李中雁，鄧 華

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司能源動力分公司，四川攀枝花 617062）

0 引言

攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司能源動力分公司荷花池空壓站，于2009 年裝備了3 臺P700-2250 型離心式空壓機。由于該空壓站位于原煤堆場及主公路旁，空氣中含塵量相對較高，并且該批機組已連續(xù)運行了10 多年，轉動部件及流道存在不同程度的沖蝕、磨損。2022 年1 月4 日至7 日，該站3 號P700-2250 型離心式空壓機先后多次振動突然增大、排氣溫度異常，機組提示發(fā)生喘振。檢修維護人員檢查該機冷卻器及其配套系統(tǒng)、溫度檢測及線路等，均未發(fā)現(xiàn)異常。經(jīng)多方面分析排查，最終找到引發(fā)該機組喘振的原因并采取相應處置對策，機組恢復正常運行。

1 離心式空壓機工作原理及特點

離心式空壓機通過電機拖動，將電能轉化為機組葉輪及空氣動能，再經(jīng)過擴壓器使氣體分子動能轉化為壓力能[1]。它具有結構簡單緊湊、排氣量大、能效高、檢修維護便捷、產氣無油且機組及供氣壓力穩(wěn)定等諸多優(yōu)勢，被工業(yè)企業(yè)大量裝備，并逐步替代活塞式空氣壓縮機和螺桿式空氣壓縮機。

離心式空壓機工作流程為：外界空氣通過進氣控制裝置進入壓縮機的第一級→一級葉輪對空氣做功，提高了空氣的速度。壓縮后的空氣經(jīng)過一個徑向的擴壓器，使速度降低、壓力提高→壓縮空氣進入蝸殼→壓縮后的高溫空氣經(jīng)過由級間管道進入一級中間冷卻器進行冷卻→冷卻后壓縮空氣進入二級葉輪，再器經(jīng)過擴壓器提高壓力，然后進入蝸殼→壓縮空氣進入二級冷卻器→壓縮空氣從二級冷卻器出來，在三級葉輪中被壓縮，并在擴壓器中提高壓力后進入蝸殼，最后經(jīng)過冷卻器進入客戶的空氣系統(tǒng)（圖1）。

圖1 離心式空壓機工作流程

2 喘振機理

喘振是以離心式空壓機為代表的流體機械及配套管道中流體介質的周期振蕩，是空氣等流體介質受到規(guī)律性吸入及排出的激勵作用而產生的規(guī)律性低頻振動。喘振是離心式空壓機的常見問題之一。

2.1 離心式空壓機性能曲線[2]

根據(jù)工廠現(xiàn)場使用要求，常見離心式空壓機要是分為二級和三級兩種結構形式的空壓機，其排氣壓力可達0.25～1.2 MPa，排氣量可達30000 Nm3/h。不同型號及廠家所生產的離心式空壓機相關性能參數(shù)千差萬別。各離心式空壓機專業(yè)廠商會根據(jù)現(xiàn)場需求參數(shù)，相應地設計出具有一定特性的離心式空壓機，確保其安全、高效、可靠運行。

每一型號的離心式空壓機在不同轉速下對應一條排氣壓力P（或壓比ε）與流量Q 之間的曲線（圖2），每條曲線的最高點所對應的排氣量則為該離心式空壓機在該排氣壓力下的喘振最小流量Qmin。將全部喘振最小流量Qmin點（喘振點）擬合成一條曲線，這條曲線即為離心式空壓機喘振曲線。圖2 中左側稱為不穩(wěn)定工作區(qū)即喘振區(qū)，離心式空壓機在設計、制造及運行過程中，必須避免進入并遠離喘振區(qū)，并讓機組在兩條控制線之間的區(qū)域運行，避免機組發(fā)生喘振。

圖2 離心式空壓機性能曲線

2.2 喘振曲線

離心式空壓機的喘振曲線是以流量Q 為橫坐標，以排氣壓力（出口壓力）P 為縱坐標的拋物線。喘振曲線是根據(jù)出口壓力找出不同壓力條件對應的最小吸入空氣流量（Qmin）。但實際生產運行中，當出口小于實際的管道系統(tǒng)壓力時，壓縮空氣無法推開止回閥或單向閥，所以在實際生產過程中只需從管道系統(tǒng)壓力點開始到機組最大出力的喘振曲線即可。

防喘振控制線方程可表示為[3]：

式中 k——氣體絕熱指數(shù)

g——重力加速度

P1——進氣壓力

P2——出氣壓力

T——進氣溫度

Qv——空壓機進氣流量

R——特定氣體常數(shù)

α、b——與壓縮機性能相關的常數(shù)

根據(jù)防喘振控制線方程可以得出，該曲線為典型的拋物線，須控制好離心式空壓機流量和壓力的關系。離心式空壓機在出廠時或安裝調試時，通過喘振實驗，并將喘振實驗數(shù)據(jù)擬合成一條較為準確的喘振曲線（圖3）[4]以指導機組生產維護。

圖3 離心式空壓機喘振曲線

2.3 離心式空壓機喘振機理

離心式空壓機吸入空氣會隨外部條件的變化而發(fā)生改變。當外部溫度、過濾器壓差等變高或氣壓變低時，吸入空氣流量減少。當進入離心式空壓機吸口的空氣流量不斷減少至Qmin時，進入葉輪流道的氣流偏離設計工況，空氣進入葉輪的徑向速度變小，相對速度方向角速度ω 與葉片出口角速度ω1不一致而出現(xiàn)沖角i（圖4），與此同時，在葉片的非工作面（背面）氣流邊界層產生分離（旋轉分離）[5]。

圖4 離心式空壓機喘振機理

因為氣流分離是沿著葉輪旋轉的反方向不斷擴展，所以在葉道中會形成空氣漩渦，再從葉輪外沿返回至葉輪中心，產生空氣旋離或稱之為旋轉失速。發(fā)生空氣旋離時葉道中空氣流通不暢，級里壓力立即減小，導致排氣管內較高壓力的壓縮空氣倒流到級里，倒流回級里的壓縮空氣立即補充級里流量不足的氣體，使葉輪又恢復到正常工作狀態(tài)；葉輪重新再把倒流回來的空氣排出去，又再一次讓級里壓縮空氣流量減少，壓力再次突然下降，管道的高壓壓縮空氣又再一次倒流回級里；如此反復，在離心式空壓機中產生了周期性的壓縮空氣振蕩現(xiàn)象即離心式空壓機喘振。

2.4 影響離心式空壓機喘振的因素

2.4.1 流量

隨著離心式空壓機入口流量的減少，離心式空壓機的出口壓力逐漸增大，當達到該轉速n 最大出口壓力p 時，機組入口流量達到Qmin，進入喘振點工況。當機組入口流量繼續(xù)減少，離心式空壓機出口壓力也開始隨之減小，離心式空壓機隨即發(fā)生喘振（圖5）。根據(jù)防喘振控制線方程，離心式空壓機入口流量減少是機組發(fā)生喘振的根本原因之一，所以應盡量避免機組在小流量工況下長期運行。通常情況下，離心式空壓機運行最小入口流量不低于該機組設計流量的60%。

圖5 不同轉速壓力與流量的關系

2.4.2 入口壓力

離心式空壓機的入口壓力分別為P1、P2、P3且P1＞P2＞P3，在機組恒壓運行模式下，分別對應各自不同的壓力條件，當入口壓力依次逐漸降低，在喘振曲線上的喘振點也依次降低，機組對相應地越容易發(fā)生喘振（圖6）。在生產運行過程中，當入口過濾器壓差增大流量減少時，要及時清掃過濾器及濾筒，尤其是天氣炎熱的季節(jié)，以避免離心式空壓機發(fā)生喘振。

圖6 不同入口壓力的性能曲線

2.4.3 入口溫度

離心式空壓機在恒壓恒轉速模式下運行，機組在不同入口溫度下對應的性能曲線變化明顯（圖7）。從圖中可以看出，離心式空壓機在該模式下運行，其入口空氣溫度分別為-20 ℃、0 ℃、10 ℃。

圖7 不同入口溫度的性能曲線

隨著入口空氣溫度升高，在喘振曲線上的喘振點也依次降低，機組也越容易發(fā)生喘振。因此在相同工況下，同一臺離心式空壓機夏季比冬季更容易發(fā)生喘振。

2.4.4 轉速

從圖5 可以發(fā)現(xiàn)，在外部用氣負荷不變的前提下，離心式空壓機轉速分別為n1、n2、n3（n1＞n2＞n3），隨著機組隨轉速依次升高，其喘振曲線逐漸右移，機組就更可能發(fā)生喘振。同樣，當離心式空壓機突然從高轉速迅速進入低轉速時，由于機組各級進氣發(fā)生較大改變，在一定程度上改變了機組性能曲線，也容易引發(fā)機組喘振。通常我們所使用的離心式空壓機組均采用恒轉速運行，通過適量增加喘振裕量“快速”升降轉速，避免在開停機過程中發(fā)生喘振。

2.4.5 空壓機內部工況

隨著離心式空壓機運行時間的增加，機組可能出現(xiàn)擴壓器腐蝕磨損、葉輪與擴壓器（或渦殼）之間的間隙過大、葉輪磨損或結垢、冷卻器流道不暢等問題，均會導致離心式空壓機發(fā)生喘振。究其根本原因主要還是機組各級流量減少及壓力降低引發(fā)機組喘振。

2.4.6 外部配套管網(wǎng)性能

在離心式空壓機本身性能曲線沒有發(fā)生改變的情況下，外部配套管網(wǎng)性能曲線發(fā)生變化（曲線上移或變陡）也會引發(fā)機組喘振。比如將管網(wǎng)閥門關小，讓管網(wǎng)性能曲線變陡，讓離心式空壓機進入喘振區(qū)域運行（圖8）。最初離心式空壓機在A 工況點運行，后通過生產系統(tǒng)調整或其他原因，致使管網(wǎng)中的壓力大幅增大，管網(wǎng)曲線由2 移動至2′，機組本身性能曲線沒有發(fā)生較大改變，但機組實際工況點已移至A 點，導致機組發(fā)生喘振。

圖8 管網(wǎng)性能曲線變化

3 喘振特征及危害

離心式空壓機一旦發(fā)生喘振，機組和管網(wǎng)的運行狀態(tài)將發(fā)生迅速變化，會出現(xiàn)一些明顯的特征：①離心式空壓機級間進氣溫度大幅上升，而冷卻系統(tǒng)及設備均未發(fā)現(xiàn)故障；②離心式空壓機的電機電流產生大幅度波動，并隨著喘振強度的增加而逐漸增大；③機殼、轉子、軸承等發(fā)生強烈的振動，且振動不穩(wěn)定，時大時小，同時還會發(fā)出強烈、周期性的氣流聲，但喘振振動頻率較低；④離心式空壓機的出口壓力和入口流量產生大幅度周期性脈動，嚴重時還可能發(fā)生壓縮空氣倒流，造成機組嚴重損壞事故；⑤離心式空壓機和管網(wǎng)發(fā)生周期性的劇烈振動，并產生時高時低“轟轟”的異響。

離心式空壓機高速級轉速約30000 r/min，一旦發(fā)生喘振將對機組及管道危害極大，主要體現(xiàn)在以下5 個方面：①使轉子、葉輪、連接螺栓等發(fā)生嚴重變形、損壞；②使級間壓力失穩(wěn)從而引發(fā)強烈振動，導致氣封、油封、軸瓦、空氣冷卻器等損壞；③使運動部位和靜止部位相接觸或碰撞，機組可能發(fā)生嚴重設備事故；④使轉子組件發(fā)生動不平穩(wěn)，破壞整個轉子系統(tǒng)穩(wěn)定性；⑤使振動、溫度、流量等相關檢測儀表設備設施損壞。

4 P700-2250 型離心式空壓機喘振原因分析

4.1 設備主要情況及喘振過程

P 700-2250 型離心式空壓機機組在正常運行過程中，于在2022 年1 月4 日至1 月7 日間多次出現(xiàn)喘振，主要表現(xiàn)為振動突然增大、進氣溫度陡增，機組現(xiàn)場控制面板顯示機組發(fā)生喘振，保護停機。

4.2 機組檢查情況

通過機組分解檢測，發(fā)現(xiàn)冷卻器及其配套系統(tǒng)正常、轉瓦正常、轉子組件正常、潤滑系統(tǒng)正常、檢測設備正常；吸風過濾器積塵嚴重，葉輪與擴壓器間隙超0.7～0.9 mm，管網(wǎng)運行壓力有一個明顯上升過程，超過0.62 MPa。

4.3 喘振分析

由于3 號P 700-2250 型離心式空壓機于1 月初在正常運行狀態(tài)下突然多次發(fā)生喘振；同時每次喘振時，管網(wǎng)壓力均由0.52 MPa 升高至0.62 MPa，依據(jù)當?shù)卮藭r氣候及天氣狀況，可以排除因入口壓力、入口溫度、相對分子量、轉速等因素引發(fā)喘振。該機組喘振很可能由機組本身性能、入口流量和管網(wǎng)性能等發(fā)生改變而引發(fā)機組喘振。

4.3.1 空壓機自身性能改變

3 號P 700-2250 型離心式空壓機葉輪與擴壓器間隙達到0.7～0.9 mm，已遠超設計值0.5 mm，其內泄量大增加，各級排氣量及壓力均發(fā)生改變，導致其整機性能發(fā)生較大變化，其喘振曲線已變陡上移，防喘振裕量較設計值大幅減小（圖2），致使空壓機在排氣壓力上升過程中容易發(fā)生喘振，這也是該機組發(fā)生喘振的直接原因。

4.3.2 管網(wǎng)狀況改變對機組的影響

經(jīng)調取后臺記錄，3 號空壓機每次發(fā)生喘振時，管網(wǎng)壓力均有一個較大的波動，壓力由0.52 MPa 升高至0.62 MPa，在管網(wǎng)壓力超過0.62 MPa 時，機組隨即發(fā)生喘振。當管網(wǎng)壓力升高，導致管網(wǎng)性能曲線上移，實際工況點已移動至喘振區(qū)（圖8），進而機組發(fā)生喘振。由此可見，壓縮空氣用戶使用情況發(fā)生變化，導致管網(wǎng)壓力持續(xù)升高，是引發(fā)該機發(fā)生喘振外部原因。

4.3.3 入口流量變小對機組的影響

由于3 號空壓機沒有安裝單機排氣流量計，無從讀取單機流量，故以機組電流估算流量。該機額定排氣量215 N m3/min，額定電流為111 A，實際正常運行電流約100 A。機組發(fā)生喘振時電流約70 A，遠低于正常值，可以判定該機運行工況嚴重偏離設計工況。3 號機流量大幅減少，實際運行工況點非常接近喘振線，大幅減小了防喘振裕量，疊加管網(wǎng)壓力較大波動，管網(wǎng)性能曲線上移以及機組本身防喘振裕度減少，導致該機更容易發(fā)生喘振。

（1）吸風過濾器影響機組入口流量。吸風過濾器濾管積塵較多，加大了進氣阻力，增大了過濾器壓差，直接導致3 號空壓機入口流量大幅減少，進而導致該機組更容易發(fā)生喘振。

（2）葉輪間隙過大影響機組入口流量。3 號空壓機葉輪與擴壓器間隙設計值為0.5 mm，最大間隙不超過0.75 mm，經(jīng)過十幾年沖刷與磨損，其間隙已達0.7～0.9 mm，遠遠超過設計值，直接導致其級間內泄量增大、實際入口流量減少，該機組防喘振裕量減少。

5 對策

5.1 穩(wěn)定管網(wǎng)壓力

通過強化用戶管控，加強信息流通，及時調整管網(wǎng)壓力，減少管網(wǎng)壓力波動頻率及幅度，給機組營造一個良好的外部供氣條件。

5.2 清掃吸風過濾器

3 號P 700-2250 型離心式空壓機吸風過濾器濾管積塵嚴重，導致過濾器壓差變大，直接影響機組的吸入風量，引起機組喘振。因此對吸風過濾器濾管進行解體檢查，全面清掃其表面附著物及積塵，并用凈化后的壓縮空氣進行二次清掃，保證其表面干凈（圖9），盡量降低壓差、增加機組入口流量。

圖9 吸風過濾器濾清掃前后對比

5.3 調整葉輪間隙

通過鑲套方式，將渦殼內徑縮小，同時更新擴壓器，以調整葉輪與擴壓器間隙至0.50 ～0.55 mm，恢復機組級間壓力、流量及性能（圖10）。

圖10 渦殼內徑鑲套

6 結束語

通過優(yōu)化管網(wǎng)性能、增大機組入口流量及恢復機組原有性能，并順利完成3 臺P 700-2250 型離心式空壓機喘振實驗，得到其喘振曲線與原機組喘振曲線基本一致，現(xiàn)已平穩(wěn)運行近1 年，取得了良好的結果。

由于離心式空壓機在石化、冶煉、動力等各行業(yè)裝備數(shù)量眾多，其出廠時均完成排氣壓力、流量及喘振等相關實驗，隨使用時間的增長，機組自身特性也將隨之發(fā)生改變，加之配套系統(tǒng)的不斷“劣化”，導致離心式空壓機喘振成為常見故障之一。在日常使用過程中，離心式空壓機喘振絕大部分原因為葉輪間隙變大、吸風流量減少、管網(wǎng)波動、擴壓器及葉輪結垢磨損等。