離心式壓縮機喘振分析及消除措施探究

李 穎

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037003)

離心式壓縮機喘振分析及消除措施探究

李 穎

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037003)

離心式壓縮機在石油化工的工業生產中應用廣泛，但在實際使用過程中常出現喘振的現象。對離心式壓縮機喘振的原因及危害性進行簡單分析，并探討了喘振現象的影響因素，提出防止喘振的措施。

離心式壓縮機；喘振；原因；對策

壓縮機在重型化工行業發揮著重要的作用，扮演著不可或缺的角色。離心式壓縮機是目前應用最為廣泛的壓縮機，具有高效運行、流量大、體積小的特點。離式壓縮機的喘振現象第1次被發現是在上個世紀的英國，當壓縮機發生喘振時，加大了壓縮機的損壞程度，是極具危害性的固有現象。對此必須對喘振的原因進行分析，合理控制影響因素，提出正確的防范策略，充分發揮壓縮機效用。

1 離心式壓縮機喘振原因及其危害性

離心式壓縮機具有占地小、構造簡單、排氣量大、運行平穩、效率高的特點，并且氣流平緩無脈動，潤滑油對壓縮機的壓縮空氣不構成影響，相較于復式壓縮機更廣泛應用于石油化工企業。壓縮機在運行過程中，氣體的壓縮會產生氣體使相對分子質量大小的變化，且氣體的溫度、壓力和流量也隨之發生改變，這種氣體的變化是直接致使壓縮機發生喘振的主導因素[1]。因此，為確保壓縮機平穩高效地運行，防范壓縮機發生喘振，是本文研究的主要課題。

1.1 離心式壓縮機的喘振影響因素

1.1.1 內部因素

壓縮機正常運行氣流是從進口角度進入的。然而，當流量低于設計流量時，氣流進入葉片的方向偏離了正常的進口角度，會導致在壓縮機內部產生氣體分離區。這是由于，氣體偏離進入軌道，氣體在葉片工作面上被迫分離，與葉輪的旋轉方向發生反向移動，且氣體流量與分離成反比，氣體流量小，分離區域大。若是氣體流量逐漸減少至氣體倒流，在壓縮機正常運行的條件下，倒流的氣體重新進行壓縮，氣體反復地在排氣管中出現異常，直接影響氣體的輸送頻率。這時，頻率低的氣體產生的氣體壓力，間接導致壓縮機氣體脈動發生震動噪音，形成了喘振。

1.1.2 外部因素

如第105頁圖1所示 ，在離心式壓縮機不同轉速下的ε-Qj曲線圖中，ε-Qj曲線呈現的是拋物線形狀，有一個駝峰型的最高點。最高點的右側是穩定的工作區域，右側中管路特性曲線和性能曲線的多個交點就是壓縮機的工作點；而在曲線左側的工作區，其具有不穩定的特性，因此左側也稱為“喘振區”。

第105頁如圖2不穩定工況圖所示，若在M’點處表示壓縮機工作不穩定的點，關閉減小管路出口的閥門，管路特性曲線Ⅰ處表示的是流量較大的工作區域，Ⅱ處曲線表示流量較小的工作區域，工作點會向流量小的方向移動，管路特性曲線從Ⅰ處到Ⅱ處。若工作在A點處，壓縮機的出口壓力小，管路需要的壓力大，氣體流量要繼續下降直至零。壓縮機出口壓小于管路壓力，氣體回流到壓縮機，持續回流后，管路壓力小于壓縮機出口壓力，管路又實現輸氣，氣流量重新增加，工作點向A移動。工作點又處在A處，壓縮機氣流若仍不穩定時，氣體流量會持續下降，管路中氣體受到此下降動力，又重新開始倒流回壓縮機。氣流重復規律性地在管道移動，規律性和周期性地往返，管路的氣壓和壓縮機中的氣流大小規律地周期變化，壓縮機的脈動也呈現反復規律性的三角函數曲線形圖，壓縮機出現了喘振現象。

圖1 離心式壓縮機在不同轉速下ε-Qj

如圖3所示，壓縮機性能不穩定也會造成喘振。

1) 轉速不穩定。如圖3(a)所示，壓縮機的運轉

圖2 不穩定工況

速度由n1曲線減小到n2曲線時，葉輪運轉功率下降，氣體壓力隨之下降，導致性能曲線往下移動，工作點左偏到壓縮機的不穩定工作區，發生了喘振現象。

2) 進氣壓力不穩定。如圖3(b)所示，壓縮機進氣壓力由p1曲線下降到p2曲線時，性能曲線會往下移動，工作點左偏到壓縮機的不穩定工作區，發生喘振現象。

3) 進氣溫度不穩定。如圖3(c)所示，壓縮機進氣溫度T1曲線升高T2曲線，壓縮機的性能曲線會往下移動，工作點左偏到壓縮機的不穩定工作區，發生喘振現象。

圖3 離心式壓縮機性能變化對喘振的影響

1.2 離心式壓縮機喘振的危害性

離心式壓縮機的喘振影響壓縮機的性能和管道運行。壓縮機發生喘振時，運行壓力和效率都有所降低，加快震動的頻率，同時出現異常的噪音和破音，對壓縮機的軸承、葉片性能有所損壞。管道的運行也受到喘振的影響，如，出口壓力的下降、流量不穩定、波動頻率加快、氣體回流、管道出現嚴重的劇烈震動。

2 防喘振措施

2.1 加強頂層設計

初始壓縮機的頂層實際強調結構上的防喘振系統的設計，防喘振系統必須是積極的方式。舉例來說，可以利用旋轉進口導葉作為導葉材料，對導葉材料的性能進行科學檢測，確保此種導葉具有高度的調節性，調節進入葉輪的氣流，使其產生預旋作用，并利用旋轉效果實現對葉輪氣流方向的改變，達到改變壓縮機性能曲線的目的。或采用加厚的葉輪，葉片進口邊；采用的葉片擴壓器選擇可以調節葉片角度的；采用出口寬度減窄的無葉擴壓器等等。

2.2 可變極限流量法

壓縮機的負荷過大，導致壓縮機功率發生波動時，必須對運轉速度進行調節，達到降低能力損耗的目的。通常采取此防喘振措施，運用的是可變限流量法。

壓縮機發生喘振時的最小流量是個未知數，一般來說是個變量，運轉速度發生持續降低時，防喘振曲線偏移的方向是左下方，發生喘振最小流量也隨之減小。并在一定安全裕量條件下，當防喘振曲線向右平移后，形成新的防喘曲線，用新的防喘曲線來實施對防喘振閥的啟閉控制，達到減少能量損耗、防止喘振的發生的目的。防喘振控制線的方程為式(1)。

(1)

式中：a和b都是壓縮機的常數；分母p1指的是進口壓力；分子p2指的是出氣壓力；k指的是氣體絕熱指數；T1是固定值，指的是進氣溫度。通過參數排氣壓力p2和Qv來控制防范喘振。

3 離心式空氣壓縮機喘振具體故障分析及處理

3.1 擴壓器腐蝕或磨損

擴壓器是壓縮機構造的重要部件，其具有降低葉輪壓出氣流速度、提高氣體的壓力、使其達到總壓力30%的作用。若擴壓器受到外界因素而使內部曲線腔壁受損或是腐蝕，會導致擴壓器的作用發揮失效，擴壓器對氣體的控制降低，氣體形成漩渦，進入的氣流量減少，輸出的壓力也會隨之降低，從而產生喘振。

具體對策：擴壓器實行定期檢查制度，壓縮機發生磨損時的修復強調及時性和有效性，對壓縮機腐蝕實行防范策略。必要時，對擴壓器更新換代，用新的擴壓器性能更完好。

3.2 進氣溫度過高

空氣壓縮機的運行條件是標準大氣壓且溫度25 ℃。但這個運行條件是不受任何外界因素影響的標準化條件，實際的運行條件并不符合。特別是溫度高于25 ℃時，空氣的密度會較低，壓縮機的實際壓縮氣體流量減少，從而產生喘振。

具體對策：實施溫度控制，可以將壓縮機運行環境設置為室內，并且運行環境空間大、屋頂高度高、排氣能力強，實現降低排氣壓力。

3.3 過濾器、空氣冷卻器、水氣分離器潔凈程度不夠

為了阻擋雜質灰塵，壓縮機在進口處通常安裝

空氣過濾器。然而，使用周期過長后，過濾器潔凈程度不夠，對氣體的進入通道造成堵塞，減少空氣進氣量，從而產生喘振。壓縮機的葉輪也會黏附空氣中的粉塵雜質以及構件磨損的微粒等，這些雜質都會減緩氣體的流動速度，減少空氣的進入量，從而產生喘振。

具體對策：定期進行壓縮機主體及構建的清潔排查，對水氣分離器 、冷卻器清潔實現專業化、規范化管理。

3.4 葉輪、擴壓器間隙不適

葉輪和壓縮器的間隙合理，才能保證進氣量。若壓縮機的軸承磨損，導致葉輪和擴壓器間隙縮小，發生摩擦碰撞；若葉輪和擴壓器之間的間隙過大，導致管路中出現氣流泄露或者發生串氣。因此，葉輪和擴壓器的間隙不適，過大和過小都會使氣體量減少，從而喘振。

具體對策：定期維護，根據實際情況，保證葉輪和擴壓器的間隙始終維持在規定的合理范圍。

4 結語

離心式壓縮機的喘振嚴重影響壓縮機的運行性能。在日常條件下，壓縮機的正常運行需要定期的維護。壓縮機的使用周期較長，會受到周圍環境的作用，發生磨損、腐蝕等情況，導致工作的重點慢慢向喘振區傾斜。因此，必要的預防壓縮機喘振措施是延長壓縮機使用壽命的手段。前期對壓縮機喘振原因進行合理分析，實施影響因素的管理和控制，加強日常的維護力度。同時，建立內部日常機械維護機制，確保壓縮機的運行在最佳環境條件下，這對壓縮機的發揮作用有著現實的積極意義。

[1] 冉憲濤，趙恒梅.離心式壓縮機喘振分析及消除措施[J].中國石油和化工標準與質量，2013(10)：83.

Analysis of surge in centrifugal compressor and elimination measures

LI Ying

(Datong Guangfa Chemical Industry Co., Ltd., Datong Shanxi 037003, China)

Centrifugal compressor is widely used in industrial production of petrochemical industry. But there often appears surge phenomenon in actual use. This paper gives a simple analysis of reason and hazards of centrifugal compressor, explores the factors influencing the surge, and puts forward the measures to prevent the surge.

centrifugal compressor; surge; reason; countermeasure

2017-01-05

李 穎，女，1990年出生，2012年畢業于太原理工大學現代科技學院材料化學專業，助理工程師。研究方向：化工設備管理。

10.16525/j.cnki.cn14-1109/tq.2017.02.35

TH45

A

1004-7050(2017)02-0104-03

化機與設備