離心式壓縮機的喘振研究

趙金鳳

摘 要：本文結合離心式壓縮機性能曲線及出口管路特性曲線，從喘振產生的機理出發找出喘振發生的先決條件、喘振的危害以及常用判斷方法，分析了喘振的因素以及實際問題。并對常用的防喘振控制方法進行了比較和分析，主要研究的是離心式的壓縮機在工作過程中，所產生的喘振的原因，并進行一定的分析，最后，提出避免發生喘振現象的控制方法。

關鍵詞：離心式壓縮機 喘振機理原因 防喘振控制

中圖分類號：TH45 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）1（a）-0127-02

離心式壓縮機組作為化工裝置項目中的心臟，其順利開車及正常運轉對工程項目成功與否的重要性不言而喻。離心壓縮機組是一個龐大的工程系統，喘振是離心式壓縮機在小流量工作時不穩定狀態，它是離心式壓縮機的固有特性。嚴重的喘振會使整個機組劇烈震動，流量大幅波動，損壞軸瓦、轉子等機組內件，還可能帶來巨大的經濟損失。本文在一定程度上會對于整個喘振形成的原因進行總結。

1 離心式壓縮機喘振的機理

1.1 壓縮機的性能曲線

通常所說的離心式壓縮機在一定程度上會形成葉片式旋轉機械，主要是通過對于葉輪的高速運轉，保證在整個葉輪中心部位氣體靠近離心力的作用而不斷向外延伸，當氣體獲得更高速度之后，就會將負壓器中所形成的氣體的動能不斷轉化為壓力，這樣就可以保證整個葉輪在運行的中心會存在一個負壓區，氣體不斷吸入流道，形成一定連續的輸送過程。不同的流量在一定程度上會將壓力形成不一樣的曲線。整個壓縮機在不同運轉下所形成的曲線可以從圖1中的n1，n2，n3曲線看出。

1.2 管路特性曲線

關于氣流流過管路時所需要的能頭和流通管路氣量Q的關系，是圖1的曲線的關系。對于離心式壓縮機運行的過程來說，管路所需的壓頭可以用壓縮機出口管端壓力即出口背壓的大小來表示。表示如下：

Pc=Pr+AQ2 （1）

式中：

Pc為管端壓力；

Pr為管路用戶端操作壓力；

A為阻力損失系數；

Q為管路內氣體體積流量。

當管路發生變化時，管路特性曲線如圖1中R1為某指定管路狀態下的管路曲線，當管路中的閥門關小時，曲線為R2，當管路阻力幾乎為零時，曲線為R3，當管路Pr即管路用戶端操作壓力為常壓時，曲線為R4。

1.3 離心壓縮機的操作點

壓縮機出口與管路直聯，因此，當壓縮機正常工作時：（1）處于同意狀態的壓縮機的氣量與流過管路的氣量相同。（2）管端壓力Pc與壓縮機出口壓力大小相等。由這兩點說明壓縮機形成的操作點，是整個壓縮機性能曲線和出口管路的交匯點，是離心壓縮機實際工作點，如圖1中的A1，A2，A3，A4點。此特性離心壓縮機與離心泵相同。

1.4 離心壓縮機喘振原理

當氣流流向了葉輪背部出口附近，產生的能量損失的時候就是邊境分離或者是漩渦中產生的損失，在對于這些損失進行分析時，可以通過對于氣流流向的特征進行分析。當氣流的流量較小的時候，流量速度也會不斷地減小，氣體徑向流速減小，從而改變進入擴壓器氣體的方向與大小。壓縮機出口壓力不斷下降時，對于出口管路系統的壓力也會形成相應的改變，如果氣體存在倒流的現象，就會使整個氣體流道的流量不斷得到補充，從而保證正常的工作狀態。如果倒流，就會致使氣體的壓力不斷下降，氣體在倒流的時候，在系統中就會產生周期性的氣體流向，從而導致壓縮機發生震動，將這種現象稱作喘振。

2 離心壓縮機喘振形成的客觀原因

根據壓縮機組喘振形成的機理，出現壓縮機喘振主要的原因就是壓縮機流量的減少，發生喘振后，外部管線壓力高形成氣流倒流，從而產生震動。

2.1 壓縮機轉速的變化

如圖1所示，當壓縮機轉速由n1減小到n2時，壓縮機的操作點沿著管路特性曲線R1由A1變化至A4，A4點相對于A1點離喘振曲線較近，增大了發生喘振的可能性（轉速降低時，管路特性曲線也發生變化，此時忽略）。

2.2 壓縮機的進氣狀態影響

當壓縮機轉速保持恒定狀態的時候，它的進氣溫度、進氣壓和分子之間都會引起相應的曲線變化。喘振點隨分子量的變化，分子量越小越靠近喘振點。隨入口壓力的變化，分子量越低，操作點越靠近喘振點。隨進氣溫度的變化，入口氣體溫度越高，操作點越靠近喘振點。

4 離心壓縮機防喘振控制

我們通常工業上所用的壓縮機大部分都有防喘振閥或者是調速器，主要是在入口的流量方面進行一定的調節，通過改變相應的轉速，調節出口中產生的壓力和防喘振線。目前主要條件方法如下：

4.1 等流量控制-單參數法

當壓縮機進氣量降低到接近防喘振量時，出口流量傳感器傳訊號給回路中的防喘振閥，即打開防喘振放空閥，于是部分氣流放空（或者回到入口管路），壓縮機背壓降低，流量不斷增加的時候，工況點也就會遠離喘振工況了。在此單參數法中，一般情況下喘振量的確認是在最大連續轉速下的喘振流量為依據，并留有一定的裕度，此裕度通常為該轉速下流量的5%，如圖1中的G線。由于僅以一個流量值為設定點，在G線與防喘振線之間的穩定運行區域都將放空或者打回流，因此采用這種方法將會浪費很大一部分壓縮功。

4.2 流量、壓力綜合控制-雙參數法

雙參數法是指不僅要控制一個流量，還要控制氣體壓力，在不同的轉速下模擬出發生喘振時的流量曲線就是喘振曲線，通常設置防護線，防護線上的流量比相應的轉速的喘振流量大5%～10%之間。

其中防喘振控制線方程可表示為：

式中的a，b所指的是壓縮機本體相關常數，而k主要指的是氣體絕熱系數，Ta為壓縮機氣體進氣溫度。從此公式可以看出，防喘振曲線為一近似拋物線，現場通過壓力和流量的測量使得壓縮機操作點位于防喘振線的右側的穩定運行區域。如圖1。此公式在很多資料手冊中均有推理，此處不在累述。

5 結語

總而言之，對于離心率壓縮機靠近喘振點最好的，或者說是最直接的控制方法就是要打開防喘振控制閥，這樣在一定程度上通過轉速的調節，將整個工作點的距離進行一定的衡量，增加壓縮機產生的流量，就可以保證整個壓縮機在工作的時候可以處在穩定的區域。根據壓縮機的出口不斷加強對于轉速的調節，可以加大對于能源的保護，產生節能的效果。如果發生了喘振現象，就需要加快，對于傳真現象的推測和預判，這樣可以提前加以控制，避免在這種現象的發生。

參考文獻

[1]《透平式壓縮機》黃鐘岳王曉放王微化學工業出版社2013.09

[2]《離心式壓縮機的喘振分析與控制》張寶成壓縮機技術2002.6