離心式壓縮機特性曲線與喘振現(xiàn)象

1、凈化裝置技術培訓離心式壓縮機特性曲線與喘振現(xiàn)象初探,2012-10-28,所謂管網(wǎng)，一般是指與壓縮機連接的進氣管路，排氣管路以及這些管路上的附件及設備的總稱。但對離心式壓縮機來說，管網(wǎng)只是指壓縮機后面的管路及全部裝置。 這樣規(guī)定后，在研究壓縮機與其管網(wǎng)的關系時就可以避開壓縮機的進氣條件將隨工況變化的問題，使問題得到簡化。 下圖左側(cè)是壓縮機與排氣系統(tǒng)中第一個設備相連的示意圖，排氣管上有調(diào)整閥門,一、管網(wǎng)特性曲線,為了把氣體送入內(nèi)壓力為Pr的設備去，管網(wǎng)始端的壓力（稱為壓縮機出口的背壓）Pe為： Pe=PrP=PrAQ2 （1） 式中P包括管網(wǎng)中的摩擦損失和局部阻力損失，A為總阻力損失的計算系數(shù)。

2、 將式（1）表示 在右側(cè)圖上，即為 一條二次曲線，它 是管網(wǎng)端壓與進氣 量的關系曲線， 稱為管網(wǎng)性能曲線,一、管網(wǎng)特性曲線,管網(wǎng)性能曲線實際上相當于管網(wǎng)的阻力曲線，此曲線的形狀與容器的壓力及通過管路的阻力有關。 當從壓縮機到容器的管網(wǎng)很短、閥門全開，因而阻力損失很小時，管網(wǎng)特性曲線幾乎是一水平線如線1。 當管路很長或閥門關小時，阻力損失增大，管網(wǎng)性能曲線的斜率增加，于是變成線2所示。 閥門開度愈小，曲線變得愈陡，如線3。 如果容器中壓力下降，則管網(wǎng)性能曲線將向下平移；當Pr為常壓時，管網(wǎng)性能曲線就是線4。 可見管網(wǎng)的性能曲線是隨管網(wǎng)的壓力和阻力的變化而變化的,一、管網(wǎng)特性曲線,級的性能曲線指氣

3、體流過該級時所得到的壓力比、效率及功率N隨該級的進氣量Qj而變化的曲線。 即-Qj、-Qj、N-Qj的曲線。這些曲線是由試驗測得。 壓力比隨著流量的增加而下降，功率和效率隨著流量的增加而增加。當達到某一流量時，流量再增加則功率和效率下降,二、離心壓縮機的性能曲線,離心壓縮機的性能曲線-與級的曲線類似。指整機的壓力比、效率及功率N隨進口氣體流量Q而變化的曲線。下圖為單級、兩級和三級壓縮的離心壓縮機整機-q曲線，由圖可看出,二、離心壓縮機的性能曲線,a多級與單級相比，整機的喘振流量增大，堵塞流量減小。 B多級與單級相比，整機性能曲線的形狀變陡，穩(wěn)定工況范圍變窄,壓縮機性能曲線左邊受到喘振工況的限制

4、，右邊受到阻塞工況的限制,二、離心壓縮機的性能曲線,喘振工況是小流量下的一種壓縮機不穩(wěn)定狀況，不僅與壓縮機級的設計導致的旋轉(zhuǎn)失速有關，還與外管網(wǎng)有關，我們在后面予以描述,阻塞工況也稱作最大流量工況，造成這種工況有兩種可能： 一是級中流道中某喉部處氣流達到臨界狀態(tài)，這時氣體的容積流量已是最大值，任憑壓縮機背壓再降低，流量也不可能再增加。 另一種情況是流道內(nèi)并未達到臨界狀態(tài)，即尚未出現(xiàn)“阻塞”工況，但壓縮機在偌大的流量下，機內(nèi)流動損失很大，所能提供的排氣壓力很小，幾乎接近零能頭，僅夠用來克服排氣管的流動阻力以維持這樣大的流量,二、離心壓縮機的性能曲線,當離心壓縮機向管網(wǎng)中輸送氣體時，如果氣體流量和

5、排出壓力都相當穩(wěn)定（即波動甚?。?，這就是表明壓縮機和管網(wǎng)的性能協(xié)調(diào)，處于穩(wěn)定操作狀態(tài)。 這個穩(wěn)定工作點具有兩個條件：一是壓縮機的排氣量等于管網(wǎng)的進氣量；二是壓縮機提供的排壓等于管網(wǎng)需要的端壓。 所以這個穩(wěn)定工作點一定是壓縮機性能曲線和管網(wǎng)性能曲線交點，因為這個交點符合上述兩個相關條件,三、離心壓縮機的工作點,把壓縮機的性能曲線P-Qj同管路特性曲線Pe-Qj畫在同一坐標上，橫軸以Qj表示，縱軸以壓力P表示，則兩曲線的交點M即為壓縮機的工作點。 下圖是離心壓縮機工作點示意圖（圖中用質(zhì)量流量G代替容積流量），圖中線1為壓縮機性能曲線，線2為管網(wǎng)性能曲線,三、離心壓縮機的工作點,假設壓縮機不是在A點

6、而是在某點A1工況下工作，由于在這種情況下，壓縮機的流量G1大于A點工況下的G0，在流量為G1的情況下管網(wǎng)要求端壓為PB1，比壓縮機能提供的壓力PA1還大P，這時壓縮機只能自動減量（減小氣體的動能，以彌補壓能的不足）；隨著氣量的減小，其排氣壓力逐漸上升，直到回到A工況點。 假設不是回到工況點A而是達到工況點A2，這時壓縮機提供的排氣壓力大于管網(wǎng)需要的壓力，壓縮機流量將會自動增加，同時排氣壓力則隨之降低，直到和管網(wǎng)壓力相等才穩(wěn)定， 只有兩曲線的交點A才是壓縮機的實際工作點,三、離心壓縮機的工作點,離心式壓縮機在不同轉(zhuǎn)速n下都有一條出口壓力P（或壓比）與流量Q之間的曲線。 P（或）-Q曲線是一條在

7、氣量不為零處有一最高點的曲線，最高點右側(cè)稱為穩(wěn)定工作區(qū)，左側(cè)稱為不穩(wěn)定工作區(qū)（喘振區(qū)），最高點所對應的氣量為壓縮機喘振的最小流量Qjmin,四、離心式壓縮機喘振曲線,每一個轉(zhuǎn)速下的特性曲線均有一峰值，而這一點即為喘振點。將喘振曲線上所有喘振點連接起來，即可得一曲線，叫做離心壓縮機的喘振曲線,控制線,喘振線,入口流量 (hx,PD/PS,離心壓縮機工作性能圖,止回線,速度線,喘振的實質(zhì) 喘振又叫“飛動”，是離心壓縮機的實際工作流量到一定程度時，氣流進入葉片的方向與葉片進口角度不一致，即沖角i0，這時在葉片的非工作面產(chǎn)生氣體分離（旋轉(zhuǎn)分離,四、離心式壓縮機喘振曲線,當沖角達到某一值時，旋轉(zhuǎn)分離區(qū)域

8、聯(lián)成一片，占據(jù)流道。壓縮機不再排氣，管路中氣體就會倒回來，彌補流量不足，經(jīng)葉輪壓縮重新流出。這一股氣打出后，流量又沒了，氣體又倒回來。這樣周而復始的改變流向，機器和管線中就會產(chǎn)生“低頻高振幅”的壓力脈動，并發(fā)出如“牛吼叫”般的噪音。 這實際上是氣流在交替倒流和排氣時產(chǎn)生的強大的氣流沖擊。這種沖擊引起機器強烈的振動，如不及時采取措施，將使壓縮機遭到嚴重破壞。這就是“喘振,四、離心式壓縮機喘振曲線,當壓縮機的性能曲線與管網(wǎng)性能曲線兩者或兩者之一發(fā)生變化時，交點就要變動，也就是說壓縮機的工況將有變化，從而出現(xiàn)變工況操作。 離心壓縮機的變工況有時并不是在人們有意識的直接控制下（例如調(diào)節(jié)閥門等）發(fā)生的，

9、而是間接地接受到生產(chǎn)系統(tǒng)乃至驅(qū)動機的意外干擾而發(fā)生,五、產(chǎn)生、影響喘振的因素,1）流量 從圖中可以看出，隨著流量的減少，壓縮機的出口壓力逐漸增大，當達到該轉(zhuǎn)速下最大出口壓力時，機組進入喘振區(qū),壓縮機出口壓力開始減小，流量也隨之減小，壓縮機發(fā)生喘振。 從曲線可看出，流量減小是發(fā)生喘振的根本原因，在實際生產(chǎn)中盡量避免壓縮機在小流量的工況下運行。一般認為，壓縮機在最小流量下應低于設計流量60,五、影響、產(chǎn)生喘振的因素,2）入口壓力 如圖所示，壓縮機的入口壓力P1P2P3，在壓縮機恒壓的運行工況下，入口壓力越低，壓縮機越容易發(fā)生喘振，這也是入口過濾器壓差增大時，要及時更換濾網(wǎng)的原因,五、產(chǎn)生、影響喘振

10、的因素,3）入口溫度 如圖所示，恒壓恒轉(zhuǎn)速下進行的離心式壓縮機在不同入口氣體溫度時的運行曲線，從曲線上可以看出在恒壓運行工況下，氣體入口溫度越高，越容易發(fā)生喘振。因此，對同一臺離心式壓縮機來說，夏季比冬季更容易發(fā)生喘振,五、產(chǎn)生、影響喘振的因素,4）轉(zhuǎn)速 透平式驅(qū)動的壓縮機，往往根據(jù)外界不同流量要求而運行在不同轉(zhuǎn)速下，從圖可以知道，在外界用氣量一定的情況下，轉(zhuǎn)速越高，越容易發(fā)生喘振。 壓縮機突然從高轉(zhuǎn)速跌至低轉(zhuǎn)速時，也會引起喘振,五、產(chǎn)生、影響喘振的因素,5）氣體相對分子質(zhì)量 如圖所示，離心壓縮機在相同轉(zhuǎn)速、不同相對分子質(zhì)量下恒壓運行的曲線，從曲線中可以看出，在恒壓運行條件下，當相對分子質(zhì)量M

11、=20的氣體發(fā)生喘振時，相對分子質(zhì)量為M=25和M=28的氣體運行點還遠離喘振區(qū)。因此，在恒壓運行工況下，相對分子質(zhì)量越小，越容易發(fā)生喘振,五、產(chǎn)生、影響喘振的因素,以上幾種情況都是因壓縮機性能曲線下移而導致喘振的，管網(wǎng)性能并未改變。 有時候則是因為管網(wǎng)性能曲線發(fā)生變化（例如曲線上移或變陡）而造成喘振,五、產(chǎn)生、影響喘振的因素,某壓縮機原在A點工作，后來因為生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定,管網(wǎng)中壓力大幅度上升，管網(wǎng)性能曲線由2上移到線2（此時壓縮機的性能曲線未變），于是壓縮機出現(xiàn)了喘振。 還有一種類似情況就是當把排氣管閥門關得太小時，管網(wǎng)性能曲線變陡，一旦使壓縮機的工作點落入喘振區(qū)，喘振就突然發(fā)生,五、產(chǎn)

12、生、影響喘振的因素,當某種原因使壓縮機和管網(wǎng)的性能都發(fā)生變化時，只要最終結(jié)果是兩曲線的交點落在喘振區(qū)內(nèi)，就會突然出現(xiàn)喘振。譬如說在離心壓縮機開車過程（升速和升壓）和停車過程（降速和降壓）中，兩種性能曲線都在逐漸變化，改變轉(zhuǎn)速就是改變壓縮機性能曲線，使系統(tǒng)中升壓或降壓就是改變管網(wǎng)性能曲線。在操作中必須隨時注意使兩者協(xié)調(diào)變化，才能保證壓縮機總在穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)工作,五、產(chǎn)生、影響喘振的因素,工況的調(diào)整是在不引起機組喘振的情況下滿足用戶要求（壓力和流量），并兼顧機組運行效率。 壓縮機調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是改變壓縮機的工況點，所用的方法從原理上講就是設法改變壓縮機的性能曲線或者改變管網(wǎng)性能曲線兩種。具體地說有以下

13、幾種調(diào)節(jié)方式,六、離心壓縮機的工況的調(diào)節(jié),離心壓縮機的三種工況： （1）喘振工況-最小流量時的工況。 （2）阻塞工況（滯止工況）最大流量時的工況。 （3）正常工況 -喘振工況與滯止工況之間的工作范圍,1）出口節(jié)流調(diào)節(jié)，即在壓縮機出口安裝調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥的開度，來改變管路性能曲線，改變壓縮機的工作點，進行流量調(diào)節(jié)。出口節(jié)流的調(diào)節(jié)方法是人為的增加出口阻力來調(diào)節(jié)流量，是不經(jīng)濟的方法，尤其當壓縮機性能曲線較陡而且調(diào)節(jié)的流量（或者壓力）又較大時，這種調(diào)節(jié)方法的缺點更為突出，目前除了風機及小型鼓風機使用外，壓縮機很少采用這種調(diào)節(jié)方法,六、離心壓縮機的工況的調(diào)節(jié),2）進口節(jié)流調(diào)節(jié)，既在壓縮機進口管上安

14、裝調(diào)節(jié)閥，通過入口調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)進氣壓力。進氣壓力的降低直接影響到壓縮機排氣壓力，使壓縮機性能曲線下移，所以進口調(diào)節(jié)的結(jié)果實際上是改變了壓縮機的性能曲線，達到調(diào)節(jié)流量的目的。 和出口節(jié)流法相比，進口節(jié)流調(diào)節(jié)的經(jīng)濟性較好，據(jù)有關資料介紹，對某壓縮機進行測試表明：在流量變化為6080 %的范圍內(nèi)，進口節(jié)流比出口節(jié)流節(jié)省功率約為45%。所以這是一種比較簡單而常用的調(diào)節(jié)方法。但也還是存在一定的節(jié)流損失以及工況改變后對壓縮機本身效率有影響。 進口節(jié)流法還有個優(yōu)點就是：關小進口閥，會使壓縮機性能曲線向小流量區(qū)移動，因而可使壓縮機在更小的流量工況下工作，不易造成喘振,六、離心壓縮機的工況的調(diào)節(jié),3）改變轉(zhuǎn)速調(diào)

15、節(jié)。當壓縮機轉(zhuǎn)速改變時，其性能曲線也有相應的改變，所以可用這個方法來改變工況點，以滿足生產(chǎn)上的調(diào)節(jié)要求。離心壓縮機的能量頭近似正比于n2，所以用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法可以得到相當大的調(diào)節(jié)范圍。 變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)并不引起其他附加損失，只是調(diào)節(jié)后的新工況點不一定是最高效率點導致效率有些降低而已。所以從節(jié)能角度考慮，這是一種經(jīng)濟的調(diào)節(jié)方法。 而運用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方法大都運用在工作點離喘振線還有一定距離時采用。因此，當壓縮機工作點在穩(wěn)定工作區(qū)，根據(jù)壓縮機出口壓力，進行適當?shù)霓D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可以達到節(jié)能的目的,六、離心壓縮機的工況的調(diào)節(jié),4）防止喘振的措施 出現(xiàn)喘振的原因是壓縮機的流量過小，小于壓縮機的最小流量，或者管網(wǎng)的壓力高于壓縮機所提供的排壓，造成氣體倒流，產(chǎn)生大幅度的氣流脈動。 對流量過小引發(fā)的喘振來說，最直接最有效的方法就是打開防喘振控制閥，增加壓縮機流量。 壓縮機出口壓力與管網(wǎng)不匹配引發(fā)的喘振，多見