吳 鵬

（阿特拉斯科普柯無(wú)錫壓縮機(jī)有限公司，江蘇無(wú)錫 214028）

1 引言

離心式壓縮機(jī)是動(dòng)能式壓縮機(jī)（dynamic principle）的一種，如圖1（radial-centrifugal）所示，使用范圍涵蓋了化工，動(dòng)力工程，制冷工程和氣體輸送等，具有處理量大、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，維修方便以及氣體不受污染等特點(diǎn)。

然而，在離心機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)氣體的壓力，流量，溫度變化較敏感，容易發(fā)生“喘振”。早在1945年英國(guó)首先發(fā)現(xiàn)了離心式壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象并引起了人們的注意。喘振是離心式壓縮機(jī)的一種固有現(xiàn)象，具有較大的危害性，是壓縮機(jī)損壞的主要誘因之一[1]。

圖1 壓縮機(jī)分類(lèi)

2 離心式壓縮機(jī)喘振介紹

離心式壓縮機(jī)工作的基本原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動(dòng)氣體旋轉(zhuǎn)，使流速增大。在葉輪后部設(shè)置有截面積逐漸擴(kuò)大的擴(kuò)壓元件（擴(kuò)壓器），從葉輪流出的高速氣體在擴(kuò)壓器內(nèi)進(jìn)行降速增壓，氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力能。

如圖2所示，當(dāng)壓縮機(jī)的操作工況偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，葉輪進(jìn)氣流量減小到一定程度后，在某一個(gè)或幾個(gè)葉片上會(huì)發(fā)生氣流邊界層的分離（如流道B），進(jìn)而會(huì)影響到相鄰流道A和C，改變了原來(lái)流向A、C流道的氣流方向，邊界層的分離將會(huì)和葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)移動(dòng)（如圖中u′的方向）。實(shí)驗(yàn)表明，這種旋轉(zhuǎn)移動(dòng)速度小于葉輪的旋轉(zhuǎn)速度，即u′＜u，所以在絕對(duì)運(yùn)動(dòng)中，分離區(qū)的方向?qū)?huì)以和葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為“旋轉(zhuǎn)脫離”。

旋轉(zhuǎn)脫離的出現(xiàn)，使得進(jìn)出口的壓力，流量和速度等參數(shù)產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)，對(duì)葉輪葉片產(chǎn)生了周期性的交變作用力，導(dǎo)致強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲。如果進(jìn)一步減小流量，整個(gè)流道將無(wú)法正常排出壓縮氣體，出口壓力大大下降，再加上管網(wǎng)中回流的高壓氣流，產(chǎn)生所謂的“喘振現(xiàn)象”[2]。圖3即為典型的由于喘振導(dǎo)致的葉輪失效。

在實(shí)際運(yùn)行中，每一臺(tái)離心式空壓機(jī)都會(huì)有固有的流量控制曲線(xiàn)，如圖4所示即為一典型的性能曲線(xiàn)（排氣流量-排氣壓力）：針對(duì)每一條進(jìn)氣負(fù)荷曲線(xiàn)，都會(huì)有一個(gè)最小的進(jìn)氣流量，低于這個(gè)最小的進(jìn)氣流量，機(jī)器就會(huì)進(jìn)入喘振區(qū)域。而所有的最小進(jìn)氣流量點(diǎn)就會(huì)形成“喘振曲線(xiàn)”，找到這條喘振曲線(xiàn)就能實(shí)現(xiàn)對(duì)離心式空壓機(jī)的有效控制。

圖2 轉(zhuǎn)動(dòng)葉柵中旋轉(zhuǎn)脫離的示意圖

3 固定極限流量法

基于最高轉(zhuǎn)速下的喘振流量，疊加一定的安全余量，使壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中避免進(jìn)入喘振區(qū)域運(yùn)行，其控制原理如圖5所示，當(dāng)壓縮機(jī)入口流量小于設(shè)定值時(shí)，安裝在排氣管道上閥門(mén)將由控制馬達(dá)開(kāi)啟，使部分氣體放空或者返回到壓縮機(jī)吸入口循環(huán)使用，因此不論壓縮機(jī)后續(xù)需求氣量是多少，機(jī)器將始終運(yùn)行在非喘振區(qū)域。

圖3 典型的葉輪喘振失效

圖4 離心式壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)

圖5 固定極限流量法防喘振控制原理圖[1]

圖6 不同參數(shù)下定義的喘振[4]

對(duì)于離心式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，壓頭、流量和轉(zhuǎn)速是監(jiān)控其運(yùn)行的3個(gè)定義參數(shù)，其中任意兩個(gè)即可用來(lái)定義機(jī)器的運(yùn)行點(diǎn)和喘振點(diǎn)[3]。

4 喘振曲線(xiàn)的建立

取二級(jí)的進(jìn)排氣壓差（Dp，Difference Pressure，PDT19） 和二級(jí)流量壓差（Dp Nozzle，Difference Pressure of Nozzle，PDT20） 來(lái)建立控制曲線(xiàn)（即Turndown），其定義如圖7所示。

圖7 控制點(diǎn)選取圖示

表1 兩點(diǎn)法喘振數(shù)據(jù)記錄

選取一臺(tái)二級(jí)壓縮的離心機(jī)進(jìn)行喘振實(shí)驗(yàn)，分別選取IGV開(kāi)度為15%和80%時(shí)，利用控制程序?qū)OV從全開(kāi)狀態(tài)逐漸關(guān)閉，并通過(guò)葉輪主軸軸承上的振動(dòng)檢測(cè)傳感器和排氣壓力實(shí)測(cè)值來(lái)判斷機(jī)器是否進(jìn)入喘振狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)振動(dòng)值和排氣壓力值劇烈波動(dòng)，并伴隨有異常噪聲時(shí)，機(jī)器基本運(yùn)行在喘振流量。

如圖8所示，通過(guò)采取喘振點(diǎn) 1和喘振點(diǎn) 2來(lái)建立喘振曲線(xiàn)，在實(shí)際的喘振曲線(xiàn)上，選取一定的運(yùn)行余量來(lái)設(shè)置機(jī)器的性能曲線(xiàn)。

但在實(shí)際運(yùn)行中，我們發(fā)現(xiàn)，機(jī)器在某些特定的IGV開(kāi)度下，機(jī)組控制電腦上沒(méi)有出現(xiàn)喘振報(bào)警提示，但是實(shí)際已經(jīng)運(yùn)行在喘振區(qū)域，并出現(xiàn)了葉輪失效的嚴(yán)重后果。

為此，我們?cè)黾涌刂泣c(diǎn)（IGV開(kāi)度分別為20%、35%和70%）來(lái)重新定義性能曲線(xiàn)，記錄的參數(shù)，見(jiàn)表2。

圖8 兩點(diǎn)法建立喘振控制線(xiàn)

通過(guò)對(duì)比圖8和圖9我們發(fā)現(xiàn)，在選取2個(gè)運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)捕捉到的離心機(jī)的喘振曲線(xiàn)并不能代表真實(shí)的性能曲線(xiàn)，選取5點(diǎn)采集數(shù)據(jù)更接近機(jī)器實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)。在以上案例中，當(dāng)IGV開(kāi)度為35%時(shí)，如果我們僅僅采集2個(gè)狀態(tài)點(diǎn)，將會(huì)存在機(jī)器運(yùn)行在喘振區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)。

表2 五點(diǎn)法喘振數(shù)據(jù)記錄

5 結(jié)語(yǔ)

在機(jī)器的實(shí)際運(yùn)行中，我們希望設(shè)置的喘振線(xiàn)能夠和實(shí)際喘振線(xiàn)完美的匹配。通過(guò)實(shí)際的案例測(cè)試，我們可以很清楚的發(fā)現(xiàn)，離心式空氣壓縮機(jī)的實(shí)際喘振曲線(xiàn)并非是一條直線(xiàn)（圖10），而是一條不規(guī)則的曲線(xiàn)。

圖9 五點(diǎn)法建立喘振控制線(xiàn)

圖10 實(shí)際喘振線(xiàn)、設(shè)置喘振線(xiàn)、運(yùn)行控制線(xiàn)

基于不同的工業(yè)需求和成本控制，實(shí)際上喘振控制有很多種可以運(yùn)用的方式，如可變極限流量法、模糊控制法等[4]。但在空氣壓縮領(lǐng)域，運(yùn)用固定極限流量法，配合五點(diǎn)喘振數(shù)據(jù)采集，已經(jīng)可以有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)的保護(hù)。

實(shí)踐也證明，在我們采取了五點(diǎn)控制法并將其應(yīng)用到市場(chǎng)之后，沒(méi)有再發(fā)現(xiàn)因?yàn)榇駥?dǎo)致的葉輪失效，從而進(jìn)一步驗(yàn)證其有效性。