離心壓縮機(jī)喘振、阻塞工況最讓人頭痛，怎么解決？
2021/02/22 6:21:06
介紹了離心壓縮機(jī)性能曲線基本概念，論述了離心壓縮機(jī)喘振、阻塞(Choke)機(jī)理、危害及判斷方法，并對離心壓縮機(jī)喘振影響因素（氣體密度、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量等參數(shù)）進(jìn)行了分析，為離心壓縮機(jī)安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。
離心壓縮機(jī)是速度型壓縮機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)周期長等特點，廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。離心壓縮機(jī)作為石油化工裝置的“心臟”設(shè)備，一旦發(fā)生故障，會導(dǎo)致裝置循環(huán)或停工，嚴(yán)重影響石化裝置生產(chǎn)安全。通過對離心壓縮機(jī)性能曲線和喘振特點進(jìn)行研究分析，提出了離心壓縮機(jī)操作過程中的注意事項，可為實現(xiàn)離心壓縮機(jī)安全運(yùn)行的目標(biāo)提供技術(shù)支撐。離心壓縮機(jī)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(jī)，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(jī)的性能曲線。典型的離心壓縮機(jī)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(jī)廠 56M91 機(jī)型離心壓縮機(jī)為例，對其性能曲線進(jìn)行分析。能量頭是指單位質(zhì)量的氣體經(jīng)過離心壓縮機(jī)壓縮后其蘊(yùn)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(jī)能量頭-流量曲線如圖 1 所示。由圖1可知，在離心壓縮機(jī)的操作區(qū)間內(nèi)能量頭和流量成反比，即離心壓縮機(jī)流量越大，能量頭越低。離心壓縮機(jī)的壓比和轉(zhuǎn)速固定，隨著流量的增加，壓縮機(jī)的出口壓力將增加，當(dāng)出口壓力達(dá)到一定程度之后，氣體在設(shè)備的某處達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?，或者雖然沒有達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?，壓縮機(jī)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(dāng)流量不斷減少時，壓縮機(jī)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(jī)的喘振點。○—5 560 r/min +—設(shè)計轉(zhuǎn)速5 295 r/min
△—4 888 r/min ◇—4 277 r/min
▲—喘振控制點 ◆—該壓縮機(jī)的性能保證點圖3 所示為壓縮機(jī)功率-流量曲線。通過離心壓縮機(jī)功率-流量曲線可看出：在固定轉(zhuǎn)速下，壓縮機(jī)功率隨流量增而增加，但是隨著壓縮機(jī)流量的進(jìn)一步增加，壓縮機(jī)的功率開始下降，這是因為損失的流量越過設(shè)計流量點之后隨著壓縮機(jī)流量的增加在不斷增加；壓縮機(jī)軸功率隨轉(zhuǎn)速增加而增大。在固定轉(zhuǎn)速條件下，離心壓縮機(jī)在某一流量下圖 3 離心壓縮機(jī)功率-流量曲線有效率最高點。這是因為在流量點時，壓縮機(jī)的沖擊損失最小，而隨著流量增大或者減小，壓縮機(jī)的沖擊損失都會增加，如圖 4 所示。（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(jī)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(shè)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(jī)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(shè)置在葉輪后的彎道和擴(kuò)壓器進(jìn)一步降速增壓，從而使氣體部分動能轉(zhuǎn)化為壓力能。當(dāng)離心壓縮機(jī)進(jìn)口流量減小時，葉輪工作面處會產(chǎn)生邊界層的分離，導(dǎo)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(jī)出口壓力將降低；如果壓縮機(jī)進(jìn)口流量進(jìn)一步減小，葉輪處的旋轉(zhuǎn)脫離氣體團(tuán)將會堵塞葉道，壓縮機(jī)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(jī)，倒流氣體補(bǔ)充了壓縮機(jī)級流量不足，葉輪恢復(fù)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(fù)始，在整個壓縮機(jī)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(jī)流量增大到一定程度時，氣流的負(fù)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(kuò)大，壓縮機(jī)達(dá)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(jī)在給定速度下能承受的最大流量。阻塞情況通常對壓縮機(jī)有害，但沒有喘振對壓縮機(jī)傷害大。離心壓縮機(jī)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(jī)喘振工況區(qū)，壓縮機(jī)在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)行將發(fā)生喘振。阻塞線右側(cè)區(qū)域為壓縮機(jī)阻塞工況區(qū)，壓縮機(jī)在該區(qū)域運(yùn)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(jī)可安全運(yùn)行的區(qū)域。離心壓縮機(jī)發(fā)生喘振將會使機(jī)組產(chǎn)生劇烈震動，機(jī)器噪音增大，甚至損壞離心壓縮機(jī)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(jìn)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(jī)體發(fā)出刺耳聲音（喘振嚴(yán)重時）。離心壓縮機(jī)運(yùn)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(jī)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(jī)各參數(shù)對壓縮機(jī)喘振的影響進(jìn)行分析。2.5.1 轉(zhuǎn)速對壓縮機(jī)喘振影響若壓縮機(jī)的壓比不變，提高壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，壓縮機(jī)的入口流量會增大。如果壓縮機(jī)處于出入口壓力穩(wěn)定的管網(wǎng)情況，而壓縮機(jī)工作點靠近喘振點時，可以通過提高轉(zhuǎn)速來使工作點遠(yuǎn)離喘振點，這是確保制冷壓縮機(jī)機(jī)組啟動的時候離開喘振區(qū)間的常用方式。壓縮機(jī)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。眾所周知，離心壓縮機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)實際工作點左移，機(jī)組則容易發(fā)生喘振。2.5.4 壓縮機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)離心壓縮機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)（溫度、壓力、密度）改變會使壓縮機(jī)的性能曲線和喘振點發(fā)生變化，壓縮機(jī)對氣體的理論能頭為：式中：H——壓縮機(jī)能頭；
Z——壓縮因子；
R——?dú)怏w常量；
Ts——進(jìn)氣溫度；
r——壓縮比；
M——多變指數(shù)。
對于壓縮機(jī)指定氣體的壓縮機(jī)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(jī)在定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，壓縮機(jī)功率P 和壓縮比 r 不變，若壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度Ts 升高，則壓縮機(jī)理論能頭H 增大，根據(jù)P=H×Q，壓縮機(jī)入口流量減小，壓縮機(jī)喘振可能增大，所以壓縮機(jī)在恒壓下運(yùn)行，氣體溫度越高，越容易發(fā)生喘振。
對于指定氣體的壓縮機(jī)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(jī)在定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，壓縮機(jī)功率和入口溫度不變，若壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力降低，則壓縮機(jī)壓比 r增大，壓縮機(jī)理論能頭H 增大，根據(jù) P=H×Q，壓縮機(jī)入口流量減小，壓縮機(jī)喘振可能增大，所以壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力越低，越容易發(fā)生喘振。
若壓縮機(jī)在定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，壓縮機(jī)功率、入口溫度不變和壓縮機(jī)壓比不變，若壓縮機(jī)壓縮的氣體組分變輕（分子量變?。?，則壓縮機(jī)氣體常數(shù)變大，壓縮機(jī)理論能頭H 增大，根據(jù) P=H×Q，壓縮機(jī)入口流量減小，壓縮機(jī)喘振可能增大，所以壓縮機(jī)壓縮氣體分子量變小，容易發(fā)生喘振。
（1）離心壓縮機(jī)壓縮不同氣體時的特性曲線并不相同，了解壓縮機(jī)性能曲線對壓縮機(jī)的選型和操作有重要意義。
（2）離心壓縮機(jī)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(jī)正常運(yùn)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?。菀装l(fā)生喘振。
（5）壓縮機(jī)壓比不變的情況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越低，越容易發(fā)生喘振。
