離心式壓縮機(jī)的喘振研究

趙金鳳

摘 要：本文結(jié)合離心式壓縮機(jī)性能曲線及出口管路特性曲線，從喘振產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā)找出喘振發(fā)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(shí)際問(wèn)題。并對(duì)常用的防喘振控制方法進(jìn)行了比較和分析，主要研究的是離心式的壓縮機(jī)在工作過(guò)程中，所產(chǎn)生的喘振的原因，并進(jìn)行一定的分析，最后，提出避免發(fā)生喘振現(xiàn)象的控制方法。

關(guān)鍵詞：離心式壓縮機(jī) 喘振機(jī)理原因 防喘振控制

中圖分類號(hào)：TH45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）1（a）-0127-02

離心式壓縮機(jī)組作為化工裝置項(xiàng)目中的心臟，其順利開車及正常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)工程項(xiàng)目成功與否的重要性不言而喻。離心壓縮機(jī)組是一個(gè)龐大的工程系統(tǒng)，喘振是離心式壓縮機(jī)在小流量工作時(shí)不穩(wěn)定狀態(tài)，它是離心式壓縮機(jī)的固有特性。嚴(yán)重的喘振會(huì)使整個(gè)機(jī)組劇烈震動(dòng)，流量大幅波動(dòng)，損壞軸瓦、轉(zhuǎn)子等機(jī)組內(nèi)件，還可能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文在一定程度上會(huì)對(duì)于整個(gè)喘振形成的原因進(jìn)行總結(jié)。

1 離心式壓縮機(jī)喘振的機(jī)理

1.1 壓縮機(jī)的性能曲線

通常所說(shuō)的離心式壓縮機(jī)在一定程度上會(huì)形成葉片式旋轉(zhuǎn)機(jī)械，主要是通過(guò)對(duì)于葉輪的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，保證在整個(gè)葉輪中心部位氣體靠近離心力的作用而不斷向外延伸，當(dāng)氣體獲得更高速度之后，就會(huì)將負(fù)壓器中所形成的氣體的動(dòng)能不斷轉(zhuǎn)化為壓力，這樣就可以保證整個(gè)葉輪在運(yùn)行的中心會(huì)存在一個(gè)負(fù)壓區(qū)，氣體不斷吸入流道，形成一定連續(xù)的輸送過(guò)程。不同的流量在一定程度上會(huì)將壓力形成不一樣的曲線。整個(gè)壓縮機(jī)在不同運(yùn)轉(zhuǎn)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(guān)于氣流流過(guò)管路時(shí)所需要的能頭和流通管路氣量Q的關(guān)系，是圖1的曲線的關(guān)系。對(duì)于離心式壓縮機(jī)運(yùn)行的過(guò)程來(lái)說(shuō)，管路所需的壓頭可以用壓縮機(jī)出口管端壓力即出口背壓的大小來(lái)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(shù)；

Q為管路內(nèi)氣體體積流量。

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

1.3 離心壓縮機(jī)的操作點(diǎn)

壓縮機(jī)出口與管路直聯(lián)，因此，當(dāng)壓縮機(jī)正常工作時(shí)：（1）處于同意狀態(tài)的壓縮機(jī)的氣量與流過(guò)管路的氣量相同。（2）管端壓力Pc與壓縮機(jī)出口壓力大小相等。由這兩點(diǎn)說(shuō)明壓縮機(jī)形成的操作點(diǎn)，是整個(gè)壓縮機(jī)性能曲線和出口管路的交匯點(diǎn)，是離心壓縮機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)，如圖1中的A1，A2，A3，A4點(diǎn)。此特性離心壓縮機(jī)與離心泵相同。

1.4 離心壓縮機(jī)喘振原理

當(dāng)氣流流向了葉輪背部出口附近，產(chǎn)生的能量損失的時(shí)候就是邊境分離或者是漩渦中產(chǎn)生的損失，在對(duì)于這些損失進(jìn)行分析時(shí)，可以通過(guò)對(duì)于氣流流向的特征進(jìn)行分析。當(dāng)氣流的流量較小的時(shí)候，流量速度也會(huì)不斷地減小，氣體徑向流速減小，從而改變進(jìn)入擴(kuò)壓器氣體的方向與大小。壓縮機(jī)出口壓力不斷下降時(shí)，對(duì)于出口管路系統(tǒng)的壓力也會(huì)形成相應(yīng)的改變，如果氣體存在倒流的現(xiàn)象，就會(huì)使整個(gè)氣體流道的流量不斷得到補(bǔ)充，從而保證正常的工作狀態(tài)。如果倒流，就會(huì)致使氣體的壓力不斷下降，氣體在倒流的時(shí)候，在系統(tǒng)中就會(huì)產(chǎn)生周期性的氣體流向，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)發(fā)生震動(dòng)，將這種現(xiàn)象稱作喘振。

2 離心壓縮機(jī)喘振形成的客觀原因

根據(jù)壓縮機(jī)組喘振形成的機(jī)理，出現(xiàn)壓縮機(jī)喘振主要的原因就是壓縮機(jī)流量的減少，發(fā)生喘振后，外部管線壓力高形成氣流倒流，從而產(chǎn)生震動(dòng)。

2.1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的變化

如圖1所示，當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由n1減小到n2時(shí)，壓縮機(jī)的操作點(diǎn)沿著管路特性曲線R1由A1變化至A4，A4點(diǎn)相對(duì)于A1點(diǎn)離喘振曲線較近，增大了發(fā)生喘振的可能性（轉(zhuǎn)速降低時(shí)，管路特性曲線也發(fā)生變化，此時(shí)忽略）。

2.2 壓縮機(jī)的進(jìn)氣狀態(tài)影響

當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定狀態(tài)的時(shí)候，它的進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣壓和分子之間都會(huì)引起相應(yīng)的曲線變化。喘振點(diǎn)隨分子量的變化，分子量越小越靠近喘振點(diǎn)。隨入口壓力的變化，分子量越低，操作點(diǎn)越靠近喘振點(diǎn)。隨進(jìn)氣溫度的變化，入口氣體溫度越高，操作點(diǎn)越靠近喘振點(diǎn)。

4 離心壓縮機(jī)防喘振控制

我們通常工業(yè)上所用的壓縮機(jī)大部分都有防喘振閥或者是調(diào)速器，主要是在入口的流量方面進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，通過(guò)改變相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)出口中產(chǎn)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(shù)法

當(dāng)壓縮機(jī)進(jìn)氣量降低到接近防喘振量時(shí)，出口流量傳感器傳訊號(hào)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(jī)背壓降低，流量不斷增加的時(shí)候，工況點(diǎn)也就會(huì)遠(yuǎn)離喘振工況了。在此單參數(shù)法中，一般情況下喘振量的確認(rèn)是在最大連續(xù)轉(zhuǎn)速下的喘振流量為依據(jù)，并留有一定的裕度，此裕度通常為該轉(zhuǎn)速下流量的5%，如圖1中的G線。由于僅以一個(gè)流量值為設(shè)定點(diǎn)，在G線與防喘振線之間的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域都將放空或者打回流，因此采用這種方法將會(huì)浪費(fèi)很大一部分壓縮功。

4.2 流量、壓力綜合控制-雙參數(shù)法

雙參數(shù)法是指不僅要控制一個(gè)流量，還要控制氣體壓力，在不同的轉(zhuǎn)速下模擬出發(fā)生喘振時(shí)的流量曲線就是喘振曲線，通常設(shè)置防護(hù)線，防護(hù)線上的流量比相應(yīng)的轉(zhuǎn)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(jī)本體相關(guān)常數(shù)，而k主要指的是氣體絕熱系數(shù)，Ta為壓縮機(jī)氣體進(jìn)氣溫度。從此公式可以看出，防喘振曲線為一近似拋物線，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)壓力和流量的測(cè)量使得壓縮機(jī)操作點(diǎn)位于防喘振線的右側(cè)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。如圖1。此公式在很多資料手冊(cè)中均有推理，此處不在累述。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，對(duì)于離心率壓縮機(jī)靠近喘振點(diǎn)最好的，或者說(shuō)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(guò)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，將整個(gè)工作點(diǎn)的距離進(jìn)行一定的衡量，增加壓縮機(jī)產(chǎn)生的流量，就可以保證整個(gè)壓縮機(jī)在工作的時(shí)候可以處在穩(wěn)定的區(qū)域。根據(jù)壓縮機(jī)的出口不斷加強(qiáng)對(duì)于轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，可以加大對(duì)于能源的保護(hù)，產(chǎn)生節(jié)能的效果。如果發(fā)生了喘振現(xiàn)象，就需要加快，對(duì)于傳真現(xiàn)象的推測(cè)和預(yù)判，這樣可以提前加以控制，避免在這種現(xiàn)象的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

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