羅 楠* 張世星 鄭天一
(1.浙江恒逸工程管理有限公司 2.埃理奧特機械設備維修服務(天津)有限責任公司 3.中國石油大慶煉化公司)
離心壓縮機是速度型壓縮機的一種,具有排量大、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、易損件少、連續(xù)運轉(zhuǎn)周期長等特點,廣泛應用于石油化工行業(yè)。離心壓縮機作為石油化工裝置的“心臟”設備,一旦發(fā)生故障,會導致裝置循環(huán)或停工,嚴重影響石化裝置生產(chǎn)安全。通過對離心壓縮機性能曲線和喘振特點進行研究分析,提出了離心壓縮機操作過程中的注意事項,可為實現(xiàn)離心壓縮機安全運行的目標提供技術(shù)支撐。
離心壓縮機的各項性能參數(shù)不是孤立的、靜止的,而是相互聯(lián)系和相互制約的。對于特定的壓縮機,這種聯(lián)系和制約具有一定的規(guī)律,可用曲線表示,即為壓縮機的性能曲線。
典型的離心壓縮機性能曲線有能量頭-流量曲線、排出壓力-流量曲線、功率-流量曲線、效率-流量曲線等,下面以某壓縮機廠56M91 機型離心壓縮機為例,對其性能曲線進行分析。
能量頭是指單位質(zhì)量的氣體經(jīng)過離心壓縮機壓縮后其蘊含的能量與壓縮前狀態(tài)的差值,表示單位質(zhì)量的氣體可以提升的高度。不同轉(zhuǎn)速下離心壓縮機能量頭-流量曲線如圖1 所示。由圖1 可知,在離心壓縮機的操作區(qū)間內(nèi)能量頭和流量成反比,即離心壓縮機流量越大,能量頭越低。
圖1 離心壓縮機能量頭-流量曲線
離心壓縮機的壓比和轉(zhuǎn)速固定,隨著流量的增加,壓縮機的出口壓力將增加,當出口壓力達到一定程度之后,氣體在設備的某處達到當?shù)匾羲伲蛘唠m然沒有達到當?shù)匾羲?,壓縮機對氣體所做的功全都用來克服流動損失,不能夠再增加流量,這個流量的位置所在點就是阻塞點,如圖2 所示。而當流量不斷減少時,壓縮機的出口壓力會不斷增加直至出口壓力不穩(wěn)定,這個流量所在的位置就是壓縮機的喘振點。
圖2 離心壓縮機排氣壓力-流量曲線
圖3 離心壓縮機功率-流量曲線
在固定轉(zhuǎn)速條件下,離心壓縮機在某一流量下具有效率最高點。這是因為在流量點時,壓縮機的沖擊損失最小,而隨著流量增大或者減小,壓縮機的沖擊損失都會增加,如圖 4 所示。
圖4 離心壓縮機效率-流量曲線
離心壓縮機性能曲線具有以下共同點:
(1)流量有最大和最小兩個極限流量,排出壓力也有最大值和最小值;
(2)效率曲線有最高效率點,離開該點的工況效率下降很快;
(3)轉(zhuǎn)速增大時,壓縮機的性能曲線向上方移動;
(4)轉(zhuǎn)速增大時,氣流馬赫數(shù)增大,這時流量若偏離設計工況,就會使損失大大增加,性能曲線變陡,使穩(wěn)定工況范圍變窄。
離心壓縮機的工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的離心力對氣體做功,使氣體速度增大,壓力升高,高速氣體通過設置在葉輪后的彎道和擴壓器進一步降速增壓,從而使氣體部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能。
當離心壓縮機進口流量減小時,葉輪工作面處會產(chǎn)生邊界層的分離,導致氣體在葉輪處旋轉(zhuǎn)脫落,部分氣體未被葉輪做功,壓縮機出口壓力將降低;如果壓縮機進口流量進一步減小,葉輪處的旋轉(zhuǎn)脫離氣體團將會堵塞葉道,壓縮機出口壓力將會顯著下降,直至出口壓力低于出口管網(wǎng)壓力,則出口管網(wǎng)內(nèi)氣體倒流至壓縮機,倒流氣體補充了壓縮機級流量不足,葉輪恢復對氣體正常做功,再次把倒流回級內(nèi)的氣體壓縮出去,這樣葉輪內(nèi)流量再次減小,出口壓力再次下降,管網(wǎng)內(nèi)氣體再次倒灌,如此周而復始,在整個壓縮機系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生周期性的低頻率、大振幅的氣流振蕩現(xiàn)象,就稱為喘振。
離心壓縮機流量增大到一定程度時,氣流的負沖角較大,葉片做功全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰繐p失,壓力不再升高,僅用于維持在該流量下氣流流動,或者在流道最小截面處出現(xiàn)了聲速,邊界層分離區(qū)急劇擴大,壓縮機達到了阻塞工況,此時壓力得不到提高,流量不再增大。阻塞流量是一臺壓縮機在給定速度下能承受的最大流量。阻塞情況通常對壓縮機有害,但沒有喘振對壓縮機傷害大。
離心壓縮機的性能曲線,可分為三個區(qū)域,如圖5 所示。
喘振線左側(cè)區(qū)域為壓縮機喘振工況區(qū),壓縮機在該區(qū)域內(nèi)運行將發(fā)生喘振。阻塞線右側(cè)區(qū)域為壓縮機阻塞工況區(qū),壓縮機在該區(qū)域運行將發(fā)生阻塞。處于喘振工況和阻塞工況之間的區(qū)域,稱為穩(wěn)定工作范圍,即壓縮機可安全運行的區(qū)域。
圖5 離心壓縮機性能曲線分區(qū)
離心壓縮機發(fā)生喘振將會使機組產(chǎn)生劇烈震動,機器噪音增大,甚至損壞離心壓縮機組。喘振可以通過以下幾個現(xiàn)象識別:(1)轉(zhuǎn)子振動過大;(2)工藝氣體排氣溫度持續(xù)超高;(3)出口壓力和進口流量出現(xiàn)周期性、大幅度波動;(4)軸向推力快速變化;(5)載荷突然變化;(6)現(xiàn)場機體發(fā)出刺耳聲音(喘振嚴重時)。
離心壓縮機運行過程中介質(zhì)溫度、壓力、流量等參數(shù)均不斷變化,所以影響離心壓縮機喘振的因素不是唯一的,而往往是幾種因素共同作用的結(jié)果,下面就壓縮機各參數(shù)對壓縮機喘振的影響進行分析。
2.5.1 轉(zhuǎn)速對壓縮機喘振影響
若壓縮機的壓比不變,提高壓縮機的轉(zhuǎn)速,壓縮機的入口流量會增大。如果壓縮機處于出入口壓力穩(wěn)定的管網(wǎng)情況,而壓縮機工作點靠近喘振點時,可以通過提高轉(zhuǎn)速來使工作點遠離喘振點,這是確保制冷壓縮機機組啟動的時候離開喘振區(qū)間的常用方式。
2.5.2 壓縮機氣體組分
壓縮機壓縮不同組分氣體的性能曲線各不相同,從圖6 中可以看出:組分分子量增加,曲線向右上方移動;組分分子量減小,曲線向左下方移動。
圖6 離心壓縮機不同組分氣體性能曲線
2.5.3 管網(wǎng)特性
眾所周知,離心壓縮機的工作點是性能曲線和管網(wǎng)特性曲線的交點,如圖7 所示。管網(wǎng)特性曲線是指離心壓縮機出口管網(wǎng)的阻力曲線,與管網(wǎng)的容積和阻力有關(guān)。改變?nèi)我庑阅芮€就會改變壓縮機的實際工作點,若管網(wǎng)阻力增加,管網(wǎng)特性曲線變陡,壓縮機實際工作點左移,機組則容易發(fā)生喘振。
圖7 離心壓縮機工作點示意圖
2.5.4 壓縮機進氣狀態(tài)
離心壓縮機進氣狀態(tài)(溫度、壓力、密度)改變會使壓縮機的性能曲線和喘振點發(fā)生變化,壓縮機對氣體的理論能頭為:
(1)溫度對喘振的影響
對于壓縮機指定氣體的壓縮機來說,假定氣體常量R,壓縮因子Z和多變指數(shù)M為定值, 若壓縮機在定轉(zhuǎn)速下運行,壓縮機功率P和壓縮比r不變,若壓縮機進氣溫度Ts升高,則壓縮機理論能頭H增大,根據(jù)P=H×Q,壓縮機入口流量減小,壓縮機喘振可能增大,所以壓縮機在恒壓下運行,氣體溫度越高,越容易發(fā)生喘振。
(2)壓力對喘振的影響
對于指定氣體的壓縮機來說,假定氣體常量R,壓縮因子Z和多變指數(shù)M為定值, 若壓縮機在定轉(zhuǎn)速下運行,壓縮機功率和入口溫度不變,若壓縮機進氣壓力降低,則壓縮機壓比r 增大,壓縮機理論能頭H增大,根據(jù)P=H×Q,壓縮機入口流量減小,壓縮機喘振可能增大,所以壓縮機進氣壓力越低,越容易發(fā)生喘振。
(3)介質(zhì)組分對喘振的影響
若壓縮機在定轉(zhuǎn)速下運行,壓縮機功率、入口溫度不變和壓縮機壓比不變,若壓縮機壓縮的氣體組分變輕(分子量變小),則壓縮機氣體常數(shù)變大,壓縮機理論能頭H增大,根據(jù)P=H×Q,壓縮機入口流量減小,壓縮機喘振可能增大,所以壓縮機壓縮氣體分子量變小,容易發(fā)生喘振。
(1)離心壓縮機壓縮不同氣體時的特性曲線并不相同,了解壓縮機性能曲線對壓縮機的選型和操作有重要意義。
(2)離心壓縮機的喘振與管網(wǎng)特性關(guān)系密切,管網(wǎng)阻力增大(出口閥節(jié)流),越容易發(fā)生喘振。
(3)介質(zhì)分子量增加,給定比率的能頭就會成正比減少。
(4)壓縮機正常運行時,入口溫度升高,越容易發(fā)生喘振;入口壓力越低,越容易發(fā)生喘振;壓縮介質(zhì)變輕(分子量變?。?,容易發(fā)生喘振。
(5)壓縮機壓比不變的情況下,壓縮機轉(zhuǎn)速越低,越容易發(fā)生喘振。