離心式壓縮機(jī)喘振控制淺析

吳鋒，牛哲，王志鑫，史吉隆

(沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869)

喘振是離心壓縮機(jī)特有的一種現(xiàn)象，它是危害壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的主要原因之一，在工藝流程中應(yīng)盡力避免壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象的出現(xiàn)。根據(jù)某廠壓縮機(jī)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用反饋，機(jī)組發(fā)生喘振現(xiàn)象比較普遍，有些機(jī)組甚至頻繁發(fā)生喘振，給用戶造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 喘振現(xiàn)象及引起的原因

1.1 喘振現(xiàn)象

喘振現(xiàn)象可以從三個(gè)方面分析： 首先，要觀察壓縮機(jī)入口流量和進(jìn)出口壓力，從CCS趨勢(shì)圖可以觀察波動(dòng)幅度軌跡和實(shí)時(shí)趨勢(shì)，若有周期性和大的波動(dòng)，則會(huì)發(fā)生喘振；二是當(dāng)聽到壓縮機(jī)進(jìn)出氣管路氣流聲音中有“呼哧呼哧”的噪音時(shí)，則機(jī)組發(fā)生喘振；三是觀察壓縮機(jī)的軸系振動(dòng)圖，當(dāng)發(fā)現(xiàn)軸系某個(gè)振動(dòng)突然急劇地增大，機(jī)組發(fā)生相較之前明顯的振動(dòng)時(shí)，則壓縮機(jī)發(fā)生喘振。以上三種現(xiàn)象，是判斷壓縮機(jī)喘振的主要手段。

1.2 喘振發(fā)生的主要因素

喘振是多因素綜合作用的結(jié)果，主要影響因素如下：

1)設(shè)計(jì)因素。防喘振系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理；防喘振閥(放空閥，旁通閥)循環(huán)氣量不足；防喘振系統(tǒng)沒有將氣體分析儀與控制系統(tǒng)連接；對(duì)溫度壓力沒有補(bǔ)償修正。

2)調(diào)節(jié)因素。防喘振系統(tǒng)調(diào)節(jié)不佳。

3)運(yùn)行因素。機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行前沒有對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行實(shí)際氣體喘振試驗(yàn)校核；防喘振系統(tǒng)因?yàn)楦鞣N原因不能投入自動(dòng)；防喘振系統(tǒng)失靈；進(jìn)氣溫度壓力偏離設(shè)計(jì)值較大，氣體相對(duì)分子質(zhì)量變小；壓縮機(jī)工藝流程波動(dòng)造成管網(wǎng)壓力變大；機(jī)組轉(zhuǎn)速下降；壓縮機(jī)進(jìn)口通流面積減小；操作中出現(xiàn)失誤。

1.3 喘振位置

氣流在葉輪流動(dòng)路徑中或在葉片擴(kuò)壓器的流動(dòng)路徑中會(huì)發(fā)生喘振；喘振也可能發(fā)生在某個(gè)階段、某個(gè)部位、或整個(gè)單元中。經(jīng)驗(yàn)表明： 如果壓縮機(jī)具有葉片擴(kuò)壓器，則擴(kuò)壓器首先喘振；如果壓縮機(jī)無葉片擴(kuò)壓器，則喘振首先出現(xiàn)在葉輪中。只要壓縮機(jī)一級(jí)氣體激增，氣體在該處紊亂流動(dòng)加劇，多級(jí)壓縮機(jī)的最后一級(jí)就容易出現(xiàn)振幅加劇的現(xiàn)象，從而擴(kuò)展到整個(gè)機(jī)組。

2 喘振造成的危害

1)壓縮機(jī)進(jìn)出口參數(shù)發(fā)生大幅波動(dòng)，會(huì)對(duì)整個(gè)工藝生產(chǎn)流程造成危害。

2)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件和軸承、密封裝置、隔板產(chǎn)生沖擊，容易使轉(zhuǎn)子發(fā)生不平衡，靜止件發(fā)生刮碰磨損。

3)破壞機(jī)組配套附屬設(shè)施正常運(yùn)行，使輔助設(shè)備如干氣密封裝置等損壞，造成聯(lián)鎖停車。

4)對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大沖擊，容易造成軸瓦密封型環(huán)刮碰摩擦及燒蝕變形。

5)密封元件與轉(zhuǎn)子非正常摩擦，造成級(jí)間間隙超差，壓比達(dá)不到要求，如若是易燃易爆、有毒有害介質(zhì)發(fā)生泄漏，嚴(yán)重時(shí)則可能造成財(cái)產(chǎn)損失及人員傷亡。

3 避免發(fā)生喘振的方法

3.1 設(shè)計(jì)源頭的措施

1)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)各部件采用合理的幾何尺寸，適當(dāng)?shù)貎?yōu)化通流部分結(jié)構(gòu)，讓壓縮機(jī)運(yùn)行范圍具有充足的安全裕度，防喘振工作原理如圖1所示。

圖1 防喘振工作原理示意

由圖1可知，左側(cè)以喘振線為界，為了留出安全裕度，最小體積流量范圍為(1.05～1.10)qV喘，所以經(jīng)常用防喘振保護(hù)線作為邊界保護(hù)線；上方以壓力線和最大連續(xù)轉(zhuǎn)速線(105%n額)為界，下方為最小工作轉(zhuǎn)速線為界；右側(cè)受到阻塞流量線的限制。為了增大機(jī)組穩(wěn)定工作的范圍及提升抗喘振能力，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

a)使用不同級(jí)的多級(jí)壓縮機(jī)，后級(jí)壓縮機(jī)級(jí)間的氣流要具有較好的通流條件。

b)對(duì)于小流量壓縮機(jī)或多缸壓縮機(jī)的后缸，應(yīng)選用無葉擴(kuò)壓器作為通流截面部件。

c)定速壓縮機(jī)可以是葉輪入口導(dǎo)葉裝置或擴(kuò)壓器葉片調(diào)節(jié)裝置。

d)對(duì)于可變轉(zhuǎn)速的壓縮機(jī)，盡量控制好轉(zhuǎn)速。

2)壓縮機(jī)出口設(shè)置逆止閥，當(dāng)壓縮機(jī)喘振時(shí)，應(yīng)防止氣體回流引起的設(shè)備損傷。壓縮機(jī)出口的第1臺(tái)閥盡可能靠近出口法蘭，減少管網(wǎng)容量，降低通流能量。

3)平衡盤泄漏管線上需安裝高溫報(bào)警裝置，在喘振之前能對(duì)氣體溫度上升發(fā)出自動(dòng)報(bào)警。

4)防喘振控制系統(tǒng)應(yīng)該在壓縮機(jī)段間、缸間安裝自動(dòng)和手動(dòng)防喘振控制調(diào)節(jié)設(shè)施。為了防止喘振發(fā)生，壓縮機(jī)的工況點(diǎn)始終需要在喘振線右側(cè)運(yùn)行，因此在喘振曲線的右側(cè)預(yù)先設(shè)計(jì)了防喘振保護(hù)線，即防喘振曲線，當(dāng)壓縮機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)從右側(cè)逐漸移動(dòng)到防喘振線時(shí)，則應(yīng)快速打開連接壓縮機(jī)出口到進(jìn)口的防喘振閥，從而擴(kuò)大壓縮機(jī)進(jìn)口流量，降低壓縮機(jī)管網(wǎng)阻力，從而讓工況點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振區(qū)域。防喘振曲線與喘振線之間應(yīng)有一定的安全裕度，一般情況該裕度為8%～10%。由于控制系統(tǒng)采用比例關(guān)系比較容易實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)際防喘振線由直線代替，根據(jù)浪涌保護(hù)曲線的不同設(shè)計(jì)，一般常見的防喘振控制方案見表1所列。

5)防喘振控制系統(tǒng)的自動(dòng)和手動(dòng)功能應(yīng)單獨(dú)使用，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后或自動(dòng)控制系統(tǒng)失效時(shí)，可以手動(dòng)打開回流閥或排氣閥，但必須正確選擇防喘振控制系統(tǒng)儀表、閥門等設(shè)備。

6)設(shè)置壓縮機(jī)防喘振界面，使操作者能通過屏幕界面看到工況點(diǎn)與防喘振曲線，喘振曲線相對(duì)位置，發(fā)現(xiàn)工況點(diǎn)偏移到防喘振曲線附近時(shí)，立即采取措施，使工況點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振區(qū)域。

3.2 規(guī)范試運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)投產(chǎn)前的調(diào)試

1)壓縮機(jī)試運(yùn)行前，要組織操作人員認(rèn)真學(xué)習(xí)壓縮機(jī)工藝流程，熟悉配套設(shè)施，熟練掌握壓縮機(jī)基本原理和操作手冊(cè)，通曉壓縮機(jī)設(shè)計(jì)曲線、結(jié)構(gòu)和性能、管網(wǎng)特性，特別要掌握壓縮機(jī)進(jìn)口條件以及轉(zhuǎn)速對(duì)壓縮機(jī)的影響。

2)在壓縮機(jī)調(diào)試前，根據(jù)壓縮機(jī)組的性能曲線，預(yù)先確定速度增加曲線和減速曲線，并以此作為操作基礎(chǔ)。

3)在壓縮機(jī)操作中遵守“升壓先升速，降速先降壓”的規(guī)則。

4)壓縮機(jī)啟動(dòng)前，進(jìn)口閥、回流閥和防喘振閥應(yīng)全部打開，出口閥應(yīng)完全關(guān)閉，以便空載啟動(dòng)。

表1 常見的防喘振控制方案比較

5)根據(jù)升速增加曲線，當(dāng)壓縮機(jī)加速到調(diào)速器最小轉(zhuǎn)速時(shí)，可以執(zhí)行增壓操作。

6)升壓時(shí)必須先使出口閥門打開去下一工序，并使放空閥或防喘振閥緩慢關(guān)上，讓工藝氣體進(jìn)入下個(gè)流程。

7)升速和升壓要交替進(jìn)行且不要過快，升壓要慢于升速。

8)雙缸壓縮機(jī)有兩個(gè)防喘振回路，在開車之后應(yīng)首先增加低壓缸的壓比，然后增加高壓缸的壓比，即低壓缸的防喘振閥在升壓過程中首先關(guān)閉，然后關(guān)閉高壓缸的防喘振閥。

9)在停車之前，首先檢查回流閥，先將回流閥打開一定開度，在出口壓力下降到一定值后，再將轉(zhuǎn)速降到一定值，壓力下降和速度下降交替變化，直至出口壓力卸掉再停車。

10)對(duì)雙缸壓縮機(jī)，停車時(shí)要先開高壓缸回流閥，然后開低壓缸回流閥。

11)壓縮機(jī)的性能設(shè)計(jì)曲線和設(shè)計(jì)喘振點(diǎn)，目前都是設(shè)計(jì)人員在模型程序輸入?yún)?shù)后計(jì)算出來的，再加上壓縮機(jī)出廠加工制造的誤差以及到現(xiàn)場(chǎng)安裝裝配的誤差，可能實(shí)際機(jī)組的喘振線與預(yù)期喘振線會(huì)有一定的偏差，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用條件，不可能完全滿足設(shè)計(jì)狀態(tài)下壓縮機(jī)的運(yùn)行性能，因此要求壓縮機(jī)的喘振線需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)校準(zhǔn)，一般壓縮機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，才能進(jìn)行喘振試驗(yàn)。喘振對(duì)壓縮機(jī)的破壞性很大，試驗(yàn)前一定要有專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)試驗(yàn)，識(shí)別機(jī)組可能發(fā)生喘振的風(fēng)險(xiǎn)并快速作出反應(yīng)，在做喘振試驗(yàn)時(shí)，一般取70%n額，80%n額，90%n額，100%n額，105%n額5個(gè)轉(zhuǎn)速下的喘振試驗(yàn)點(diǎn)，在每個(gè)轉(zhuǎn)速下，進(jìn)口壓力溫度保持穩(wěn)定，進(jìn)口體積流量由大變小，進(jìn)口壓力由小變大，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)喘振現(xiàn)象后，退到離喘振最近的穩(wěn)定點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)，以此作為壓縮機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的喘振點(diǎn)。

12)有了實(shí)測(cè)喘振線，通過控制系統(tǒng)里喘振線的修正，標(biāo)定防喘振閥特性。

4 壓縮機(jī)運(yùn)行維護(hù)的注意事項(xiàng)

1)經(jīng)常清理壓縮機(jī)進(jìn)口管路的過濾器以及差壓變送器排污處和其他出口管道容器，避免被灰塵、雜質(zhì)、污垢等堵塞。

2)在運(yùn)行操作中要嚴(yán)格觀察壓力、溫度、進(jìn)氣流量、氣體分子相對(duì)質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、管網(wǎng)容器壓力以及冷卻器對(duì)管路氣體的作用等工藝條件的變化，防止進(jìn)出口管線堵塞。經(jīng)常觀察工況點(diǎn)在操作條件下的操作動(dòng)態(tài)，當(dāng)工藝條件發(fā)生變化且運(yùn)行工況條件趨于防喘振線時(shí)，必須將回流閥、進(jìn)口節(jié)流、轉(zhuǎn)速、進(jìn)口導(dǎo)葉角度調(diào)整到手動(dòng)模式，改變壓縮機(jī)性能工況點(diǎn)，降低壓縮機(jī)出口阻力，使工況點(diǎn)遠(yuǎn)離防喘振區(qū)域。同時(shí)要立即查明原因，盡快恢復(fù)正常工藝。

3)嚴(yán)格按照操作手冊(cè)進(jìn)行規(guī)定的操作，一旦發(fā)生喘振，一般不要停機(jī)，首先使機(jī)組脫離喘振區(qū)域，然后查明原因。檢查機(jī)組有無損壞，一切正常則恢復(fù)正常操作。

4)和壓縮機(jī)有關(guān)的各種變動(dòng)，應(yīng)盡早通知壓縮機(jī)操作位，事先評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，做好預(yù)備方案。