韓喜民，秦宏澤

(陽煤化工新材料有限公司，山西清徐 030400)

1 工作原理

離心式壓縮機一般由汽輪機(或電動機)驅(qū)動，氣體在流過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪時，在離心力的作用下，壓力有所提高，同時速度也有極大的提高，即離心式壓縮機的葉輪將驅(qū)動機的機械能轉(zhuǎn)化為氣體的靜壓能和動能。在流經(jīng)擴壓器時，通道截面逐漸變大，氣體流速降低，使氣體大部分動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，即進一步起到增壓作用。若一個葉輪做功氣體得到的壓力不夠，可通過多個葉輪的串聯(lián)來實現(xiàn)進一步增壓，以達到要求的壓力。葉輪對氣體做功是氣體壓力增加的根本原因，而葉輪在單位時間內(nèi)對單位質(zhì)量氣體做功的多少與葉輪外緣的圓周速度u密切相關(guān)，因此，壓縮機的轉(zhuǎn)速越高，對單位質(zhì)量的氣體做功量也就越大[1-2]。

2 喘振的機理

喘振是離心式壓縮機固有的特性，具有較大的危害性和不穩(wěn)定性。當進入壓縮機的氣體流量減少時，隨著葉輪的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，在氣體流量低于最小喘振流量時，氣體出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象；氣流量越小，旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象越嚴重。當發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離時，葉輪通道內(nèi)氣流不暢，導(dǎo)致葉輪后的壓力迅速降低，最終造成壓縮機出口處的較高壓力氣體倒流至葉輪入口，補充了流量不足發(fā)生的旋轉(zhuǎn)脫離；葉輪入口流量恢復(fù)正常后，葉輪又把倒流回的氣體重新壓出去，使葉輪入口的流量下降又發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離，葉輪出口壓力再次開始下降，壓縮機出口氣體又開始倒流，循環(huán)往復(fù)，壓縮機產(chǎn)生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，稱之為“喘振”[3-4]。

3 影響因素

圖1 壓縮機性能曲線

圖2 壓縮機性能曲線的區(qū)域劃分

壓縮機性能曲線是指氣體流過該壓縮機時的壓力比ε、效率η及功率N隨入口流量Q而變化的曲線(見圖1)，壓縮機的性能曲線分為工作區(qū)、喘振區(qū)和阻塞區(qū)(見圖2)。管網(wǎng)特性曲線是指壓縮機出口管網(wǎng)的阻力曲線，與管網(wǎng)的容積和阻力有關(guān)。在任何工況下，壓縮機出口管網(wǎng)特性曲線與壓縮機性能曲線的交點，都稱為工作點。在正常運行工況下，工作點應(yīng)處于工作區(qū)；當工作點處于喘振區(qū)時，即發(fā)生了喘振現(xiàn)象[5-6]。

壓縮機在不同轉(zhuǎn)速n下，特性曲線近似一條拋物線，對應(yīng)壓力比ε與流量Q。每一個轉(zhuǎn)速下的性能曲線都有一個峰值，即喘振點，將各個轉(zhuǎn)速下性能曲線的喘振點連接起來，可得到一條曲線，即離心式壓縮機喘振線(見圖3)。為了安全起見，壓縮機的實際工作點應(yīng)與喘振曲線有一段距離，一般在喘振線右側(cè)5%～10%處再做一條曲線，稱為壓縮機的防喘振線。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下壓縮機性能曲線及喘振線

喘振通常是多種影響因素綜合作用的結(jié)果，下面分析實際生產(chǎn)中存在的幾個較重要的因素。

3.1 轉(zhuǎn)速

對于汽輪機驅(qū)動的壓縮機，往往根據(jù)外界流量Q和壓力P的不同而采用不同的運行轉(zhuǎn)速，即用轉(zhuǎn)速來調(diào)整負荷。從圖3中可以看出，在外界用氣量一定的情況下，轉(zhuǎn)速越高，喘振極限流量值越高，越容易發(fā)生喘振，或者壓縮機轉(zhuǎn)速突然降低(見圖4，其中轉(zhuǎn)速n1>n2)，工作點移動至喘振區(qū)也會引起喘振。

1.壓縮機喘振線 2.管網(wǎng)特性曲線 A.原工作點A1.突然降速后工作點 n1,n2.不同轉(zhuǎn)速壓縮機性能曲線圖4 壓縮機突然降速后工作點位移動情況對喘振的影響

從圖4中可以看出：原工作點A在工作區(qū)，當轉(zhuǎn)速突然由n1降到n2時，瞬間壓縮機特性曲線向左下方移動；而管網(wǎng)特性曲線暫時沒有移動，工作點由A移動至A1點，進入喘振區(qū)，導(dǎo)致壓縮機入口流量瞬間下降，出現(xiàn)壓縮機出口壓力降低的現(xiàn)象。因此，在實際生產(chǎn)操作中，在降負荷之前應(yīng)先緩慢降低壓力再緩慢降速，防止因過快降速而發(fā)生喘振現(xiàn)象。這也是壓縮機“降速先降壓”的根本原因。

3.2 壓縮機入口相對分子質(zhì)量

1.管網(wǎng)特性曲線 2.壓縮機喘振線 A.M=8.5時工作點A1.M=7.2時工作點 M=8.5,M=7.2.不同相對分子質(zhì)量時壓縮機特性曲線圖5 壓縮機入口相對分子量對喘振的影響

從圖5中可以看出：當壓縮機入口相對分子質(zhì)量突然下降時，壓縮機性能曲線向左下方移動，工作點同時向左下方移動，壓縮機入口流量迅速減小，進入喘振區(qū)發(fā)生喘振。陽煤化工新材料有限公司所用合成氣壓縮機組是由汽輪機驅(qū)動的離心式壓縮機，機組設(shè)計的工作介質(zhì)氫氣和氮氣比為3∶1，相對分子質(zhì)量為8.5。在壓縮機運行實際操作中，當來自凈化的合成氣之比為4∶1，入口相對分子質(zhì)量降為7.2時，壓縮機性能曲線向左下方移動，入口流量開始下降，壓縮機進入喘振區(qū)，同時壓縮機轉(zhuǎn)速由汽輪機控制。由于壓縮介質(zhì)突然變輕，造成壓縮機負荷突然降低，而汽輪機調(diào)速閥不能迅速關(guān)小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速上升。為調(diào)整氫氮比，凈化裝置又迅速提升氫氮比至相對分子質(zhì)量9.5，壓縮機性能曲線向右上方移動，此時壓縮機入口流量迅速上升，壓縮機遠離喘振區(qū)，但由于壓縮介質(zhì)突然變重，引起壓縮機負荷突然升高，而汽輪機調(diào)速閥不能迅速開大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速下降，這種氫氮比的失調(diào)，即壓縮機入口相對分子質(zhì)量的變化，最終造成壓縮機入口流量、壓力和轉(zhuǎn)速大幅度波動，不利于機組的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

3.3 壓縮機入口流量

壓縮機喘振的根本原因是入口流量降低，隨著流量的減小(見圖6)，壓縮機出口壓力增加，當壓力達到該特性曲線最高點，流量還繼續(xù)減少時，壓縮機出口壓力開始降低，當壓縮機出口壓力低于管網(wǎng)壓力時，會導(dǎo)致管網(wǎng)中氣體的倒流，即發(fā)生喘振。入口流量減小幅度越大，壓縮機出口壓力降低速度越快，造成的氣流回流振蕩幅度越大，喘振越嚴重。因此，在離心式壓縮機減量時，必須先降壓，同時根據(jù)工作點情況緩慢減小入口流量，防止大聲喘振。

1.管網(wǎng)特性曲線 2.喘振線 3.壓縮機性能曲線圖6 壓縮機入口流量降低動作點移動情況

4 喘振現(xiàn)象的判斷及解決方法

當壓縮機發(fā)生喘振時，會使入口工藝參數(shù)(流量和壓力)大幅波動，同時會對葉輪產(chǎn)生頻繁的應(yīng)力變化，機組振動增大，嚴重時會導(dǎo)致機組葉輪、軸承、密封組件的損壞，造成嚴重的生產(chǎn)事故，因此對于喘振現(xiàn)象的判斷必須及時準確。

判斷方法：①壓縮機入口壓力流量周期性大幅度波動；②機組振動、位移突然增大；③現(xiàn)場能夠聽見壓縮機的喘氣聲(即氣體周期性出入葉輪)，同時壓縮機出口管線強烈振動。對于汽輪機驅(qū)動的離心式壓縮機，還可從汽輪機轉(zhuǎn)速和蒸汽瞬時流量的周期性波動來判斷。

當判斷喘振發(fā)生時，應(yīng)盡快先消除喘振再優(yōu)化工藝調(diào)整，防止喘振惡化，造成嚴重損失。消除喘振的根本方法是增加壓縮機入口流量，可通過壓縮機出口放空(減小背壓)來提高氣體流速，使壓縮機入口流量大于最小喘振流量，迅速將工作點移動至工作區(qū)，也可通過打開壓縮機回路(防喘振閥)增加入口流量來消除喘振。影響喘振的因素是多種的、復(fù)雜的，對于主要影響因素(入口流量、壓力、壓縮機轉(zhuǎn)速和入口介質(zhì)相對分子質(zhì)量)，必須確定指標并嚴格監(jiān)控，保證機組的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語

在實際操作時，必須控制工藝參數(shù)在合理范圍內(nèi)，機組調(diào)整負荷時，壓縮機的性能曲線及管網(wǎng)特性曲線隨時可能發(fā)生變化，若工作點處于喘振區(qū)便會發(fā)生喘振。因此，機組在升速升壓或降速降壓過程中，必須注意協(xié)調(diào)兩種曲線的變化，使工作點處于工作區(qū)，才能保證機組穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

參考文獻

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