離心壓縮機的喘振機理及實例分析

韓喜民，秦宏澤

(陽煤化工新材料有限公司，山西清徐 030400)

1 工作原理

離心式壓縮機一般由汽輪機(或電動機)驅動，氣體在流過高速旋轉的葉輪時，在離心力的作用下，壓力有所提高，同時速度也有極大的提高，即離心式壓縮機的葉輪將驅動機的機械能轉化為氣體的靜壓能和動能。在流經擴壓器時，通道截面逐漸變大，氣體流速降低，使氣體大部分動能轉化為靜壓能，即進一步起到增壓作用。若一個葉輪做功氣體得到的壓力不夠，可通過多個葉輪的串聯(lián)來實現(xiàn)進一步增壓，以達到要求的壓力。葉輪對氣體做功是氣體壓力增加的根本原因，而葉輪在單位時間內對單位質量氣體做功的多少與葉輪外緣的圓周速度u密切相關，因此，壓縮機的轉速越高，對單位質量的氣體做功量也就越大[1-2]。

2 喘振的機理

喘振是離心式壓縮機固有的特性，具有較大的危害性和不穩(wěn)定性。當進入壓縮機的氣體流量減少時，隨著葉輪的連續(xù)旋轉，在氣體流量低于最小喘振流量時，氣體出現(xiàn)旋轉脫離現(xiàn)象；氣流量越小，旋轉脫離現(xiàn)象越嚴重。當發(fā)生旋轉脫離時，葉輪通道內氣流不暢，導致葉輪后的壓力迅速降低，最終造成壓縮機出口處的較高壓力氣體倒流至葉輪入口，補充了流量不足發(fā)生的旋轉脫離；葉輪入口流量恢復正常后，葉輪又把倒流回的氣體重新壓出去，使葉輪入口的流量下降又發(fā)生旋轉脫離，葉輪出口壓力再次開始下降，壓縮機出口氣體又開始倒流，循環(huán)往復，壓縮機產生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，稱之為“喘振”[3-4]。

3 影響因素

圖1 壓縮機性能曲線

圖2 壓縮機性能曲線的區(qū)域劃分

壓縮機性能曲線是指氣體流過該壓縮機時的壓力比ε、效率η及功率N隨入口流量Q而變化的曲線(見圖1)，壓縮機的性能曲線分為工作區(qū)、喘振區(qū)和阻塞區(qū)(見圖2)。管網(wǎng)特性曲線是指壓縮機出口管網(wǎng)的阻力曲線，與管網(wǎng)的容積和阻力有關。在任何工況下，壓縮機出口管網(wǎng)特性曲線與壓縮機性能曲線的交點，都稱為工作點。在正常運行工況下，工作點應處于工作區(qū)；當工作點處于喘振區(qū)時，即發(fā)生了喘振現(xiàn)象[5-6]。

壓縮機在不同轉速n下，特性曲線近似一條拋物線，對應壓力比ε與流量Q。每一個轉速下的性能曲線都有一個峰值，即喘振點，將各個轉速下性能曲線的喘振點連接起來，可得到一條曲線，即離心式壓縮機喘振線(見圖3)。為了安全起見，壓縮機的實際工作點應與喘振曲線有一段距離，一般在喘振線右側5%～10%處再做一條曲線，稱為壓縮機的防喘振線。

圖3 不同轉速下壓縮機性能曲線及喘振線

喘振通常是多種影響因素綜合作用的結果，下面分析實際生產中存在的幾個較重要的因素。

3.1 轉速

對于汽輪機驅動的壓縮機，往往根據(jù)外界流量Q和壓力P的不同而采用不同的運行轉速，即用轉速來調整負荷。從圖3中可以看出，在外界用氣量一定的情況下，轉速越高，喘振極限流量值越高，越容易發(fā)生喘振，或者壓縮機轉速突然降低(見圖4，其中轉速n1>n2)，工作點移動至喘振區(qū)也會引起喘振。

1.壓縮機喘振線 2.管網(wǎng)特性曲線 A.原工作點A1.突然降速后工作點 n1,n2.不同轉速壓縮機性能曲線圖4 壓縮機突然降速后工作點位移動情況對喘振的影響

從圖4中可以看出：原工作點A在工作區(qū)，當轉速突然由n1降到n2時，瞬間壓縮機特性曲線向左下方移動；而管網(wǎng)特性曲線暫時沒有移動，工作點由A移動至A1點，進入喘振區(qū)，導致壓縮機入口流量瞬間下降，出現(xiàn)壓縮機出口壓力降低的現(xiàn)象。因此，在實際生產操作中，在降負荷之前應先緩慢降低壓力再緩慢降速，防止因過快降速而發(fā)生喘振現(xiàn)象。這也是壓縮機“降速先降壓”的根本原因。

3.2 壓縮機入口相對分子質量

1.管網(wǎng)特性曲線 2.壓縮機喘振線 A.M=8.5時工作點A1.M=7.2時工作點 M=8.5,M=7.2.不同相對分子質量時壓縮機特性曲線圖5 壓縮機入口相對分子量對喘振的影響

從圖5中可以看出：當壓縮機入口相對分子質量突然下降時，壓縮機性能曲線向左下方移動，工作點同時向左下方移動，壓縮機入口流量迅速減小，進入喘振區(qū)發(fā)生喘振。陽煤化工新材料有限公司所用合成氣壓縮機組是由汽輪機驅動的離心式壓縮機，機組設計的工作介質氫氣和氮氣比為3∶1，相對分子質量為8.5。在壓縮機運行實際操作中，當來自凈化的合成氣之比為4∶1，入口相對分子質量降為7.2時，壓縮機性能曲線向左下方移動，入口流量開始下降，壓縮機進入喘振區(qū)，同時壓縮機轉速由汽輪機控制。由于壓縮介質突然變輕，造成壓縮機負荷突然降低，而汽輪機調速閥不能迅速關小，導致轉速迅速上升。為調整氫氮比，凈化裝置又迅速提升氫氮比至相對分子質量9.5，壓縮機性能曲線向右上方移動，此時壓縮機入口流量迅速上升，壓縮機遠離喘振區(qū)，但由于壓縮介質突然變重，引起壓縮機負荷突然升高，而汽輪機調速閥不能迅速開大，導致轉速迅速下降，這種氫氮比的失調，即壓縮機入口相對分子質量的變化，最終造成壓縮機入口流量、壓力和轉速大幅度波動，不利于機組的平穩(wěn)運轉。

3.3 壓縮機入口流量

壓縮機喘振的根本原因是入口流量降低，隨著流量的減小(見圖6)，壓縮機出口壓力增加，當壓力達到該特性曲線最高點，流量還繼續(xù)減少時，壓縮機出口壓力開始降低，當壓縮機出口壓力低于管網(wǎng)壓力時，會導致管網(wǎng)中氣體的倒流，即發(fā)生喘振。入口流量減小幅度越大，壓縮機出口壓力降低速度越快，造成的氣流回流振蕩幅度越大，喘振越嚴重。因此，在離心式壓縮機減量時，必須先降壓，同時根據(jù)工作點情況緩慢減小入口流量，防止大聲喘振。

1.管網(wǎng)特性曲線 2.喘振線 3.壓縮機性能曲線圖6 壓縮機入口流量降低動作點移動情況

4 喘振現(xiàn)象的判斷及解決方法

當壓縮機發(fā)生喘振時，會使入口工藝參數(shù)(流量和壓力)大幅波動，同時會對葉輪產生頻繁的應力變化，機組振動增大，嚴重時會導致機組葉輪、軸承、密封組件的損壞，造成嚴重的生產事故，因此對于喘振現(xiàn)象的判斷必須及時準確。

判斷方法：①壓縮機入口壓力流量周期性大幅度波動；②機組振動、位移突然增大；③現(xiàn)場能夠聽見壓縮機的喘氣聲(即氣體周期性出入葉輪)，同時壓縮機出口管線強烈振動。對于汽輪機驅動的離心式壓縮機，還可從汽輪機轉速和蒸汽瞬時流量的周期性波動來判斷。

當判斷喘振發(fā)生時，應盡快先消除喘振再優(yōu)化工藝調整，防止喘振惡化，造成嚴重損失。消除喘振的根本方法是增加壓縮機入口流量，可通過壓縮機出口放空(減小背壓)來提高氣體流速，使壓縮機入口流量大于最小喘振流量，迅速將工作點移動至工作區(qū)，也可通過打開壓縮機回路(防喘振閥)增加入口流量來消除喘振。影響喘振的因素是多種的、復雜的，對于主要影響因素(入口流量、壓力、壓縮機轉速和入口介質相對分子質量)，必須確定指標并嚴格監(jiān)控，保證機組的穩(wěn)定運轉。

5 結語

在實際操作時，必須控制工藝參數(shù)在合理范圍內，機組調整負荷時，壓縮機的性能曲線及管網(wǎng)特性曲線隨時可能發(fā)生變化，若工作點處于喘振區(qū)便會發(fā)生喘振。因此，機組在升速升壓或降速降壓過程中，必須注意協(xié)調兩種曲線的變化，使工作點處于工作區(qū)，才能保證機組穩(wěn)定運轉。

參考文獻

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