离心压缩机的喘振机理及实例分析

2018-05-22韩喜民秦宏泽

氮肥与合成气 2018年2期

韩喜民，秦宏泽

(阳煤化工新材料有限公司，山西清徐 030400)

1 工作原理

离心式压缩机一般由汽轮机(或电动机)驱动，气体在流过高速旋转的叶轮时，在离心力的作用下，压力有所提高，同时速度也有极大的提高，即离心式压缩机的叶轮将驱动机的机械能转化为气体的静压能和动能。在流经扩压器时，通道截面逐渐变大，气体流速降低，使气体大部分动能转化为静压能，即进一步起到增压作用。若一个叶轮做功气体得到的压力不够，可通过多个叶轮的串联来实现进一步增压，以达到要求的压力。叶轮对气体做功是气体压力增加的根本原因，而叶轮在单位时间内对单位质量气体做功的多少与叶轮外缘的圆周速度u密切相关，因此，压缩机的转速越高，对单位质量的气体做功量也就越大[1-2]。

2 喘振的机理

喘振是离心式压缩机固有的特性，具有较大的危害性和不稳定性。当进入压缩机的气体流量减少时，随着叶轮的连续旋转，在气体流量低于最小喘振流量时，气体出现旋转脱离现象；气流量越小，旋转脱离现象越严重。当发生旋转脱离时，叶轮通道内气流不畅，导致叶轮后的压力迅速降低，最终造成压缩机出口处的较高压力气体倒流至叶轮入口，补充了流量不足发生的旋转脱离；叶轮入口流量恢复正常后，叶轮又把倒流回的气体重新压出去，使叶轮入口的流量下降又发生旋转脱离，叶轮出口压力再次开始下降，压缩机出口气体又开始倒流，循环往复，压缩机产生了周期性的气流振荡现象，称之为“喘振”[3-4]。

3 影响因素

图1 压缩机性能曲线

图2 压缩机性能曲线的区域划分

压缩机性能曲线是指气体流过该压缩机时的压力比ε、效率η及功率N随入口流量Q而变化的曲线(见图1)，压缩机的性能曲线分为工作区、喘振区和阻塞区(见图2)。管网特性曲线是指压缩机出口管网的阻力曲线，与管网的容积和阻力有关。在任何工况下，压缩机出口管网特性曲线与压缩机性能曲线的交点，都称为工作点。在正常运行工况下，工作点应处于工作区；当工作点处于喘振区时，即发生了喘振现象[5-6]。

压缩机在不同转速n下，特性曲线近似一条抛物线，对应压力比ε与流量Q。每一个转速下的性能曲线都有一个峰值，即喘振点，将各个转速下性能曲线的喘振点连接起来，可得到一条曲线，即离心式压缩机喘振线(见图3)。为了安全起见，压缩机的实际工作点应与喘振曲线有一段距离，一般在喘振线右侧5%～10%处再做一条曲线，称为压缩机的防喘振线。

图3 不同转速下压缩机性能曲线及喘振线

喘振通常是多种影响因素综合作用的结果，下面分析实际生产中存在的几个较重要的因素。

3.1 转速

对于汽轮机驱动的压缩机，往往根据外界流量Q和压力P的不同而采用不同的运行转速，即用转速来调整负荷。从图3中可以看出，在外界用气量一定的情况下，转速越高，喘振极限流量值越高，越容易发生喘振，或者压缩机转速突然降低(见图4，其中转速n1>n2)，工作点移动至喘振区也会引起喘振。

1.压缩机喘振线 2.管网特性曲线 A.原工作点A1.突然降速后工作点 n1,n2.不同转速压缩机性能曲线图4 压缩机突然降速后工作点位移动情况对喘振的影响

从图4中可以看出：原工作点A在工作区，当转速突然由n1降到n2时，瞬间压缩机特性曲线向左下方移动；而管网特性曲线暂时没有移动，工作点由A移动至A1点，进入喘振区，导致压缩机入口流量瞬间下降，出现压缩机出口压力降低的现象。因此，在实际生产操作中，在降负荷之前应先缓慢降低压力再缓慢降速，防止因过快降速而发生喘振现象。这也是压缩机“降速先降压”的根本原因。

3.2 压缩机入口相对分子质量

1.管网特性曲线 2.压缩机喘振线 A.M=8.5时工作点A1.M=7.2时工作点 M=8.5,M=7.2.不同相对分子质量时压缩机特性曲线图5 压缩机入口相对分子量对喘振的影响

从图5中可以看出：当压缩机入口相对分子质量突然下降时，压缩机性能曲线向左下方移动，工作点同时向左下方移动，压缩机入口流量迅速减小，进入喘振区发生喘振。阳煤化工新材料有限公司所用合成气压缩机组是由汽轮机驱动的离心式压缩机，机组设计的工作介质氢气和氮气比为3∶1，相对分子质量为8.5。在压缩机运行实际操作中，当来自净化的合成气之比为4∶1，入口相对分子质量降为7.2时，压缩机性能曲线向左下方移动，入口流量开始下降，压缩机进入喘振区，同时压缩机转速由汽轮机控制。由于压缩介质突然变轻，造成压缩机负荷突然降低，而汽轮机调速阀不能迅速关小，导致转速迅速上升。为调整氢氮比，净化装置又迅速提升氢氮比至相对分子质量9.5，压缩机性能曲线向右上方移动，此时压缩机入口流量迅速上升，压缩机远离喘振区，但由于压缩介质突然变重，引起压缩机负荷突然升高，而汽轮机调速阀不能迅速开大，导致转速迅速下降，这种氢氮比的失调，即压缩机入口相对分子质量的变化，最终造成压缩机入口流量、压力和转速大幅度波动，不利于机组的平稳运转。

3.3 压缩机入口流量

压缩机喘振的根本原因是入口流量降低，随着流量的减小(见图6)，压缩机出口压力增加，当压力达到该特性曲线最高点，流量还继续减少时，压缩机出口压力开始降低，当压缩机出口压力低于管网压力时，会导致管网中气体的倒流，即发生喘振。入口流量减小幅度越大，压缩机出口压力降低速度越快，造成的气流回流振荡幅度越大，喘振越严重。因此，在离心式压缩机减量时，必须先降压，同时根据工作点情况缓慢减小入口流量，防止大声喘振。

1.管网特性曲线 2.喘振线 3.压缩机性能曲线图6 压缩机入口流量降低动作点移动情况

4 喘振现象的判断及解决方法

当压缩机发生喘振时，会使入口工艺参数(流量和压力)大幅波动，同时会对叶轮产生频繁的应力变化，机组振动增大，严重时会导致机组叶轮、轴承、密封组件的损坏，造成严重的生产事故，因此对于喘振现象的判断必须及时准确。

判断方法：①压缩机入口压力流量周期性大幅度波动；②机组振动、位移突然增大；③现场能够听见压缩机的喘气声(即气体周期性出入叶轮)，同时压缩机出口管线强烈振动。对于汽轮机驱动的离心式压缩机，还可从汽轮机转速和蒸汽瞬时流量的周期性波动来判断。

当判断喘振发生时，应尽快先消除喘振再优化工艺调整，防止喘振恶化，造成严重损失。消除喘振的根本方法是增加压缩机入口流量，可通过压缩机出口放空(减小背压)来提高气体流速，使压缩机入口流量大于最小喘振流量，迅速将工作点移动至工作区，也可通过打开压缩机回路(防喘振阀)增加入口流量来消除喘振。影响喘振的因素是多种的、复杂的，对于主要影响因素(入口流量、压力、压缩机转速和入口介质相对分子质量)，必须确定指标并严格监控，保证机组的稳定运转。