离心式空气压缩机空气系统及其实际问题处理探讨

张藜藜+卢磊

摘要通过能量转换，使气体压力提高的机器称为压缩机，而利用旋转叶轮实现能量转换，使气体主要沿径向离心方向流动从而提高气体压力的机器称为离心式压缩机。对于离心式空气压缩机，其空气系统设计是否合理有效，将影响到整个空气压缩机的安全稳定运行。文章通过简要分析离心式空气压缩机的空气系统，对工程中出现的实际问题进行了深入探讨。

关键词离心式空气压缩机；空气系统；实际问题处理

中图分类号：TH4 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）11-0193-02

某工程利用循环流化床锅炉产生的高温高压蒸汽拖动6台离心式空气压缩机组，向工艺厂房连续输送洁净的压缩空气。单台机组进口态容积流量为3200 m3/min，配用汽轮机功率为11401 kW，不论从排空气量还是驱动功率上来说，均属于大型离心式空气压缩机组。因此，在整个系统拟定、设备布置、管线设计、现场安装及机组调试等各个方面均有严格的工艺要求。目前，该工程已成功投产一年，机组运行安全稳定，企业经济效益良好。

然而在投产前期试运行阶段，却出现了空气压缩机二段排气出口处的波纹管补偿器变形甚至拉裂的情况，项目设计人员在第一时间赶赴现场了解情况，会同业主、供货商及施工单位分析事故原因，提出解决方案，实施现场改造，最终达成6台离心式空气压缩机组一次试车成功。

1离心式空气压缩机的空气系统简述

离心式空气压缩机的空气系统并不复杂，室外空气经吸风塔和空气过滤器接入空压机一段进气口，通过空压机内部高速旋转的叶轮对空气做功，使空气压力、温度、流速提高，然后流入扩压器，再使空气流速降低，压力进一步提高，并经导向装置使空气流入下一级叶轮继续压缩。由于空气经逐级压缩后的温度不断升高，而在下一级中压缩温度高的空气则需多耗功，为了降低空气温度，减少压缩功耗，在多级离心式空气压缩机的空气系统中，往往采用分段中间冷却的结构。因此在本工程中，空气经一段压缩至0.241 MPa（a）、151℃（一段可以包括几个级，也可仅有一个级），由一段排气口排出空压机本体，并引入中间冷却器与循环水进行一次换热，冷却后的压缩空气接入空压机二段进气口继续压缩至0.379 MPa（a）、99℃，由二段排气口排出空压机本体，并引入末级冷却器与循环水进行二次换热，冷却后的压缩空气经空气加热器干燥后由管道输送至各用气点。

由于压缩机输送的空气必须干净，含尘量应≤5 mg/m3，含尘的颗粒当量应≤5 μm，若空气的洁净程度达不到上述要求，应在空压机进口增加过滤设备，以保证空压机的安全运转和较长的使用寿命。本工程选用了自洁式空气过滤器。

在实际应用中，由于某些工艺用气装置是间歇运行的，从而导致工艺用气总量产生波动，对于离心式空气压缩机，当转速保持不变，流量减小到一定值时，会出现严重的气流旋转脱离，流动情况大大恶化。这时，空压机的叶轮虽然仍在高速旋转，对空气做功，但却不能提高空气的压力，空压机出口压力会显著下降，而管网压力并不能马上降低，就有可能出现管网压力高于空压机出口压力的情况，从而导致空气倒流，直到管网压力下降并低于空压机出口压力时，倒流才会停止，空压机又开始向管网供气。如此周而复始，在整个空气系统中发生周期性的轴向低频大振幅的气流振荡现象，被称为空压机的“喘振”现象。空压机“喘振”会产生强烈噪声，引起剧烈振动，造成严重事故。因此，在空压机运行过程中应采取有效措施，避免发生“喘振”现象。防喘振措施可简要描述如下：1）计算机显示标注喘振线的压缩机性能曲线，随时观察空压机工况点位于性能曲线上的位置，空压机只能在喘振线右边的性能曲线上工作。2）降低运行转速，可使流量减少而不致进入喘振状态，弊端是出口压力随之降低。3）为防止空压机在运行过程中发生“喘振”现象，通常情况下在其二段排气出口管路上设有放空管，通过监测排气量及排气压力，即当排气量减小到接近喘振流量或排气压力降低到接近喘振工况下的压力时，自动控制调节防喘振阀组，放空多余的压缩空气，以保证空压机组的连续安全稳定运行。当空压机一旦进入“喘振”状态，则应立即联锁紧急停车，以防发生严重事故。

压缩机制造厂家一般是通过连续方程、欧拉方程、能量方程、伯努利方程、热力状态方程、热力过程方程和压缩功等基本方程揭示气流在压缩机内部的流动规律，建立各方程与气流速度、压力、温度等参数之间，以及与压缩机内部结构参数之间的相互关系，以计算气流在压缩机中的流量和能量。由于现代工业中，压缩机设计均采用计算机编程，本文对压缩机气流计算不再赘述。

2离心式空压机实际问题处理

前文提到的试运行阶段拉裂的补偿器就安装在空压机二段排气出口处（气流方向向下），造成该事故的主要原因如下：根据供货商提供资料显示，该补偿器为通用性波纹管补偿器，工作压力0.6 MPa，工作温度800℃，轴向补偿量120 mm，径向补偿量50 mm。由于空压机二段排气温度仅为99℃，材质为0Cr18Ni9的不锈钢管道由安装温度20℃变化至运行温度99℃的平均线膨胀系数为16.84×10-6/℃。通过计算，该段管道（空压机出口至末级冷却器入口，下同）作用在补偿器的轴向位移<8 mm，径向位移<40 mm，均在补偿量允许范围内。但是在设计过程中却忽略了一个至关重要的问题，通用型补偿器的作用是通过波纹管的柔性变形来吸收轴向位移，而允许的横向位移和角向位移极小。也就是说，供货商提供的径向补偿量是错误的，补偿器下方管道应有限制径向位移的措施。

从现场实际情况看，该补偿器向下拉伸近200 mm，产生严重变形甚至拉裂。然而，该段管道在设计过程中进行了应力计算分析，计算书显示该段管道的一次应力及二次应力均计算通过，未提示异常。为何理论计算没有真实反映现场情况？经现场勘查发现，该段管道的管径为DN1200，补偿器后的第一个支架距离补偿器轴线6300 mm（如图所示），支架下方的型钢立柱已向气流方向倾斜。开车工况下，压缩气流的瞬时冲击及补偿器的热变形均对补偿器下方90°弯头产生巨大的盲板力，图中的滑动支架则起到了杠杆的副作用，从而导致补偿器拉裂。

既然找到了问题的原因，下一步就应该提出解决方案并予以实施。在补偿器下方弯头处设置固定支架，不仅可以限制管道的径向位移，而且能够承载巨大的盲板力。通过现场改造，上述6台空压机组均已安全稳定运行。

3结论

在现代工业中，压缩机广泛应用于化工、石化、医药等各个行业，随着工矿企业的大型化、集团化发展，所需要的压缩机，不论从处理气量、排气压力，还是驱动功率上看，均有大幅度的提升。这就对压缩机本体及外围工艺设计提出了更高的要求。

参考文献

[1]郁永章，姜培正，孙嗣莹.压缩机工程手册[M].中国石化出版社.

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