P700-2250 型离心式空压机喘振原因分析及对策

李中雁，邓 华

（攀钢集团攀枝花钢钒有限公司能源动力分公司，四川攀枝花 617062）

0 引言

攀钢集团攀枝花钢钒有限公司能源动力分公司荷花池空压站，于2009 年装备了3 台P700-2250 型离心式空压机。由于该空压站位于原煤堆场及主公路旁，空气中含尘量相对较高，并且该批机组已连续运行了10 多年，转动部件及流道存在不同程度的冲蚀、磨损。2022 年1 月4 日至7 日，该站3 号P700-2250 型离心式空压机先后多次振动突然增大、排气温度异常，机组提示发生喘振。检修维护人员检查该机冷却器及其配套系统、温度检测及线路等，均未发现异常。经多方面分析排查，最终找到引发该机组喘振的原因并采取相应处置对策，机组恢复正常运行。

1 离心式空压机工作原理及特点

离心式空压机通过电机拖动，将电能转化为机组叶轮及空气动能，再经过扩压器使气体分子动能转化为压力能[1]。它具有结构简单紧凑、排气量大、能效高、检修维护便捷、产气无油且机组及供气压力稳定等诸多优势，被工业企业大量装备，并逐步替代活塞式空气压缩机和螺杆式空气压缩机。

离心式空压机工作流程为：外界空气通过进气控制装置进入压缩机的第一级→一级叶轮对空气做功，提高了空气的速度。压缩后的空气经过一个径向的扩压器，使速度降低、压力提高→压缩空气进入蜗壳→压缩后的高温空气经过由级间管道进入一级中间冷却器进行冷却→冷却后压缩空气进入二级叶轮，再器经过扩压器提高压力，然后进入蜗壳→压缩空气进入二级冷却器→压缩空气从二级冷却器出来，在三级叶轮中被压缩，并在扩压器中提高压力后进入蜗壳，最后经过冷却器进入客户的空气系统（图1）。

图1 离心式空压机工作流程

2 喘振机理

喘振是以离心式空压机为代表的流体机械及配套管道中流体介质的周期振荡，是空气等流体介质受到规律性吸入及排出的激励作用而产生的规律性低频振动。喘振是离心式空压机的常见问题之一。

2.1 离心式空压机性能曲线[2]

根据工厂现场使用要求，常见离心式空压机要是分为二级和三级两种结构形式的空压机，其排气压力可达0.25～1.2 MPa，排气量可达30000 Nm3/h。不同型号及厂家所生产的离心式空压机相关性能参数千差万别。各离心式空压机专业厂商会根据现场需求参数，相应地设计出具有一定特性的离心式空压机，确保其安全、高效、可靠运行。

每一型号的离心式空压机在不同转速下对应一条排气压力P（或压比ε）与流量Q 之间的曲线（图2），每条曲线的最高点所对应的排气量则为该离心式空压机在该排气压力下的喘振最小流量Qmin。将全部喘振最小流量Qmin点（喘振点）拟合成一条曲线，这条曲线即为离心式空压机喘振曲线。图2 中左侧称为不稳定工作区即喘振区，离心式空压机在设计、制造及运行过程中，必须避免进入并远离喘振区，并让机组在两条控制线之间的区域运行，避免机组发生喘振。

图2 离心式空压机性能曲线

2.2 喘振曲线

离心式空压机的喘振曲线是以流量Q 为横坐标，以排气压力（出口压力）P 为纵坐标的抛物线。喘振曲线是根据出口压力找出不同压力条件对应的最小吸入空气流量（Qmin）。但实际生产运行中，当出口小于实际的管道系统压力时，压缩空气无法推开止回阀或单向阀，所以在实际生产过程中只需从管道系统压力点开始到机组最大出力的喘振曲线即可。

防喘振控制线方程可表示为[3]：

式中 k——气体绝热指数

g——重力加速度

P1——进气压力

P2——出气压力

T——进气温度

Qv——空压机进气流量

R——特定气体常数

α、b——与压缩机性能相关的常数

根据防喘振控制线方程可以得出，该曲线为典型的抛物线，须控制好离心式空压机流量和压力的关系。离心式空压机在出厂时或安装调试时，通过喘振实验，并将喘振实验数据拟合成一条较为准确的喘振曲线（图3）[4]以指导机组生产维护。

图3 离心式空压机喘振曲线

2.3 离心式空压机喘振机理

离心式空压机吸入空气会随外部条件的变化而发生改变。当外部温度、过滤器压差等变高或气压变低时，吸入空气流量减少。当进入离心式空压机吸口的空气流量不断减少至Qmin时，进入叶轮流道的气流偏离设计工况，空气进入叶轮的径向速度变小，相对速度方向角速度ω 与叶片出口角速度ω1不一致而出现冲角i（图4），与此同时，在叶片的非工作面（背面）气流边界层产生分离（旋转分离）[5]。

图4 离心式空压机喘振机理

因为气流分离是沿着叶轮旋转的反方向不断扩展，所以在叶道中会形成空气漩涡，再从叶轮外沿返回至叶轮中心，产生空气旋离或称之为旋转失速。发生空气旋离时叶道中空气流通不畅，级里压力立即减小，导致排气管内较高压力的压缩空气倒流到级里，倒流回级里的压缩空气立即补充级里流量不足的气体，使叶轮又恢复到正常工作状态；叶轮重新再把倒流回来的空气排出去，又再一次让级里压缩空气流量减少，压力再次突然下降，管道的高压压缩空气又再一次倒流回级里；如此反复，在离心式空压机中产生了周期性的压缩空气振荡现象即离心式空压机喘振。

2.4 影响离心式空压机喘振的因素

2.4.1 流量

随着离心式空压机入口流量的减少，离心式空压机的出口压力逐渐增大，当达到该转速n 最大出口压力p 时，机组入口流量达到Qmin，进入喘振点工况。当机组入口流量继续减少，离心式空压机出口压力也开始随之减小，离心式空压机随即发生喘振（图5）。根据防喘振控制线方程，离心式空压机入口流量减少是机组发生喘振的根本原因之一，所以应尽量避免机组在小流量工况下长期运行。通常情况下，离心式空压机运行最小入口流量不低于该机组设计流量的60%。

图5 不同转速压力与流量的关系

2.4.2 入口压力

离心式空压机的入口压力分别为P1、P2、P3且P1＞P2＞P3，在机组恒压运行模式下，分别对应各自不同的压力条件，当入口压力依次逐渐降低，在喘振曲线上的喘振点也依次降低，机组对相应地越容易发生喘振（图6）。在生产运行过程中，当入口过滤器压差增大流量减少时，要及时清扫过滤器及滤筒，尤其是天气炎热的季节，以避免离心式空压机发生喘振。

图6 不同入口压力的性能曲线

2.4.3 入口温度

离心式空压机在恒压恒转速模式下运行，机组在不同入口温度下对应的性能曲线变化明显（图7）。从图中可以看出，离心式空压机在该模式下运行，其入口空气温度分别为-20 ℃、0 ℃、10 ℃。

图7 不同入口温度的性能曲线

随着入口空气温度升高，在喘振曲线上的喘振点也依次降低，机组也越容易发生喘振。因此在相同工况下，同一台离心式空压机夏季比冬季更容易发生喘振。

2.4.4 转速

从图5 可以发现，在外部用气负荷不变的前提下，离心式空压机转速分别为n1、n2、n3（n1＞n2＞n3），随着机组随转速依次升高，其喘振曲线逐渐右移，机组就更可能发生喘振。同样，当离心式空压机突然从高转速迅速进入低转速时，由于机组各级进气发生较大改变，在一定程度上改变了机组性能曲线，也容易引发机组喘振。通常我们所使用的离心式空压机组均采用恒转速运行，通过适量增加喘振裕量“快速”升降转速，避免在开停机过程中发生喘振。

2.4.5 空压机内部工况

随着离心式空压机运行时间的增加，机组可能出现扩压器腐蚀磨损、叶轮与扩压器（或涡壳）之间的间隙过大、叶轮磨损或结垢、冷却器流道不畅等问题，均会导致离心式空压机发生喘振。究其根本原因主要还是机组各级流量减少及压力降低引发机组喘振。

2.4.6 外部配套管网性能

在离心式空压机本身性能曲线没有发生改变的情况下，外部配套管网性能曲线发生变化（曲线上移或变陡）也会引发机组喘振。比如将管网阀门关小，让管网性能曲线变陡，让离心式空压机进入喘振区域运行（图8）。最初离心式空压机在A 工况点运行，后通过生产系统调整或其他原因，致使管网中的压力大幅增大，管网曲线由2 移动至2′，机组本身性能曲线没有发生较大改变，但机组实际工况点已移至A 点，导致机组发生喘振。

图8 管网性能曲线变化

3 喘振特征及危害

离心式空压机一旦发生喘振，机组和管网的运行状态将发生迅速变化，会出现一些明显的特征：①离心式空压机级间进气温度大幅上升，而冷却系统及设备均未发现故障；②离心式空压机的电机电流产生大幅度波动，并随着喘振强度的增加而逐渐增大；③机壳、转子、轴承等发生强烈的振动，且振动不稳定，时大时小，同时还会发出强烈、周期性的气流声，但喘振振动频率较低；④离心式空压机的出口压力和入口流量产生大幅度周期性脉动，严重时还可能发生压缩空气倒流，造成机组严重损坏事故；⑤离心式空压机和管网发生周期性的剧烈振动，并产生时高时低“轰轰”的异响。

离心式空压机高速级转速约30000 r/min，一旦发生喘振将对机组及管道危害极大，主要体现在以下5 个方面：①使转子、叶轮、连接螺栓等发生严重变形、损坏；②使级间压力失稳从而引发强烈振动，导致气封、油封、轴瓦、空气冷却器等损坏；③使运动部位和静止部位相接触或碰撞，机组可能发生严重设备事故；④使转子组件发生动不平稳，破坏整个转子系统稳定性；⑤使振动、温度、流量等相关检测仪表设备设施损坏。

4 P700-2250 型离心式空压机喘振原因分析

4.1 设备主要情况及喘振过程

P 700-2250 型离心式空压机机组在正常运行过程中，于在2022 年1 月4 日至1 月7 日间多次出现喘振，主要表现为振动突然增大、进气温度陡增，机组现场控制面板显示机组发生喘振，保护停机。

4.2 机组检查情况

通过机组分解检测，发现冷却器及其配套系统正常、转瓦正常、转子组件正常、润滑系统正常、检测设备正常；吸风过滤器积尘严重，叶轮与扩压器间隙超0.7～0.9 mm，管网运行压力有一个明显上升过程，超过0.62 MPa。

4.3 喘振分析

由于3 号P 700-2250 型离心式空压机于1 月初在正常运行状态下突然多次发生喘振；同时每次喘振时，管网压力均由0.52 MPa 升高至0.62 MPa，依据当地此时气候及天气状况，可以排除因入口压力、入口温度、相对分子量、转速等因素引发喘振。该机组喘振很可能由机组本身性能、入口流量和管网性能等发生改变而引发机组喘振。

4.3.1 空压机自身性能改变

3 号P 700-2250 型离心式空压机叶轮与扩压器间隙达到0.7～0.9 mm，已远超设计值0.5 mm，其内泄量大增加，各级排气量及压力均发生改变，导致其整机性能发生较大变化，其喘振曲线已变陡上移，防喘振裕量较设计值大幅减小（图2），致使空压机在排气压力上升过程中容易发生喘振，这也是该机组发生喘振的直接原因。

4.3.2 管网状况改变对机组的影响

经调取后台记录，3 号空压机每次发生喘振时，管网压力均有一个较大的波动，压力由0.52 MPa 升高至0.62 MPa，在管网压力超过0.62 MPa 时，机组随即发生喘振。当管网压力升高，导致管网性能曲线上移，实际工况点已移动至喘振区（图8），进而机组发生喘振。由此可见，压缩空气用户使用情况发生变化，导致管网压力持续升高，是引发该机发生喘振外部原因。

4.3.3 入口流量变小对机组的影响

由于3 号空压机没有安装单机排气流量计，无从读取单机流量，故以机组电流估算流量。该机额定排气量215 N m3/min，额定电流为111 A，实际正常运行电流约100 A。机组发生喘振时电流约70 A，远低于正常值，可以判定该机运行工况严重偏离设计工况。3 号机流量大幅减少，实际运行工况点非常接近喘振线，大幅减小了防喘振裕量，叠加管网压力较大波动，管网性能曲线上移以及机组本身防喘振裕度减少，导致该机更容易发生喘振。

（1）吸风过滤器影响机组入口流量。吸风过滤器滤管积尘较多，加大了进气阻力，增大了过滤器压差，直接导致3 号空压机入口流量大幅减少，进而导致该机组更容易发生喘振。

（2）叶轮间隙过大影响机组入口流量。3 号空压机叶轮与扩压器间隙设计值为0.5 mm，最大间隙不超过0.75 mm，经过十几年冲刷与磨损，其间隙已达0.7～0.9 mm，远远超过设计值，直接导致其级间内泄量增大、实际入口流量减少，该机组防喘振裕量减少。

5 对策

5.1 稳定管网压力

通过强化用户管控，加强信息流通，及时调整管网压力，减少管网压力波动频率及幅度，给机组营造一个良好的外部供气条件。

5.2 清扫吸风过滤器

3 号P 700-2250 型离心式空压机吸风过滤器滤管积尘严重，导致过滤器压差变大，直接影响机组的吸入风量，引起机组喘振。因此对吸风过滤器滤管进行解体检查，全面清扫其表面附着物及积尘，并用净化后的压缩空气进行二次清扫，保证其表面干净（图9），尽量降低压差、增加机组入口流量。

图9 吸风过滤器滤清扫前后对比

5.3 调整叶轮间隙

通过镶套方式，将涡壳内径缩小，同时更新扩压器，以调整叶轮与扩压器间隙至0.50 ～0.55 mm，恢复机组级间压力、流量及性能（图10）。

图10 涡壳内径镶套

6 结束语

通过优化管网性能、增大机组入口流量及恢复机组原有性能，并顺利完成3 台P 700-2250 型离心式空压机喘振实验，得到其喘振曲线与原机组喘振曲线基本一致，现已平稳运行近1 年，取得了良好的结果。

由于离心式空压机在石化、冶炼、动力等各行业装备数量众多，其出厂时均完成排气压力、流量及喘振等相关实验，随使用时间的增长，机组自身特性也将随之发生改变，加之配套系统的不断“劣化”，导致离心式空压机喘振成为常见故障之一。在日常使用过程中，离心式空压机喘振绝大部分原因为叶轮间隙变大、吸风流量减少、管网波动、扩压器及叶轮结垢磨损等。