離心壓縮機喘振以及防喘過程的分析

摘 要：離心式壓縮機是一種葉片旋轉(zhuǎn)式壓縮機（即透平式壓縮機）。本文主要針對壓縮機機組發(fā)生喘振與防喘機理作了討論分析與闡述。

關(guān)鍵詞：壓縮機 喘振 防喘 分析

中圖分類號：TH452 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）01（c）-0095-02

1 壓縮機組工程概述

西氣東輸站場有羅斯-羅伊斯（Rolls——Royce簡稱羅羅）公司和美國通用電氣（簡稱GE）公司生產(chǎn)的兩種航改型燃氣輪機機組。在西氣東輸燃氣輪機機組中，燃氣輪機的主要作用是使氣體的動能轉(zhuǎn)化為機械能，帶動離心式壓縮機。離心壓縮機的主要作用是，將上游來的低壓天然氣進行升壓分輸至下游用戶。

2 壓縮機的喘振分析

研究壓縮機，可以先從壓縮機內(nèi)部的非定常流動入手，對研究研究壓縮機有很大幫助。壓縮機擁有比較復雜的工作穩(wěn)定性，基本分為利用失速和喘振原理的氣動非穩(wěn)定性和利用顫振原理的氣彈非穩(wěn)定性。逐步減小壓縮機或者壓縮機系統(tǒng)流量，將促使壓縮機改變工作地點，如果越過喘振或者時速線，壓縮機的工作將會發(fā)生不穩(wěn)定情況。壓縮機的不穩(wěn)定現(xiàn)象我們主要研究其中的氣動不穩(wěn)定現(xiàn)象，研究結(jié)果將這種現(xiàn)象總結(jié)成旋轉(zhuǎn)失速和喘振兩種情況。下面我們對壓縮機的喘振進行分析和討論[1]。

2.1 喘振的原理

喘振的產(chǎn)生：壓縮機在運轉(zhuǎn)過程中，流量不斷減少，小到最小流量界限時，就會在壓縮機流道中出現(xiàn)嚴重的氣體介質(zhì)渦動，流動嚴重惡化，使壓縮機出口壓力突然大幅度下降。由于壓縮機總是和管網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合工作的，這時管網(wǎng)中的壓力并不馬上降低，因而管網(wǎng)中的氣流就會倒流向壓縮機，直到管網(wǎng)中的壓力降至壓縮機出口壓力時倒流才停止。壓縮機又開始向管網(wǎng)供氣，壓縮機的流量又增大，恢復正常工作，但當管網(wǎng)中的壓力恢復到原來的壓力時，壓縮機流量又減小，系統(tǒng)中的氣體又產(chǎn)生倒流，如此周而復始，產(chǎn)生周期性氣體振蕩現(xiàn)象就稱為喘振。

它是一種周期性的現(xiàn)象，它能在壓縮機機械部件上產(chǎn)生很大應力。壓縮機必須防止喘振，決不允許壓縮機在喘振情況下運行。

如圖1所示。

2.2 喘振產(chǎn)生的原因

造成離心壓縮機喘振的原因涉及到：工藝專業(yè)、儀表自控專業(yè)及部分設備專業(yè)等知識，其復雜程度不是我們一篇論文就可以闡述的。我們壓氣站為聯(lián)動設備為透平驅(qū)動離心壓縮機系統(tǒng)，涉及的知識就更多。如果放開來，足可以寫上一本書，所以我們在這里只能提供大概的思路。

工藝操作系統(tǒng)引起的離心機喘振因素有以下幾點。

（1）各段吸入流量嚴重不足，導致喘振；（2）某段的吸入口壓力過低導致喘振；（3）由于段間發(fā)生堵塞，造成實際吸入不足導致喘振；（4）離心機設備內(nèi)部轉(zhuǎn)子或擴壓孔道中有液體的羈留導致喘振；（5）壓縮機的末段出口下游壓力高于壓縮機出口導致喘振；（6）壓縮機某段吸入少量液體；（7）在開車過程中操作不當，如打開末段出口大閥和關(guān)閉防喘振閥不匹配等原因。

由設備本身原因引起的壓縮機喘振的條件比較少，可能的原因大多為錯誤的檢修所致。

3 壓縮機防喘過程分析

流量與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，多變壓縮能量頭與轉(zhuǎn)速平方成正比關(guān)系，

、、為常數(shù)，為多變壓縮能量頭，為流量，為壓縮機轉(zhuǎn)速。

在石油化工生產(chǎn)中，在工藝條件波動的情況下，壓縮機進氣溫度、壓力、氣體組分的變化都會引起壓縮機性能曲線及喘振點的變化。壓縮機提供給氣體的能量或壓縮功可用如下公式來描述：

式中，為多變壓縮能量頭；為多變指數(shù)；為溫度；為氣體常數(shù)；為氣體分子量；為出口壓力；為進口壓力；為壓縮因子。由（1）和（2）式得到：

由于：

式中，為入口流量計壓差；為流量計流量系數(shù)，由孔板尺寸決定；為壓縮機入口氣體密度。由于：

由（4）和（5）式得到：

由（3）和（6）式得到如下公式：

由于是小壓比，因此：

由此得到：

由（7）和（8）得到：

設：為常數(shù)

由公式

以及

得到Qs與的關(guān)系，為2次平方關(guān)系。得到壓比和流量的關(guān)系曲線，如圖2所示，為喘振曲線[2][3]。壓比Qs=0，=1。

圖3是壓縮機特性圖，該圖體現(xiàn)了壓縮機內(nèi)部不穩(wěn)定的工作原理。壓縮機動態(tài)過程中的一些關(guān)鍵因素，像喘振邊界線以及速度線等都在該圖上有體現(xiàn)，該圖表現(xiàn)出該系統(tǒng)中的工作點如果在傳真線的左邊部分，壓縮系統(tǒng)工作出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)的壓力和進口流量關(guān)系。

在我們實際的壓氣站，一般不會考慮喘振線右側(cè)的實際特性曲線，因為一旦到喘振線左側(cè)，會引起壓縮機停機。因此我們一般不會看到壓縮機的3次S型曲線，我們只考慮如圖3所示的曲線。我們在實際的壓縮機中，都會有防喘振系統(tǒng)，防喘振系統(tǒng)在壓縮機特性曲線中，設置喘振線的右邊的防喘振線來反映防喘系統(tǒng)的控制過程。

壓縮機以恒速在穩(wěn)定點m上運行。由于工藝突然波動，工藝的流量v從m點減到r點。然而，壓縮機按照對速度的設定繼續(xù)提供氣流并且工藝阻力增加，同時操作點沿曲線向n點移動（流量減少，壓力比增加）。

在該點n上，喘振控制系統(tǒng)開始打開防喘閥，以防止流量降至喘振線，控制器繼續(xù)打開防喘閥，直到減少到的工藝流量v1和通過防喘閥的流量總計達到最小流量v2，這是隨著出口壓力的變化（壓力比），由來自控制線的設定點決定的。如果壓縮機速度設定不變，新的操作點n將穩(wěn)定下來并由喘振控制器保持。

從工藝的觀點來看，壓縮機這時理論上在不穩(wěn)定區(qū)域的第r點上運行，因為工藝僅處理了流量v3，但事實上壓縮機在控制線上的第n點上運行，而且通過防喘閥使流量平衡（v2–v1）依然處于穩(wěn)定區(qū)域。為了確保壓縮機不能進入不穩(wěn)定區(qū)域，必須給對喘振線保持一定的安全界限（防喘閥打開的位置界限）。

這個控制器的輸入信號是壓縮機的現(xiàn)場信號。控制器能夠控制以下各部分。

（1）壓縮機速度；（2）入口節(jié)流閥；（3）回流閥。

當壓縮機啟動時，防喘振控制閥應該處于最大開度的位置。作為控制系統(tǒng)的獨立部分，防喘振控制閥被強制維持打開狀態(tài)，直到啟動過程結(jié)束。

在啟動過程結(jié)束時，控制器開始對回流閥進行控制，控制器發(fā)出的控制信號斜坡上升到達控制位置，在這個位置上控制器開始控制閥的動作。通過對速度的調(diào)節(jié)以及入口截流閥的調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)性能圖上的工作范圍，并以此來改變壓縮機的出口壓力以及體積流量使壓縮機的工作曲線根據(jù)圖的曲線變化[5]。

根據(jù)圖3，我們分析防喘振控制過程，共有4種狀況。

工作點在喘振線上方，PLC對防喘振閥的控制信號為100%，防喘振閥全開，電磁閥失電。

工作點在喘振線下方，PLC對防喘振閥的控制信號為100%，防喘振閥不全開，電磁閥帶電。

工作點由2向3移動過程中，當在防喘振線上時，PLC對防喘振閥的控制信號開始由100%逐漸遞減，直至防喘振閥全關(guān)為止；此過程，電磁閥始終帶電。

工作點由3向2移動過程中，當在防喘振線上時，PLC對防喘振閥的控制信號開始由0%逐漸遞增；當在喘振線上時，防喘振閥的控制信號剛好為100%；此時，電磁閥恰好失電。

4 結(jié)語

當壓縮機發(fā)生喘振時，采取合理的手段消除壓縮機的不穩(wěn)定工作是非常重要的。一般說來，喘振可以通過運用控制系統(tǒng)阻止壓縮系統(tǒng)工作點進入不穩(wěn)定區(qū)（喘振線的左部），來避免其中失喘振嚴重破壞壓縮機的穩(wěn)定性。防止離心壓縮機喘振，對操作人員的要求主要一條是操作從員應了解壓縮機的工作原理，隨時注意機器所在的工況位置；熟悉各種監(jiān)測系統(tǒng)和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的操作，使機器不致進入喘振區(qū)。

參考文獻

[1]王書敏，何可禹.離心式壓縮機技術(shù)問答[M].北京：中國石化出版社，2005.

[2]GE天然氣壓縮機操作維護手冊——ANTISURGEWRITE-UPFORCOMPRESSOR

[3]Rolls—Royce天然氣壓縮機操作維護手冊

[4]趙暉，李建平，高金湘，等.壓縮機防喘振控制系統(tǒng)[M].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古石油化工出版社，2007.

[5]趙豐.離心壓縮機防喘振控制系統(tǒng)研究[D].大連理工大學碩士論文，2006.