韓喜民，秦宏澤

(陽(yáng)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(jī)一般由汽輪機(jī)(或電動(dòng)機(jī))驅(qū)動(dòng)，氣體在流過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪時(shí)，在離心力的作用下，壓力有所提高，同時(shí)速度也有極大的提高，即離心式壓縮機(jī)的葉輪將驅(qū)動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為氣體的靜壓能和動(dòng)能。在流經(jīng)擴(kuò)壓器時(shí)，通道截面逐漸變大，氣體流速降低，使氣體大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，即進(jìn)一步起到增壓作用。若一個(gè)葉輪做功氣體得到的壓力不夠，可通過(guò)多個(gè)葉輪的串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步增壓，以達(dá)到要求的壓力。葉輪對(duì)氣體做功是氣體壓力增加的根本原因，而葉輪在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)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(jī)的轉(zhuǎn)速越高，對(duì)單位質(zhì)量的氣體做功量也就越大[1-2]。

2 喘振的機(jī)理

喘振是離心式壓縮機(jī)固有的特性，具有較大的危害性和不穩(wěn)定性。當(dāng)進(jìn)入壓縮機(jī)的氣體流量減少時(shí)，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(shí)，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(yán)重。當(dāng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)脫離時(shí)，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(jī)出口處的較高壓力氣體倒流至葉輪入口，補(bǔ)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(kāi)始下降，壓縮機(jī)出口氣體又開(kāi)始倒流，循環(huán)往復(fù)，壓縮機(jī)產(chǎn)生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，稱(chēng)之為“喘振”[3-4]。

3 影響因素

圖1 壓縮機(jī)性能曲線

圖2 壓縮機(jī)性能曲線的區(qū)域劃分

壓縮機(jī)性能曲線是指氣體流過(guò)該壓縮機(jī)時(shí)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(jiàn)圖1)，壓縮機(jī)的性能曲線分為工作區(qū)、喘振區(qū)和阻塞區(qū)(見(jiàn)圖2)。管網(wǎng)特性曲線是指壓縮機(jī)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(jī)出口管網(wǎng)特性曲線與壓縮機(jī)性能曲線的交點(diǎn)，都稱(chēng)為工作點(diǎn)。在正常運(yùn)行工況下，工作點(diǎn)應(yīng)處于工作區(qū)；當(dāng)工作點(diǎn)處于喘振區(qū)時(shí)，即發(fā)生了喘振現(xiàn)象[5-6]。

壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速n下，特性曲線近似一條拋物線，對(duì)應(yīng)壓力比ε與流量Q。每一個(gè)轉(zhuǎn)速下的性能曲線都有一個(gè)峰值，即喘振點(diǎn)，將各個(gè)轉(zhuǎn)速下性能曲線的喘振點(diǎn)連接起來(lái)，可得到一條曲線，即離心式壓縮機(jī)喘振線(見(jiàn)圖3)。為了安全起見(jiàn)，壓縮機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)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(chēng)為壓縮機(jī)的防喘振線。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)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(shí)際生產(chǎn)中存在的幾個(gè)較重要的因素。

3.1 轉(zhuǎn)速

對(duì)于汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，往往根據(jù)外界流量Q和壓力P的不同而采用不同的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，即用轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整負(fù)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(jī)轉(zhuǎn)速突然降低(見(jiàn)圖4，其中轉(zhuǎn)速n1>n2)，工作點(diǎn)移動(dòng)至喘振區(qū)也會(huì)引起喘振。

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

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

3.2 壓縮機(jī)入口相對(duì)分子質(zhì)量

1.管網(wǎng)特性曲線 2.壓縮機(jī)喘振線 A.M=8.5時(shí)工作點(diǎn)A1.M=7.2時(shí)工作點(diǎn) M=8.5,M=7.2.不同相對(duì)分子質(zhì)量時(shí)壓縮機(jī)特性曲線圖5 壓縮機(jī)入口相對(duì)分子量對(duì)喘振的影響

從圖5中可以看出：當(dāng)壓縮機(jī)入口相對(duì)分子質(zhì)量突然下降時(shí)，壓縮機(jī)性能曲線向左下方移動(dòng)，工作點(diǎn)同時(shí)向左下方移動(dòng)，壓縮機(jī)入口流量迅速減小，進(jìn)入喘振區(qū)發(fā)生喘振。陽(yáng)煤化工新材料有限公司所用合成氣壓縮機(jī)組是由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)，機(jī)組設(shè)計(jì)的工作介質(zhì)氫氣和氮?dú)獗葹?∶1，相對(duì)分子質(zhì)量為8.5。在壓縮機(jī)運(yùn)行實(shí)際操作中，當(dāng)來(lái)自?xún)艋暮铣蓺庵葹?∶1，入口相對(duì)分子質(zhì)量降為7.2時(shí)，壓縮機(jī)性能曲線向左下方移動(dòng)，入口流量開(kāi)始下降，壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)，同時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由汽輪機(jī)控制。由于壓縮介質(zhì)突然變輕，造成壓縮機(jī)負(fù)荷突然降低，而汽輪機(jī)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(duì)分子質(zhì)量9.5，壓縮機(jī)性能曲線向右上方移動(dòng)，此時(shí)壓縮機(jī)入口流量迅速上升，壓縮機(jī)遠(yuǎn)離喘振區(qū)，但由于壓縮介質(zhì)突然變重，引起壓縮機(jī)負(fù)荷突然升高，而汽輪機(jī)調(diào)速閥不能迅速開(kāi)大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速下降，這種氫氮比的失調(diào)，即壓縮機(jī)入口相對(duì)分子質(zhì)量的變化，最終造成壓縮機(jī)入口流量、壓力和轉(zhuǎn)速大幅度波動(dòng)，不利于機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3 壓縮機(jī)入口流量

壓縮機(jī)喘振的根本原因是入口流量降低，隨著流量的減小(見(jiàn)圖6)，壓縮機(jī)出口壓力增加，當(dāng)壓力達(dá)到該特性曲線最高點(diǎn)，流量還繼續(xù)減少時(shí)，壓縮機(jī)出口壓力開(kāi)始降低，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力低于管網(wǎng)壓力時(shí)，會(huì)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(jī)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(yán)重。因此，在離心式壓縮機(jī)減量時(shí)，必須先降壓，同時(shí)根據(jù)工作點(diǎn)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(jī)性能曲線圖6 壓縮機(jī)入口流量降低動(dòng)作點(diǎn)移動(dòng)情況

4 喘振現(xiàn)象的判斷及解決方法

當(dāng)壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，會(huì)使入口工藝參數(shù)(流量和壓力)大幅波動(dòng)，同時(shí)會(huì)對(duì)葉輪產(chǎn)生頻繁的應(yīng)力變化，機(jī)組振動(dòng)增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組葉輪、軸承、密封組件的損壞，造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故，因此對(duì)于喘振現(xiàn)象的判斷必須及時(shí)準(zhǔn)確。

判斷方法：①壓縮機(jī)入口壓力流量周期性大幅度波動(dòng)；②機(jī)組振動(dòng)、位移突然增大；③現(xiàn)場(chǎng)能夠聽(tīng)見(jiàn)壓縮機(jī)的喘氣聲(即氣體周期性出入葉輪)，同時(shí)壓縮機(jī)出口管線強(qiáng)烈振動(dòng)。對(duì)于汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)，還可從汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速和蒸汽瞬時(shí)流量的周期性波動(dòng)來(lái)判斷。

當(dāng)判斷喘振發(fā)生時(shí)，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(yán)重?fù)p失。消除喘振的根本方法是增加壓縮機(jī)入口流量，可通過(guò)壓縮機(jī)出口放空(減小背壓)來(lái)提高氣體流速，使壓縮機(jī)入口流量大于最小喘振流量，迅速將工作點(diǎn)移動(dòng)至工作區(qū)，也可通過(guò)打開(kāi)壓縮機(jī)回路(防喘振閥)增加入口流量來(lái)消除喘振。影響喘振的因素是多種的、復(fù)雜的，對(duì)于主要影響因素(入口流量、壓力、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和入口介質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量)，必須確定指標(biāo)并嚴(yán)格監(jiān)控，保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

[1] 侯國(guó)安，周凱.離心式壓縮機(jī)喘振原因分析及防喘振措施[J].石油和化工設(shè)備，2015，18(9)：62- 65.

[2] 徐英.離心式壓縮機(jī)的防喘振調(diào)節(jié)及應(yīng)用實(shí)例[J].中氮肥，2005(3)：47- 48.

[3] 周玉紅.空壓機(jī)組防喘振控制系統(tǒng)應(yīng)用探討[J].化肥工業(yè)，2012，39(1)：68- 69.

[4] 管澤沛，張鵬洲，王建新.空氣壓縮機(jī)組喘振原因分析及對(duì)策[J].化肥工業(yè)，2001，28(1)：50- 52.

[5] 杜霞.大型煤制甲醇裝置合成壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)的改造措施[J].化肥設(shè)計(jì)，2016，54(4)：58- 61.

[6] 趙飛，田一波，劉濤.淺析離心式二氧化碳?jí)嚎s機(jī)組喘振原因及對(duì)策[J].氮肥技術(shù)，2009，30(6)：25- 29.