離心式壓縮機(jī)的喘振分析.doc

離心式壓縮機(jī)的喘振分析盧 勇摘要：本文通過(guò)分析離心式壓縮機(jī)工作過(guò)程中喘振產(chǎn)生的機(jī)理，原因，危害及判斷方法，介紹了催化劑長(zhǎng)嶺分公司空壓站4臺(tái)壓縮機(jī)的控制方式和喘振控制系統(tǒng)選擇準(zhǔn)則。關(guān)鍵詞：喘振 機(jī)理 原因 危害 判斷 控制一、 引言隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提升，生產(chǎn)車(chē)間對(duì)工藝和儀表用風(fēng)要求越來(lái)越高，催化劑長(zhǎng)嶺分公司綜合車(chē)間空壓站因此不斷進(jìn)行改造，增加供風(fēng)能力和提高供風(fēng)質(zhì)量，目前，已經(jīng)淘汰所有往復(fù)式壓縮機(jī)，全部使用離心式壓縮機(jī)。離心式壓縮機(jī)是速度式壓縮機(jī)的一種，具有排氣量大、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、氣流不受油污染以及正常工況下運(yùn)行平穩(wěn)、壓縮氣流無(wú)脈動(dòng)等特點(diǎn)，然而，離心式壓縮機(jī)對(duì)氣體的壓力、流量、溫度變化較敏感，易發(fā)生喘振。喘振是離心式壓縮機(jī)的一種固有現(xiàn)象，具有較大的危害性，是壓縮機(jī)損壞的主要誘因之一，長(zhǎng)嶺分公司空壓站共有4臺(tái)離心式壓縮機(jī)，其中庫(kù)柏公司3臺(tái)，IHI壽力公司1臺(tái)，雖然制造廠家通過(guò)控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，避開(kāi)了絕大多數(shù)的喘振，但在設(shè)備的長(zhǎng)期使用過(guò)程中，仍然不同程度地出現(xiàn)了喘振現(xiàn)象，并造成了一些危害，因此，需要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，逐步弄清喘振機(jī)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(chǎn)生的條件，減少喘振出現(xiàn)的頻次，提高壓縮機(jī)的運(yùn)行可靠性。二、 喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生1. 喘振的機(jī)理防喘振工況區(qū)P壓力線喘振線護(hù)設(shè)計(jì)點(diǎn)流量Q固定轉(zhuǎn)速的特征曲線阻塞工況區(qū)穩(wěn)定工況區(qū)圖1 離心式壓縮機(jī)是利用機(jī)器的作功元件如高速回轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)氣體作功，使氣體在離心力場(chǎng)中壓力得到提高，同時(shí)動(dòng)能也大為增加，隨后在擴(kuò)壓流道中流動(dòng)時(shí)這部分動(dòng)能又轉(zhuǎn)變成靜壓能，而使氣體壓力進(jìn)一步提高，這就是離心式壓縮機(jī)的工作原理或增壓原理。圖1為離心式壓縮機(jī)的性能變化曲線，它清晰地表明了各種工況下的性能、穩(wěn)定工作范圍等，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，當(dāng)流量Q增大到某個(gè)最大值時(shí)，壓比和效率垂直下降，出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象。當(dāng)流量Q減小到某個(gè)值時(shí)，操作工況也會(huì)發(fā)生變動(dòng)并偏離設(shè)計(jì)工況，這時(shí)進(jìn)入葉輪或擴(kuò)壓器流道的氣流方向就會(huì)發(fā)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(chǎn)生很大的局部擴(kuò)壓度，于是在葉片非工作面上出現(xiàn)了氣流邊界層分離現(xiàn)象并形成漩渦區(qū)，并向葉輪出口處逐漸擴(kuò)大，如圖2所示，氣量越小，則分離現(xiàn)象越嚴(yán)重，氣流的分離區(qū)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(guò)葉片時(shí)的不均勻，使得氣流的邊界層分離可能在葉片或葉片擴(kuò)壓器的某個(gè)葉道中出現(xiàn)。當(dāng)流量減少到一定程度，由于葉輪的連續(xù)旋轉(zhuǎn)和氣流的連續(xù)性，使這種邊界層分離現(xiàn)象將擴(kuò)大到整個(gè)流道，而且由于氣流分離沿著葉輪旋轉(zhuǎn)的反方向擴(kuò)展，從而使葉道中形成氣流渦旋，再?gòu)娜~輪外圓折回到葉輪內(nèi)圓，此現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)脫離。葉道中邊界層分離，生成漩渦區(qū)，多產(chǎn)生在非工作面，尤其是葉輪出口附近，氣量越小，則分離現(xiàn)象越嚴(yán)重，氣流的分離區(qū)域也就越大。圖2非工作面工作面漩渦區(qū)發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離時(shí)，葉道中的氣流通不過(guò)去，級(jí)的壓力也突然下降，排氣管內(nèi)較高壓力的氣流便倒流回級(jí)里來(lái)，瞬間，倒流回級(jí)中的氣體就補(bǔ)充了級(jí)流量的不足，使葉輪又恢復(fù)了正常工作，從而重新把倒流回來(lái)的氣體壓出去，這樣又使級(jí)中流量減少，于是壓力又突然下降，級(jí)后的壓力氣體又倒回級(jí)中來(lái)，如此周而復(fù)始，在系統(tǒng)中產(chǎn)生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“喘振”。因此，離心式壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生有兩個(gè)主要原因：壓縮機(jī)流量減少，它是喘振產(chǎn)生的內(nèi)因；與壓縮機(jī)聯(lián)合工作的管網(wǎng)特性是喘振產(chǎn)生的外界條件；此外，被輸送氣體的吸入狀態(tài)，也是使壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的因素，一般講，吸入氣體的溫度或壓力越低，壓縮機(jī)越容易進(jìn)入喘振區(qū)。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(jié)果，運(yùn)行中可能造成喘振的各種原因有：1) 系統(tǒng)壓力超高造成這種情況有：壓縮機(jī)緊急停機(jī)，氣體為此進(jìn)行放空或回流；出口管路上的單向逆止閥門(mén)動(dòng)作不靈活關(guān)閉不嚴(yán)；或者單向閥距壓縮機(jī)出口太遠(yuǎn)，閥前氣體容量很大，系統(tǒng)突然減量，壓縮機(jī)來(lái)不及調(diào)節(jié)，防喘系統(tǒng)未投自動(dòng)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(zhuǎn)速，使壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)引起喘振。如圖1。這種情況的原因有：壓縮機(jī)入口濾器阻塞，阻力太大，而壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速未能調(diào)節(jié)造成喘振；濾芯太臟，或冬天結(jié)冰都可能發(fā)生這種情況；入口氣源減少或切斷，如壓縮機(jī)供氣不足，壓縮機(jī)沒(méi)有補(bǔ)充氣源等等。所有這些情況如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)調(diào)節(jié)。壓縮機(jī)都可能發(fā)生喘振。3) 機(jī)械部件損壞脫落機(jī)械密封，平衡盤(pán)密封，O型環(huán)等部件安裝不全，安裝位置不準(zhǔn)或者脫落，會(huì)形成各級(jí)之間，各段之間串氣，可能引起喘振；過(guò)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(guò)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(yīng)先采取卸壓措施：如放空，回流等；以免轉(zhuǎn)速降低后，氣流倒灌。5) 工況改變，運(yùn)行點(diǎn)落入喘振區(qū)工況變化，如改變轉(zhuǎn)速，流量，壓力之前，未查看特性曲線，使壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)落入喘振區(qū)。6) 正常運(yùn)行時(shí)，防喘振系統(tǒng)未投自動(dòng)當(dāng)外界因素變化時(shí)，如壓力下降或氣量波動(dòng)；電機(jī)轉(zhuǎn)速下降而防喘振系統(tǒng)來(lái)不及手動(dòng)調(diào)節(jié)；或來(lái)氣中斷等；由于未用自動(dòng)防喘振裝置可能造成喘振。7) 介質(zhì)狀態(tài)變化造成喘振喘振發(fā)生的可能與氣體介質(zhì)狀態(tài)有很大關(guān)系。因?yàn)闅怏w的狀態(tài)影響流量，從而也影響喘振流量，當(dāng)然影響喘振。如進(jìn)氣溫度，進(jìn)氣壓力，氣體成分即分子量等對(duì)喘振都有影響。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變，出口壓力不變時(shí)，氣體入口穩(wěn)度增加容易發(fā)生喘振；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，進(jìn)氣壓力越高則喘振流量值也越大；當(dāng)進(jìn)氣壓力一定，轉(zhuǎn)速不變，氣體分子量減少很多時(shí)，容易發(fā)生喘振。3. 喘振的危害和判斷1) 氣流脈動(dòng)使壓縮機(jī)的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，致使壓縮機(jī)內(nèi)溫度迅速上升。2) 壓縮機(jī)性能惡化，壓力、效率降低。3) 出現(xiàn)異常噪聲、吼叫和爆音。4) 機(jī)組出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，使得壓縮機(jī)的軸承、密封損壞，轉(zhuǎn)子和固定部件發(fā)生碰撞，造成機(jī)器嚴(yán)重破壞。壓縮機(jī)的喘振一般可以用以下方法進(jìn)行判定：1) 聽(tīng)測(cè)壓縮機(jī)出口管路氣流的噪音當(dāng)壓縮機(jī)接近喘振工況時(shí)，排氣管道中會(huì)發(fā)生周期性時(shí)高時(shí)低“呼哧呼哧”的噪音，當(dāng)進(jìn)入喘振工況時(shí)，噪音立即大增，甚至出現(xiàn)爆聲。2) 觀測(cè)壓縮機(jī)出口壓力和進(jìn)口流量的變化喘振時(shí)，出現(xiàn)了周期性的、大幅度的脈動(dòng)，從而引起測(cè)量?jī)x表大幅度地?cái)[動(dòng)。3) 觀測(cè)壓縮機(jī)的機(jī)體和軸承的振動(dòng)情況喘振時(shí)，機(jī)體、軸承的振動(dòng)振幅顯著增大，機(jī)組發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。4) 利用故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析判斷喘振可以分為弱喘振和深度喘振，它們之間沒(méi)有分界線，一般出現(xiàn)倒流的喘振肯定為深度喘振。弱喘振或級(jí)間喘振，僅靠觀測(cè)故障現(xiàn)象還不能作出準(zhǔn)確的判定，這時(shí)可以依靠頻譜分析等先進(jìn)的故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)進(jìn)行分析判斷。根據(jù)出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)的頻率特征來(lái)判斷振動(dòng)是否因喘振引發(fā)的，進(jìn)而查找故障原因，壓縮機(jī)接近或進(jìn)入喘振工況時(shí)，振幅要比正常運(yùn)行時(shí)大大增加，喘振頻率一般為130Hz。表1為旋轉(zhuǎn)失速與喘振的振動(dòng)敏感參數(shù)。序號(hào)敏感參數(shù)隨敏感參數(shù)變化情況旋轉(zhuǎn)失速喘振1隨轉(zhuǎn)速變化明顯明顯2隨油溫變化不變不變3隨介質(zhì)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(fù)荷變化很明顯很明顯表1三、 離心式壓縮機(jī)的防喘振控制為了防止離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振而設(shè)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(jī)流量控制是不相同的，它的基本出發(fā)點(diǎn)是要控制壓縮機(jī)的入口流量不低于某一個(gè)極限數(shù)值。根據(jù)這個(gè)極限數(shù)值是恒定、還是可變的不同要求，壓縮機(jī)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(jī)的入口流量不低于某一不變的極限值，以防止喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生。這種方案的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全可靠，投資費(fèi)用較少。但產(chǎn)生喘振現(xiàn)象的流量極限值往往與壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)因此，當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不是恒值時(shí)，不宜采用這種方案。2. 當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速可變時(shí)，進(jìn)入喘振區(qū)的極限流量也是變化的。這個(gè)極限流量可以根據(jù)壓縮機(jī)的安全操作線（由制造廠家提供）經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算得到?？勺儤O限流量法就是控制壓縮機(jī)的入口流量，使之不低于這個(gè)由計(jì)算得到的流量極限值，以防止喘振現(xiàn)象的發(fā)生。這種方案由于要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算流量的極限值，比較麻煩。而且當(dāng)安全操作線的方程不相同時(shí)，就應(yīng)該有不同的計(jì)算方法和相應(yīng)的控制方案。但這種方案在壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不恒定，負(fù)荷需要變動(dòng)的場(chǎng)合下，使用較可靠、較經(jīng)濟(jì)。催化劑長(zhǎng)嶺分公司空壓站4臺(tái)壓縮機(jī)均固定轉(zhuǎn)速，采用恒壓控制，其防喘振控制工藝流程中，由進(jìn)出口壓力、溫度以及進(jìn)口氣體實(shí)際流量等參數(shù)的測(cè)量作為喘振控制系統(tǒng)的輸入量，其壓力的測(cè)量點(diǎn)和防喘閥的安裝如圖3所示，壓縮機(jī)出口設(shè)有單向閥，以防止氣體倒流。A.入口過(guò)濾器 B.入口膨脹節(jié)（其后為入口導(dǎo)葉） C.出口膨脹節(jié)D.單向閥 E.后冷卻器（其后有氣液分離器，未畫(huà)出） F.切斷閥 G.放空閥 H.消音器圖3控制系統(tǒng)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(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組喘振控制器通過(guò)接收入口、出口壓力和溫度及入口流量信號(hào)， 判斷壓縮機(jī)的工作狀態(tài)， 以決定防喘振閥或回流閥的關(guān)啟。如果無(wú)機(jī)組喘振控制，壓縮機(jī)從出現(xiàn)異常到發(fā)生喘振的時(shí)間很短，因此要求設(shè)備和工藝設(shè)計(jì)應(yīng)滿足準(zhǔn)確和快速反應(yīng)的特點(diǎn)。在使用恒壓控制方法時(shí)，空壓機(jī)運(yùn)行中不會(huì)有卸荷過(guò)程，控制系統(tǒng)可對(duì)入口導(dǎo)葉和出口放空閥進(jìn)行連動(dòng)控制，在保證最小能耗和最少放空量的同時(shí)，優(yōu)化操作點(diǎn)，這樣便保證了空壓機(jī)以恒定的壓力連續(xù)供風(fēng)。一旦空氣壓力達(dá)到其設(shè)定值時(shí)，空壓機(jī)入口導(dǎo)葉便開(kāi)始節(jié)流以維持空壓機(jī)的出口壓力，此時(shí)入口導(dǎo)葉自動(dòng)開(kāi)或關(guān)，以確保正確的空壓機(jī)進(jìn)氣量，來(lái)滿足用風(fēng)系統(tǒng)的壓力要求。由于恒壓控制方法具有決不對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行卸載操作的特點(diǎn)，這樣便保證了空壓機(jī)在滿足所有工藝要求的情況下，維持穩(wěn)定的出口壓力。當(dāng)工藝用風(fēng)要求降低到喘振極限以下時(shí)，可調(diào)節(jié)的出口放空閥，保持全關(guān)。如果工藝用風(fēng)要求降低到空壓機(jī)最低的穩(wěn)定操作范圍以下時(shí)，該放空閥可按要求自動(dòng)開(kāi)或關(guān)，將空壓機(jī)過(guò)剩壓縮能力排大氣。入口導(dǎo)葉和出口放空閥的連動(dòng)工作，也確保了工藝用風(fēng)量和排大氣風(fēng)量之和，總能等于或大于空壓機(jī)的最低穩(wěn)定操作點(diǎn)。喘振主動(dòng)控制系統(tǒng)選擇準(zhǔn)則1. 根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇作動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳感器。通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)確定作動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作范圍和動(dòng)作速率的范圍等特性。確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性以及采樣頻率等；2. 根據(jù)作動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性設(shè)計(jì)控制方案和控制參數(shù)。選取的原則是控制效果好，控制時(shí)間短，對(duì)