离心式压缩机的喘振研究

赵金凤

摘 要：本文结合离心式压缩机性能曲线及出口管路特性曲线，从喘振产生的机理出发找出喘振发生的先决条件、喘振的危害以及常用判断方法，分析了喘振的因素以及实际问题。并对常用的防喘振控制方法进行了比较和分析，主要研究的是离心式的压缩机在工作过程中，所产生的喘振的原因，并进行一定的分析，最后，提出避免发生喘振现象的控制方法。

关键词：离心式压缩机 喘振机理原因 防喘振控制

中图分类号：TH45 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）1（a）-0127-02

离心式压縮机组作为化工装置项目中的心脏，其顺利开车及正常运转对工程项目成功与否的重要性不言而喻。离心压缩机组是一个庞大的工程系统，喘振是离心式压缩机在小流量工作时不稳定状态，它是离心式压缩机的固有特性。严重的喘振会使整个机组剧烈震动，流量大幅波动，损坏轴瓦、转子等机组内件，还可能带来巨大的经济损失。本文在一定程度上会对于整个喘振形成的原因进行总结。

1 离心式压缩机喘振的机理

1.1 压缩机的性能曲线

通常所说的离心式压缩机在一定程度上会形成叶片式旋转机械，主要是通过对于叶轮的高速运转，保证在整个叶轮中心部位气体靠近离心力的作用而不断向外延伸，当气体获得更高速度之后，就会将负压器中所形成的气体的动能不断转化为压力，这样就可以保证整个叶轮在运行的中心会存在一个负压区，气体不断吸入流道，形成一定连续的输送过程。不同的流量在一定程度上会将压力形成不一样的曲线。整个压缩机在不同运转下所形成的曲线可以从图1中的n1，n2，n3曲线看出。

1.2 管路特性曲线

关于气流流过管路时所需要的能头和流通管路气量Q的关系，是图1的曲线的关系。对于离心式压缩机运行的过程来说，管路所需的压头可以用压缩机出口管端压力即出口背压的大小来表示。表示如下：

Pc=Pr+AQ2 （1）

式中：

Pc为管端压力；

Pr为管路用户端操作压力；

A为阻力损失系数；

Q为管路内气体体积流量。

当管路发生变化时，管路特性曲线如图1中R1为某指定管路状态下的管路曲线，当管路中的阀门关小时，曲线为R2，当管路阻力几乎为零时，曲线为R3，当管路Pr即管路用户端操作压力为常压时，曲线为R4。

1.3 离心压缩机的操作点

压缩机出口与管路直联，因此，当压缩机正常工作时：（1）处于同意状态的压缩机的气量与流过管路的气量相同。（2）管端压力Pc与压缩机出口压力大小相等。由这两点说明压缩机形成的操作点，是整个压缩机性能曲线和出口管路的交汇点，是离心压缩机实际工作点，如图1中的A1，A2，A3，A4点。此特性离心压缩机与离心泵相同。

1.4 离心压缩机喘振原理

当气流流向了叶轮背部出口附近，产生的能量损失的时候就是边境分离或者是漩涡中产生的损失，在对于这些损失进行分析时，可以通过对于气流流向的特征进行分析。当气流的流量较小的时候，流量速度也会不断地减小，气体径向流速减小，从而改变进入扩压器气体的方向与大小。压缩机出口压力不断下降时，对于出口管路系统的压力也会形成相应的改变，如果气体存在倒流的现象，就会使整个气体流道的流量不断得到补充，从而保证正常的工作状态。如果倒流，就会致使气体的压力不断下降，气体在倒流的时候，在系统中就会产生周期性的气体流向，从而导致压缩机发生震动，将这种现象称作喘振。

2 离心压缩机喘振形成的客观原因

根据压缩机组喘振形成的机理，出现压缩机喘振主要的原因就是压缩机流量的减少，发生喘振后，外部管线压力高形成气流倒流，从而产生震动。

2.1 压缩机转速的变化

如图1所示，当压缩机转速由n1减小到n2时，压缩机的操作点沿着管路特性曲线R1由A1变化至A4，A4点相对于A1点离喘振曲线较近，增大了发生喘振的可能性（转速降低时，管路特性曲线也发生变化，此时忽略）。

2.2 压缩机的进气状态影响

当压缩机转速保持恒定状态的时候，它的进气温度、进气压和分子之间都会引起相应的曲线变化。喘振点随分子量的变化，分子量越小越靠近喘振点。随入口压力的变化，分子量越低，操作点越靠近喘振点。随进气温度的变化，入口气体温度越高，操作点越靠近喘振点。

4 离心压缩机防喘振控制

我们通常工业上所用的压缩机大部分都有防喘振阀或者是调速器，主要是在入口的流量方面进行一定的调节，通过改变相应的转速，调节出口中产生的压力和防喘振线。目前主要条件方法如下：

4.1 等流量控制-单参数法

当压缩机进气量降低到接近防喘振量时，出口流量传感器传讯号给回路中的防喘振阀，即打开防喘振放空阀，于是部分气流放空（或者回到入口管路），压缩机背压降低，流量不断增加的时候，工况点也就会远离喘振工况了。在此单参数法中，一般情况下喘振量的确认是在最大连续转速下的喘振流量为依据，并留有一定的裕度，此裕度通常为该转速下流量的5%，如图1中的G线。由于仅以一个流量值为设定点，在G线与防喘振线之间的稳定运行区域都将放空或者打回流，因此采用这种方法将会浪费很大一部分压缩功。

4.2 流量、压力综合控制-双参数法

双参数法是指不仅要控制一个流量，还要控制气体压力，在不同的转速下模拟出发生喘振时的流量曲线就是喘振曲线，通常设置防护线，防护线上的流量比相应的转速的喘振流量大5%～10%之间。

其中防喘振控制线方程可表示为：

式中的a，b所指的是压缩机本体相关常数，而k主要指的是气体绝热系数，Ta为压缩机气体进气温度。从此公式可以看出，防喘振曲线为一近似抛物线，现场通过压力和流量的测量使得压缩机操作点位于防喘振线的右侧的稳定运行区域。如图1。此公式在很多资料手册中均有推理，此处不在累述。

5 结语

总而言之，对于离心率压缩机靠近喘振点最好的，或者说是最直接的控制方法就是要打开防喘振控制阀，这样在一定程度上通过转速的调节，将整个工作点的距离进行一定的衡量，增加压缩机产生的流量，就可以保证整个压缩机在工作的时候可以处在稳定的区域。根据压缩机的出口不断加强对于转速的调节，可以加大对于能源的保护，产生节能的效果。如果发生了喘振现象，就需要加快，对于传真现象的推测和预判，这样可以提前加以控制，避免在这种现象的发生。

参考文献

[1]《透平式压缩机》黄钟岳王晓放王微化学工业出版社2013.09

[2]《离心式压缩机的喘振分析与控制》张宝成压缩机技术2002.6