離心壓縮機喘振原因分析與控制措施

唐 宇，石成江，吳華遠

（1. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油撫順石化公司合成洗滌劑廠， 遼寧 撫順 113001）

離心壓縮機喘振原因分析與控制措施

唐 宇1，石成江1，吳華遠2

（1. 遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001； 2. 中國石油撫順石化公司合成洗滌劑廠， 遼寧 撫順 113001）

離心式壓縮機是一種葉片旋轉式壓縮機，在高速旋轉葉輪的作用下及通過擴壓器的擴壓后，使介質氣體壓力得到提高，它的安全運行對工業生產有著重要的意義。針對離心式壓縮機喘振產生的機理與原因、以及防止喘振發生的條件與措施，進行了較為詳細的分析與闡述，為離心式壓縮機喘振的在線監測與控制奠定了一定的基礎。

離心式壓縮機；喘振；管網；性能曲線；控制措施

離心式壓縮機是一種回轉運動的機器，由于具有氣量大、體積小、重量輕、結構緊湊、運轉平穩、操作可靠以及介質氣體不受油污染等特點，其優越性日益得到了大家的認可。在石油、化工、化肥以及鋼鐵工業的生產中，離心式壓縮機成為壓縮和輸送各種氣體的關鍵機器，但其也存在著固有的隱患，那就是易喘振現象。喘振是離心式壓縮機特有的一種故障，它不僅影響機組的效率，還會對機組內的部件造成損壞。例如，軸承液體潤滑條件遭到破壞，軸瓦會被燒壞；密封元件被破壞，導致漏氣漏油；轉子與定子產生摩擦與碰撞，造成主軸和隔板斷裂。因此，要熟悉和掌握離心式壓縮機喘振發生的原因，并制定一些防喘振的有效方法和措施，使壓縮機工況點脫離喘振區，實現壓縮機的穩定運行［1,2］。

1 喘振的判斷方法

離心式壓縮機一旦發生喘振現象，則機組和管網的運行狀態會有以下較為明顯的特征：

（1）壓縮機和管網之間發生周期性的振蕩，并產生時高時低的噪聲，嚴重時機組甚至會發生劇烈的“吼叫”聲。

（2）機殼和軸承發生強烈的振動，且振動不穩定，時大時小，并發出強烈的、周期性的氣流聲；喘振的振動頻率一般較低，通常為1～30 Hz。

（3）氣體介質的出口壓力和入口流量大幅度的變化，發生周期性的脈動，嚴重時還可能產生氣體倒流的現象，這是較危險的工況。

（4）拖動壓縮機的電機的電流表和功率表指針會產生大幅度的波動，并隨著喘振強度的增加而逐漸增大。

因此，在生產過程中，通過對離心式壓縮機運行的聲音、進口壓力和流量、振動幅度和儀表的觀察，就可以有效地判斷出喘振是否發生［3］。

2 喘振原因的分析

2.1 喘振發生的內因

研究表明，喘振發生的內部原因與葉輪結構及葉道內介質氣體有著密切的關系。當進口氣體流量瞬時降低，低過了所允許的最低工況點時，壓縮機內的氣流流動方向與葉片進口安裝角出現很大的偏差，造成葉道內的氣流出現嚴重的“旋轉脫離”，使氣體在葉道中滯流，致使壓縮機壓力突然降低，然而出口系統的壓力并沒有瞬時下降，這就使排氣管內壓力高的氣體流回壓縮機，使葉道內的流量又得以補充，并恢復正常工作，當壓縮機內的流量再次減小時，系統氣體又會出現倒流，如此反復，系統中的氣流便產生了周期性的振蕩，并伴隨著強烈的噪聲，這就形成了壓縮機的喘振［4］。

2.2 喘振發生的外因

通過對離心式壓縮機性能曲線的分析，當喘振發生時，其工作點一定進入了喘振工況區。因此，壓縮機的喘振與管網特性有著密切關系。所謂“管網”就是離心式壓縮機實現氣體介質輸送任務的管道系統，位于壓縮機入口之前的稱吸入管道，位于壓縮機出口之后的稱為排出管道。管網一般均為由管線、管件、閥門和設備等四大要素組成（詳見圖1）。實踐表明，離心壓縮機管網容量愈大，喘振的振幅愈大，振頻愈低；管網容量愈小，喘振的振幅就越小，振頻愈高。

圖1 管網結構簡圖Fig.1 Pipe network structure diagram

圖2為離心式壓縮機與管網聯合工作性能曲線圖。從圖可知，隨著管網阻力的增加，氣體流量的減少，其位置由1逐漸左移到2和3，工況點也由 移到 和 ，此時壓縮機不會產生喘振，當氣體流量進一步減少，管網性能曲線左移至位置4時，其工況點 已進入喘振區，壓縮機開始在喘振工況下運行。顯然，隨著流量的減少，管網性能曲線不斷左移，并與壓縮機性能曲線交于喘振區，于是喘振發生。所以，管網性能曲線左移是產生喘振的條件［5］。

在離心式壓縮機的實際運行中，以下各種因素也會導致喘振的發生:

（1）吸入量不足

由于外界因素使吸入量減少到喘振流量以下，使壓縮機進入喘振工況區引起喘振。造成這種情況下的原因有：冷卻器泄漏或塵埃結垢，使壓縮機流道阻塞；葉輪進口堵塞或過濾器堵塞，使壓縮機進氣阻力增大，導致壓縮機供氣不足。這些情況如不及時發現和調節，壓縮機都可能發生喘振。

圖2 離心壓縮機與管網聯合工作性能曲線圖Fig.2 Centrifugal compressor and pipe network joint performance curve

（2）系統壓力過高

造成這種情況的有：壓縮機緊急停機，介質氣體為此進行放空或回流；出口管路上的單向逆止閥門關閉不嚴或單向閥距壓縮機出口太遠等等，這些情況均會造成離心壓縮機的排出壓力過高，從而導致喘振的發生。

（3）操作不協調

在離心壓縮機啟動過程中，要強調“升壓必先升速，降速必先降壓”的原則。升速升壓要緩慢地進行；降速之前應先采取卸壓措施：如回流、放空等，以免轉速降低后，氣流倒灌。

（4）機組內的部件損壞

離心壓縮機內的機械密封、“O”型圈密封、平衡盤密封等部件安裝位置不合理或不夠精確，會造成各級之間串氣，可能引發喘振；過濾器或葉輪阻力過大，逆止閥失效或損壞均可以引起喘振。

（5）氣體介質狀態的變化

喘振發生的可能與氣體介質狀態有很大的關系。因為氣體狀態影響流量，從而也影響喘振流量，如進氣壓力、進氣溫度、氣體相對分子質量等對喘振都有一定的影響。當恒壓恒速時，氣體入口溫度越高，越容易發生喘振。因此，對同一臺離心壓縮機來說，夏季比冬季更容易發生喘振；當轉速一定時，進氣壓力越高，則喘振流量值也越大；當恒壓恒速時，氣體相對分子質量越小，越容易發生喘振［3］。

3 防喘振條件及措施

當離心式壓縮機進口流量減少到一定程度時，便會發生喘振，而維持壓縮機運行的喘振流量 要不低于壓縮機運行的最小流量 ，即離心式壓縮機在不同的轉速下運行時會得到不同的機組喘振時的性能參數，將這些喘振點的參數標在性能曲線圖上，并連接起來，就可以得到離心壓縮機的喘振線。

圖3為一臺離心壓縮機在n1、n2、n3和n4轉速下的一組性能曲線，而每條性能曲線會根據在發生喘振工況時的性能參數產生出對應的喘振點a1、a2、a3、a4和喘振流量。將這些點聯成一條接近拋物線的曲線，該曲線就是壓縮機的喘振線，其方程為：

式中: hpol— 壓縮機有效能量， J/kg；

Qmin— 壓縮機進氣狀態下的容積流量，m3/h ；

B — 摩擦損失系數。

圖3 離心壓縮機性能曲線Fig.3 Centrifugal compressor performance curve

即壓縮機運行中的流量，要大于喘振流量 ，這是壓縮機保持穩定運行的先決條件。

如果壓縮機入口的進氣量低于機器的喘振流量 ，必將導致喘振的發生，而在生產實踐中可以通過以下的措施來防止喘振的發生。

3.1 壓力調節

壓縮機在高于設定壓力的條件下工作時，可通過進口導葉節流的方式維持出口壓力，或打開防喘振調節閥將部分壓力放空；也可加裝旁通管，采用旁通回流的方法，使排出壓力保持在設定的壓力下，使其流量維持在所限定的最低流量之內。

3.2 變頻器調速

壓縮機在開始運行時，負荷最大，傳感器把所測量的數據傳至 PLC（可編程控制器），PLC經過PID運算輸出運行頻率到變頻器，控制變頻器，隨著壓縮機的運行，PLC根據壓差與流量的降低發出信號，控制變頻器降低電源頻率，從而降低了運行中壓縮機的轉速，避免了壓縮機的喘振，并減少了不必要的能量損失［7］。

3.3 合理控制防喘振安全裕度

根據離心壓縮機性能曲線，見圖 3，在喘振線右側采用了一條防喘振線作為防喘振調節器的給定值曲線，它與喘振線之間的這 的區域是壓縮機的安全邊界，稱為安全裕度。它是在一定工作轉速下，正常流量與該轉速下喘振流量之比值，一般要求安全裕度 。當壓縮機工作點到達防喘振線時，防喘振調節閥打開，以使工作點右移進入安全區，從而避免喘振的發生［8］。

3.4 改變離心壓縮機的參數

在結構參數選擇上，如采用后彎式葉片的葉輪，無葉擴壓器，葉輪葉片進口邊適當加厚等；在設計時采用導葉可調機構，以便在需要時，將部分氣流從葉輪出口引入到葉輪入口，通過改變葉輪入口氣流的預旋，來抑制喘振的發生。

3.5 設置報警儀表

在離心壓縮機的進口安裝流量、溫度監視儀表，出口安裝壓力監視儀表，一旦壓縮機已接近喘振工況區時能及時發出報警，以提前采取措施，防患于未然。

4 結束語

綜上所述，一旦喘振發生，離心式壓縮機將處于危險的工作狀態，所以要結合壓縮機與管網聯合工作性能曲線，使工況點要盡量遠離喘振區，以保證機組的正常運行。因此，現場操作人員對喘振的機理及故障特征要有深入的定性認識，并能在生產實踐中采取相應的措施，降低喘振發生的頻率，從而提高離心式壓縮機運行的穩定性。

［1］ 王書敏. 離心式壓縮機技術問答．海底輸油管道傳熱模擬計算[M].北京：中國石化出版社，1995．

［2］ 高慎琴. 化工機器[M]．北京：化學工業出版社，1992．

［3］ 黃志堅. 機械設備振動故障檢測與診斷[M]. 北京：化學工業出版社，2010．

［4］ 薦保志. 離心式壓縮機喘振分析及解決措施[J]. 中小企業管理與科技，2009，4(10)：257-258．

［5］ [美] 埃利.尼森費爾得. 離心式壓縮機操作與控制原理[M]. 北京：機械工業出版社，1988.

［6］ 黎飛龍. 離心式壓縮機防喘振技術分析[J]. 內江科技，2009，5(5)：73-74．

［7］龐琳. 離心壓縮機喘振的預防及解決措施[J]. 中國高新技術企業，2010，8(22)：82-84．

［8］ 何龍，張瑞妍. 離心式壓縮機防喘振研究[J]．壓縮機技術，2009，10(5)：14-16．

Causes and Control Measures of the Centrifugal Compressor Surge

TANG Yu1，SHI Cheng-jiang1，WU Hua-yuan2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Fushun Petrochemical Company, Liaoning Fushun 113001，China）

The centrifugal compressor is a kind of blade rotary compressor, under the function of the high-speed rotating impeller and the pressure expansion of the diffuser, medium gas pressure is increased, and its safe operation has important significance for the industrial production. In this paper, forming mechanism and causes of the centrifugal compressor surge were discussed，and control measures were put forward, which can lay a foundation for on-line monitoring and control of the centrifugal compressor surge.

Centrifugal compressor; Surge; Pipeline network; Performance curve; Control measures

TQ 051

A

1671-0460（2012）09-0992-03

2012-03-28

唐宇（1986-），男，遼寧錦州人，碩士研究生，研究方向：從事過程裝備監測與控制技術方面的研究工作。E-mail：ticky19860124@163.com。