量值）大幅波動(dòng)，喘振頻率和振幅由流路的容積大小決定。形成喘振的內(nèi)在原因是氣流的嚴(yán)重失速和擴(kuò)展，外部條件是壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行工況條件。

下面利用特性線來說明（如圖），A點(diǎn)與B點(diǎn)為管網(wǎng)特性線與壓縮機(jī)特性線交點(diǎn)，其中AE為正常特性線，CB為突躍失速后可能工作的特性線。設(shè)A點(diǎn)為壓縮機(jī)工作失速點(diǎn)，B點(diǎn)是失速后一個(gè)可能的穩(wěn)定工作點(diǎn)，壓縮機(jī)在A點(diǎn)工作時(shí)，流量微小的減少便引起壓縮機(jī)的施轉(zhuǎn)失速（圖中所示為突變失速），壓縮機(jī)排氣壓力突然減少，如果管網(wǎng)的容積非常小，管網(wǎng)的壓力能迅速調(diào)整到和壓縮機(jī)排氣壓力相適應(yīng)，運(yùn)行點(diǎn)移至新的平衡點(diǎn)B（如雙點(diǎn)劃線所示）。如果管網(wǎng)容積很大，壓力變化很慢，高于壓縮機(jī)排氣壓力，會(huì)迫使氣體倒流，工作點(diǎn)由A點(diǎn)移至D點(diǎn)（如虛線所示）。由于在葉柵脫離區(qū)充以氣體，工作暫時(shí)恢復(fù)正常，這時(shí)管網(wǎng)一方面繼續(xù)給用戶供氣；另一方面一部分氣倒流入到壓縮機(jī)使管網(wǎng)壓力迅速下降，壓縮機(jī)又可以向管網(wǎng)正常供氣，很有可能工況點(diǎn)沿虛線至A點(diǎn)，如果引起喘振原因未消除，又會(huì)重復(fù)上述現(xiàn)象。實(shí)際管網(wǎng)的容積是有限的，開始可能出現(xiàn)倒流時(shí)，管網(wǎng)的壓力跟著降低。暫時(shí)排不出的氣體，葉片槽道的脫離區(qū)可能縮小，葉柵工況很可能瞬時(shí)恢復(fù)正常。壓縮機(jī)的排氣量迅速增加，然后又很快達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)A（如點(diǎn)劃線所示的喘振循環(huán)路線所示），如果上述引起失速的原因未消除，就會(huì)重復(fù)上述現(xiàn)象（如圖中所示的喘振循環(huán)路線），出現(xiàn)壓縮機(jī)壓力、流量大幅度地波動(dòng)，這就是喘振。一般管網(wǎng)容量大，喘振的頻率低，振幅大。反之，管網(wǎng)容量小，喘振振幅小，頻率高。從以上分析來看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(xiàn)倒流的喘振肯定為深度喘振。喘振現(xiàn)象通常具有如下宏觀特征。

⑴、壓縮機(jī)工作極不穩(wěn)定。壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，排氣壓力、流量等參數(shù)脈動(dòng)值小，頻率高（圖a）。減少流量到接近喘振流量時(shí)，脈動(dòng)加劇，時(shí)而出現(xiàn)時(shí)而消失。無明顯規(guī)律，繼續(xù)減少流量到出現(xiàn)喘振時(shí)，氣動(dòng)參數(shù)會(huì)出現(xiàn)周期性的波動(dòng)，振幅大，頻率低，同時(shí)平均排氣壓力值下降（圖b）。對深度喘振來說，由于氣體從排氣管網(wǎng)倒流入壓縮機(jī)繼而又經(jīng)壓縮再排出，使氣流溫度可能急劇升高

⑵、喘振有強(qiáng)烈的周期性氣流噪聲，出現(xiàn)氣流吼叫聲。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣流的聲音為哨聲，到喘振前氣流聲音變化不大。喘振時(shí)突然出現(xiàn)周期性的爆聲，再減少流量，會(huì)出現(xiàn)轟隆隆聲。有時(shí)由于現(xiàn)場其他的雜聲，或?qū)﹄p缸體壓縮機(jī)，在喘振輕微時(shí)，也可能聽得不明顯，但多數(shù)情況下是能明顯聽得到的。

⑶、機(jī)器強(qiáng)烈振動(dòng)。機(jī)體、軸承等振幅急劇增加。

壓縮機(jī)是不允許在喘振條件下運(yùn)行的，因?yàn)槲：艽?。第一，它可能損壞如密封、O形環(huán)等壓縮機(jī)零部件，甚至引起動(dòng)、靜零部件等重大碰撞損壞。對止推軸承產(chǎn)生沖擊力，破壞軸承油膜穩(wěn)定，損壞軸承?？赡芷茐挠兔芊庀到y(tǒng)，使油膜密封的油氣壓差失調(diào)，造成油膜密封故障。第二，可能破壞機(jī)器的安裝質(zhì)量，破壞各部分調(diào)整好的間隙值，甚至引起軸的變形等，引起機(jī)器在以后運(yùn)行中振動(dòng)加劇。

第三，可能使一些有關(guān)儀表失靈或使儀表準(zhǔn)確性降低。

實(shí)際運(yùn)行中引起喘振的原因很多。除了內(nèi)部流動(dòng)情況因失速區(qū)的產(chǎn)生與發(fā)展結(jié)果引起喘振外，從外部條件來分析，即從壓縮機(jī)與管網(wǎng)的聯(lián)合運(yùn)行來分析，管網(wǎng)流量、阻力的變化與壓縮機(jī)工作不協(xié)調(diào)應(yīng)是引起壓縮機(jī)喘振的重要原因。這種工作的不協(xié)調(diào)可以分為兩點(diǎn)：第一，壓縮機(jī)的流量等于或小于喘振流量；第二，壓縮機(jī)排氣壓力低于管網(wǎng)氣體壓力。因?yàn)槁?lián)合運(yùn)行點(diǎn)是由壓縮機(jī)特性線和管網(wǎng)特性線共同決定的，如果聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)落在壓縮機(jī)特性線的喘振區(qū)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)喘振。

2、防喘和抑喘方法

由于喘振的嚴(yán)重危害性，所以防止喘振和抑制喘振的發(fā)生，一直是長期研究的重要課題，有許多行之有效的方法。歸納起來分為兩類：一是在壓縮機(jī)本體設(shè)計(jì)時(shí)采取的，以擴(kuò)大穩(wěn)定工況范圍為目的；二是針對壓縮機(jī)運(yùn)行條件即從壓縮與管網(wǎng)聯(lián)合運(yùn)行上采取的。

第一類方法中，離心式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)上采取的措施：一是在氣動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇上，如采用后彎式葉輪，無葉擴(kuò)壓器，出口寬度減窄的無葉擴(kuò)壓器，葉輪葉片進(jìn)口邊適當(dāng)加厚等；二是在設(shè)計(jì)時(shí)采用導(dǎo)葉可調(diào)機(jī)構(gòu)或者增設(shè)專用噴嘴，以便運(yùn)行需要時(shí)，將部分氣流從葉輪出口引噴入到葉輪入口，改變?nèi)~輪入口氣流的預(yù)旋，抑制喘振發(fā)生。機(jī)匣處理技術(shù)，也可以應(yīng)用到離心式壓氣機(jī)，如對半開式離心式葉輪，在輪蓋側(cè)靠近葉輪人口處機(jī)殼上開設(shè)軸向斜槽和在葉輪出口無葉過渡段機(jī)殼上開設(shè)環(huán)形縫隙與一容積腔相連等。

第二類方法中除了離心式壓縮機(jī)的導(dǎo)葉可調(diào)外，比較普遍的是采用防喘裝置。一方面設(shè)法在管網(wǎng)流量減少過多時(shí)增加壓縮機(jī)本身的流量，始終保持壓縮機(jī)在大于喘振流量下運(yùn)轉(zhuǎn)；另一方面就是控制管網(wǎng)的壓力比和壓縮機(jī)的進(jìn)、出口壓比相適應(yīng)，而不至高出喘振工況下的壓比。當(dāng)管網(wǎng)需要的流量減少到壓縮機(jī)喘振流量時(shí)，旁通閥打開，讓一部分氣體回流到入口或放空，使實(shí)際通過壓縮機(jī)的流量為大于喘振流量，防止喘振發(fā)生，它常應(yīng)用于工業(yè)離心式壓縮機(jī)。

3結(jié)語

通過以上分析，對于離心式壓縮機(jī)的喘振問題，應(yīng)從設(shè)計(jì)和運(yùn)行角度進(jìn)行控制和預(yù)防。

a）在離心式壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)工藝系統(tǒng)對壓縮機(jī)的具體要求和壓縮機(jī)在工藝系統(tǒng)中的重要程度采取經(jīng)濟(jì)有效的控制措施，同時(shí)也應(yīng)保證生產(chǎn)系統(tǒng)和機(jī)組的安全運(yùn)行。

b）在實(shí)際運(yùn)行中，離心式壓縮機(jī)的操作應(yīng)盡量投入工藝系統(tǒng)的自動(dòng)控制中，以減少運(yùn)行中機(jī)組與系統(tǒng)的相互干擾，保持平穩(wěn)的機(jī)組運(yùn)行環(huán)境。

c）壓縮機(jī)崗位操作人員以及相關(guān)的工藝崗位操作人員應(yīng)加強(qiáng)業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)，并通過不同操作條件下的運(yùn)行狀況進(jìn)行觀察分析，掌握壓縮機(jī)實(shí)際操作的性能曲線和控制點(diǎn)，作到心中有數(shù)，只有這樣才能在突發(fā)喘振的情況下，冷靜地采取簡捷有效的措施，使機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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