離心壓縮機(jī)的防喘振控制措施

安志磊(天津渤海石化有限公司，天津 300452)

0 引言

離心壓縮機(jī)是通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下將葉輪中心的氣體甩向葉輪的邊緣，氣體的動(dòng)能增加，被甩出后的氣體，進(jìn)入擴(kuò)壓器之中，通過這一過程降低氣體速度，使得動(dòng)能與靜壓能之間轉(zhuǎn)化，壓力得到提升。而在葉輪的中心區(qū)域就會(huì)成為低壓真空地帶，此時(shí)外界新鮮氣體被吸入，之后又會(huì)隨著葉輪旋轉(zhuǎn)，在不斷吸入和甩出氣體的過程中，使得氣體得以持續(xù)流動(dòng)。喘振的發(fā)生使壓縮機(jī)不能正常工作，壓縮機(jī)性能惡化，效率降低，對(duì)壓縮機(jī)組造成嚴(yán)重?fù)p傷，離心式壓縮機(jī)不可以在喘振時(shí)運(yùn)行，所以做好喘振預(yù)防，能夠進(jìn)一步提升離心壓縮機(jī)的安全運(yùn)行效果。

1 離心式壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象

在離心式壓縮機(jī)運(yùn)行的過程中，當(dāng)壓縮機(jī)入口流量不斷降低，就會(huì)在壓縮機(jī)流道中產(chǎn)生嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象，堵塞流道，造成壓縮機(jī)出口壓力大幅下降，難以保證管網(wǎng)的輸氣壓力，此時(shí)管網(wǎng)中的氣體會(huì)倒流入壓縮機(jī)中，直到管網(wǎng)壓力下降到與壓縮機(jī)出口壓力相等時(shí)倒流停止。這時(shí)壓縮機(jī)流量增加又開始向管網(wǎng)中送氣，在管網(wǎng)壓力恢復(fù)正常之后，壓縮機(jī)的流量又會(huì)降低，系統(tǒng)中又會(huì)出現(xiàn)上述倒流的現(xiàn)象，如此反復(fù)，并且現(xiàn)場可以聽到伴有強(qiáng)烈的低吼喘氣聲音，同時(shí)機(jī)組各點(diǎn)震動(dòng)位移加大偏離正常范圍，這就是離心壓縮機(jī)喘振時(shí)的現(xiàn)象。

離心壓縮機(jī)一旦發(fā)生喘振，會(huì)對(duì)壓縮機(jī)的運(yùn)行，帶來非常嚴(yán)重的影響，喘振氣流會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子和其他部件造成非常大的沖擊，最終導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)，后果比較嚴(yán)重[1]。如果喘振情況比較嚴(yán)重，會(huì)直接導(dǎo)致漏氣、漏油，壓縮機(jī)的軸向壓力也會(huì)偏大，最后引發(fā)軸承的燒毀，如果喘振現(xiàn)象繼續(xù)持續(xù)，容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和靜態(tài)部分相撞，對(duì)壓縮機(jī)正常運(yùn)行，帶來非常大的威脅，甚至導(dǎo)致壓縮機(jī)報(bào)廢，需要在壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行的過程中，認(rèn)真做好相關(guān)應(yīng)對(duì)工作。

2 離心式壓縮機(jī)性能曲線

離心壓縮機(jī)喘振的產(chǎn)生與流體機(jī)械和管道特性有著非常密切的關(guān)系，在離心壓縮機(jī)運(yùn)行的過程中，若壓縮機(jī)的排氣量與進(jìn)氣量二者之間相等，并且壓縮形成的排氣壓力與管網(wǎng)壓力相等，說明壓縮機(jī)與管網(wǎng)性能之間具有良好的協(xié)調(diào)性，在實(shí)際操作中，應(yīng)該及時(shí)查看離心壓縮機(jī)的性能曲線，關(guān)注壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況，避免壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)域，為壓縮機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

3 離心式壓縮機(jī)發(fā)生喘振的原因

3.1 流量因素

離心壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中，當(dāng)壓縮機(jī)流量降低，壓縮機(jī)出口壓力增大，當(dāng)達(dá)到這一轉(zhuǎn)速時(shí)的最高出口壓力時(shí)，機(jī)組就會(huì)進(jìn)入喘振區(qū)，此時(shí)壓縮機(jī)出口壓力下降，導(dǎo)致壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振[2]。同時(shí)，在流量一定的情況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高越容易出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。離心壓縮機(jī)之所以出現(xiàn)喘振，其根本原因是流量小所造成的，所以在壓縮機(jī)的運(yùn)行中，增加壓縮機(jī)的流量，是離心壓縮機(jī)預(yù)防喘振的重要條件。

3.2 入口壓力

壓縮機(jī)入口壓力降低，壓縮機(jī)就越接近喘振區(qū)域，這是由于入口過濾器的壓差增加，造成進(jìn)入壓縮機(jī)氣體流量減少，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)出現(xiàn)了喘振，在離心壓縮機(jī)操作的過程中需要及時(shí)關(guān)注入口過濾器壓差，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)清理過濾器或者更換過濾網(wǎng)，以免造成壓縮機(jī)入口壓力低的情況。

3.3 入口溫度

由于壓縮機(jī)在不同入口氣體溫度下的運(yùn)行曲線有所不同，入口氣體的溫度越高，壓縮機(jī)則越容易出現(xiàn)喘振。在丙烷脫氫制丙烯裝置中產(chǎn)品氣壓縮機(jī)入口溫度的控制就很重要，既是為了避免壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振，同時(shí)在入口溫度低、出口溫度也會(huì)降低導(dǎo)致烯烴出現(xiàn)聚合現(xiàn)象，后期在壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)焦，影響壓縮機(jī)的運(yùn)行，在實(shí)際操作中控制壓縮機(jī)的入口溫度對(duì)離心壓縮機(jī)的操作極其關(guān)鍵。

3.4 轉(zhuǎn)速

在丙烷脫氫制丙烯裝置中，隨著裝置負(fù)荷逐漸提高的過程中，反應(yīng)后的產(chǎn)品氣不斷增多，為維持負(fù)壓反應(yīng)條件，產(chǎn)品氣壓縮機(jī)需要及時(shí)提高轉(zhuǎn)速，向下游輸送很多的氣量。但是當(dāng)產(chǎn)品氣流量一定的時(shí)候，冒然提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速容易引發(fā)喘振。在壓縮機(jī)流量一定的情況下，轉(zhuǎn)速越高，越容易靠近喘振區(qū)域，換句話說，壓縮機(jī)處于較高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，所需的最小喘振流量越大。但是離心壓縮機(jī)也不可長時(shí)間低速運(yùn)行，長時(shí)間低速運(yùn)行，易造成壓縮機(jī)干氣密封中的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間無法形成氣膜，導(dǎo)致動(dòng)環(huán)和靜環(huán)難以分離，動(dòng)環(huán)靜環(huán)密封面之間發(fā)生摩擦，損壞密封工藝介質(zhì)泄漏，導(dǎo)致發(fā)生事故，所以在流量滿足的前提下應(yīng)適當(dāng)提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。

3.5 氣體相對(duì)分子質(zhì)量

如果氣體分子量小于20，容易導(dǎo)致喘振情況的出現(xiàn)，一旦相對(duì)分子量大于25，就可以讓壓縮機(jī)遠(yuǎn)離喘振區(qū)域。由此可見，在壓縮機(jī)處于出口定壓運(yùn)行時(shí)，相對(duì)分子質(zhì)量越小，那么就越容易出現(xiàn)喘振。在丙烷脫氫制丙烯裝置的長短循環(huán)切換中，產(chǎn)品氣壓縮機(jī)需要通過調(diào)整甲烷與丙烷的流量在壓縮機(jī)內(nèi)達(dá)到合適的分子量，維持產(chǎn)品氣壓縮機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)分子量過小容易引發(fā)壓縮機(jī)喘振，分子量過大壓縮機(jī)負(fù)荷增加，蒸汽透平消耗的蒸汽量會(huì)變多，所以在多組份介質(zhì)的離心壓縮機(jī)系統(tǒng)中，調(diào)整壓縮機(jī)的分子量對(duì)壓縮機(jī)的操作有著重要意義。

3.6 其他因素

除上述主要因素外，還有以下因素可能導(dǎo)致喘振的出現(xiàn)：(1)機(jī)械部件存在損壞和脫落；(2)操作不當(dāng)導(dǎo)致壓力極速變化；(3)正常運(yùn)行中的防喘系統(tǒng)沒有自動(dòng)投運(yùn)；(4)介質(zhì)狀態(tài)發(fā)生變化。

4 控制喘振現(xiàn)象的其他有效措施

為切實(shí)加強(qiáng)對(duì)喘振現(xiàn)象的控制，除了對(duì)上述因素結(jié)合其規(guī)律做好相應(yīng)的控制外，還要采取下列輔助性的措施：

第一，通過增強(qiáng)對(duì)壓縮機(jī)入口氣體流量的方式達(dá)到控制喘振的目的。采用循環(huán)使用的方式，可以有效避免壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振問題。但是需要注意的是，此時(shí)壓縮機(jī)出口壓力往往會(huì)下降，進(jìn)而導(dǎo)致能耗較大的問題，使得壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)受到影響。因此，為確保系統(tǒng)的壓力得到有效的維持，必須在放空之前、回流之后，確保壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速得到及時(shí)地提升，這樣才能確保輸出壓力得到及時(shí)地恢復(fù)[3]。此外，進(jìn)行停機(jī)操作，均需要及時(shí)地確保放空閥先打開，提升壓縮機(jī)的流量，避免出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。

第二，在壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行的過程中，應(yīng)該根據(jù)壓縮機(jī)特性曲線，合理設(shè)置防喘裕度，如果裕度設(shè)定過大，雖然不會(huì)導(dǎo)致喘振情況的發(fā)生，但壓力降會(huì)很大，資源浪費(fèi)情況比較嚴(yán)重。在壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行的過程中，應(yīng)該合理對(duì)防喘閥門值進(jìn)行整定，太大就會(huì)影響其使用經(jīng)濟(jì)性，太小又會(huì)對(duì)運(yùn)行安全帶來影響，針對(duì)無自動(dòng)投用的機(jī)組，而采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，難以保證壓縮機(jī)運(yùn)行的安全性以及防喘振效果。

第三，在升壓與變速調(diào)節(jié)過程中，應(yīng)嚴(yán)格遵循升壓先升速、降速先降壓的基本原則，在壓縮機(jī)升壓過程中，需要在調(diào)速器開始投運(yùn)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行升壓，并對(duì)其性能曲線進(jìn)行檢查，只有確保達(dá)到轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上，才能提升壓力。而在壓縮機(jī)降速過程中，需要確保防喘振閥門設(shè)置科學(xué)的前提才能降速，且在降速過程中，需要在降壓的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行。而且不管是升速和升壓環(huán)節(jié)，均不能過猛，而且降速和降壓時(shí)需要做到緩慢而又均勻[4]。

防喘振控制技術(shù)方案：(1)固定極限流量法。只要滿足壓縮機(jī)實(shí)際流量Q大于喘振流量Qs，壓縮機(jī)就不會(huì)出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，控制方案也相對(duì)比較簡單。在機(jī)組正常運(yùn)行的過程中，當(dāng)控制器的測量值PV大于設(shè)定值SP時(shí)，旁路控制閥關(guān)閉。當(dāng)機(jī)組PV小于SP時(shí)，旁路閥門就會(huì)打開，壓縮機(jī)的出氣經(jīng)過旁路就會(huì)返回到壓縮機(jī)入口，雖然會(huì)在一定程度上降低壓縮機(jī)的對(duì)外供氣量，但可以有效避免喘振情況的發(fā)生。(2)可變極限流量法。在離心壓縮機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)負(fù)荷波動(dòng)現(xiàn)象之后，應(yīng)該及時(shí)對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，讓其運(yùn)行負(fù)荷滿足相關(guān)的工藝要求。因此，在開展防喘振控制方案設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該讓壓縮機(jī)負(fù)荷變化沿著安全操作線進(jìn)行變化，從而有效避免壓縮機(jī)發(fā)生嚴(yán)重的喘振現(xiàn)象[5]。在設(shè)計(jì)防喘振控制系統(tǒng)的過程中，還應(yīng)該注意，喘振安全操作線方程式中的壓縮機(jī)出、入口壓力pd、ps都是指的絕對(duì)壓力。如果現(xiàn)場并沒有使用壓力變送器，就需要認(rèn)真考慮相對(duì)壓力與絕對(duì)壓力的變換問題。

5 結(jié)語

一旦離心壓縮機(jī)在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的喘振現(xiàn)象，就會(huì)對(duì)其運(yùn)行效果造成非常直接的影響，壓縮機(jī)的故障率也相對(duì)比較高。為了有效避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)該對(duì)離心壓縮機(jī)發(fā)生喘振的原因進(jìn)行認(rèn)真的分析，提出針對(duì)性的措施，使離心壓縮機(jī)正常運(yùn)行。