離心式壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象與調(diào)節(jié)方法

1、離心式壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象與調(diào)節(jié)方法一、什么是喘振喘振是離心式壓縮機(jī)的一種特有的異常工作現(xiàn)象，歸根揭底是由旋轉(zhuǎn)失速引起的，氣體 的連續(xù)性受到破壞，其顯著特征是：流量大幅度下降，壓縮機(jī)出口排氣量顯著下降；出口壓 力波動(dòng)較大，壓力表的指針來(lái)回?cái)[動(dòng)；機(jī)組發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)并伴有間斷的低沉的吼聲，好像人 在干咳一般。判斷是否發(fā)生喘振除了憑人的感覺(jué)以外，還可以根據(jù)儀表和運(yùn)行參數(shù)配合性能 曲線查出。壓縮機(jī)發(fā)生喘振的原因：由于某些原因?qū)е聣嚎s機(jī)入口流量減小，當(dāng)減小到一定程度時(shí)， 整個(gè)擴(kuò)壓器流道中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)失速，壓縮機(jī)出口壓力突然下降，當(dāng)與壓縮機(jī)出口相連 的管網(wǎng)的壓力高于壓縮機(jī)的出口壓力時(shí)，管網(wǎng)的氣流倒流回壓縮機(jī)，

2、直到管網(wǎng)的壓力下降到 比壓縮機(jī)的出口壓力低時(shí)，壓縮機(jī)才重新開始向管網(wǎng)排氣，此時(shí)壓縮機(jī)恢復(fù)到正常狀態(tài)。當(dāng) 管網(wǎng)壓力恢復(fù)到正常壓力時(shí)，如果壓縮機(jī)入口流量依然小于產(chǎn)生喘振工況的最小流量，壓縮 機(jī)擴(kuò)壓器流道中又產(chǎn)生嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)失速，壓縮機(jī)出口壓力再次下降，管網(wǎng)壓力大于壓縮機(jī)排 氣壓力，管網(wǎng)中的氣流再次倒流回壓縮機(jī)，如此不斷循環(huán)，壓縮機(jī)系統(tǒng)中產(chǎn)生了一種周期性 的氣流喘振現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱之為“喘振”。二、離心式壓縮機(jī)特性曲線對(duì)于一定的氣體而言，在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，每一流量都對(duì)應(yīng)一個(gè)壓力，把不同流量下 對(duì)應(yīng)的每一個(gè)壓力連成一條曲線，即為壓縮機(jī)的性能曲線。如圖1所示，對(duì)每一種轉(zhuǎn)速，都可以用一條曲線描述壓縮機(jī)入

3、口流量Q1與壓縮比P2/P1 的關(guān)系（P2、P1分別為壓縮機(jī)出口絕對(duì)壓力和入口絕對(duì)壓力）。圖1為離心式壓縮機(jī)特性曲線壓縮機(jī)特性線是壓縮機(jī)變動(dòng)工況性能的圖像表示，它清晰地表明了各種工況下的性能、 穩(wěn)定工作范圍等，是操作運(yùn)行、分析變工況性能的重要依據(jù)。（1）轉(zhuǎn)速一定，流量減少，壓力比增加，起先增加很快，當(dāng)流量減少到一定值開始， 壓比增加的速度放慢，有的壓縮機(jī)級(jí)的特性壓比隨流量減少甚至還要減少。（2）流量進(jìn)一步減少，壓縮機(jī)的工作會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，氣流出現(xiàn)脈動(dòng)，振動(dòng)加劇，伴隨 著吼叫聲，這個(gè)現(xiàn)象稱為喘振現(xiàn)象，這個(gè)最小流量稱為喘振流量。每個(gè)轉(zhuǎn)速下都有一個(gè)喘振 流量，不同轉(zhuǎn)速下喘振流量工況點(diǎn)的連線稱為喘振線。

4、在喘振線左側(cè)為非穩(wěn)定工作區(qū)，而右 側(cè)為穩(wěn)定工作區(qū)。一般來(lái)說(shuō)，單級(jí)工業(yè)離心式壓縮機(jī)的額定轉(zhuǎn)速線下的喘振流量約為額定流 量的50%，多級(jí)離心式壓縮機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的喘振流量一般為額定流量的7080%。喘振工 況是小流量下的一種壓縮機(jī)不穩(wěn)定狀況，不僅與壓縮機(jī)級(jí)的設(shè)計(jì)導(dǎo)致的旋轉(zhuǎn)失速有關(guān)，還與 外管網(wǎng)有關(guān)。（3）在增大流量時(shí)也會(huì)有限制，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，流量加大到某個(gè)最大值時(shí)，壓 比和效率垂直下降，出現(xiàn)所謂“阻塞現(xiàn)象”。阻塞工況也稱作最大流量工況，造成這種工況有兩種可能。第一：級(jí)中流道中某喉部處氣流達(dá)到臨界狀態(tài)，這時(shí)氣體的容積流量已是最大 值，在壓縮機(jī)內(nèi)流道中某個(gè)截面出現(xiàn)聲速，任憑壓縮機(jī)背壓再降低，流量也

5、不可能再增加， 進(jìn)一步加大流量成為不可能。第二，流量增加，損失增加太多，流道內(nèi)并未達(dá)到臨界狀態(tài)， 即尚未出現(xiàn)“阻塞”工況，但壓縮機(jī)在偌大的流量下，機(jī)內(nèi)流動(dòng)損失很大，所能提供的排氣壓 力很小，幾乎接近零能頭，葉輪對(duì)氣體做的功僅夠用來(lái)克服排氣管的流動(dòng)阻力以維持這樣大 的流量，而不能提高氣體的壓力，繼續(xù)增加流量，壓縮機(jī)將在“膨脹狀態(tài)”下工作。（4）轉(zhuǎn)速越高，特性線越陡，這主要是由于轉(zhuǎn)速高，氣流馬赫數(shù)就高。因而流量變化 引起的損失增加就大，從而使得特性線變陡。（5）多級(jí)壓縮機(jī)特性線比單級(jí)特性線陡，同理，壓縮機(jī)段的特性線疊加后得到整機(jī)特 性線要比段的特性線陡，穩(wěn)定工作范圍小。三、離心式壓縮機(jī)的防喘振線從

6、圖1中可見(jiàn)，在轉(zhuǎn)速不變的條件下，隨流量的變化，P2/P1有一個(gè)最高點(diǎn)，將不同轉(zhuǎn) 速下的最高點(diǎn)連接起來(lái)可以得到一條曲線，稱為喘振線（圖中虛線）。虛線左邊的陰影部分 不是穩(wěn)定區(qū)，稱為喘振區(qū)，虛線右邊為穩(wěn)定區(qū)，稱為正常工作區(qū)或安全區(qū)。在不同的轉(zhuǎn)速下，最高點(diǎn)的軌跡近似于一條拋物線，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及理論分析，如果將 P2/P1與Q12/T1標(biāo)繪，喘振點(diǎn)的軌跡可大體上近似一條直線，因此可寫出防喘振控制響應(yīng)曲 線公式如下：P2/P1=a+b（Q12/T1）式中：P2為壓縮機(jī)出口壓力，P1為壓縮機(jī)入口壓力，Q1為壓縮機(jī)入口流量，T1為壓縮 機(jī)入口溫度，a、b為系數(shù)。如果P2/P1大于a+b（Q12/T1），X況

7、是安全的，如果P2/P1大于a+b（Q12/T1），則工況是危 險(xiǎn)的。四、管網(wǎng)特性曲線所謂管網(wǎng)，一般是指與壓縮機(jī)連接的進(jìn)氣管路，排氣管路以及這些管路上的附件及設(shè)備 的總稱。但對(duì)離心式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，管網(wǎng)只是指壓縮機(jī)后面的管路及全部裝置。這樣規(guī)定后， 在研究壓縮機(jī)與其管網(wǎng)的關(guān)系時(shí)就可以避開壓縮機(jī)的進(jìn)氣條件將隨工況變化的問(wèn)題，使問(wèn)題 得到簡(jiǎn)化。圖2左側(cè)是壓縮機(jī)與排氣系統(tǒng)中第一個(gè)設(shè)備相連的示意圖，排氣管上有調(diào)整閥門。P=Pr+AQP=Pr_4v Fr/飾 /管網(wǎng)特性曲線公式：PR= Pr+AQ2式中，PR位壓縮機(jī)出口壓力，Pr為容器中氣體壓力；Q為管網(wǎng)的體積流量；A為管道 阻力計(jì)算系數(shù)。將上式表示在右側(cè)

8、圖上，即為一條二次曲線，它是管網(wǎng)端壓與進(jìn)氣量的關(guān)系 曲線，稱為管網(wǎng)性能曲線。管網(wǎng)性能曲線實(shí)際上相當(dāng)于管網(wǎng)的阻力曲線，此曲線的形狀與容 器的壓力及通過(guò)管路的阻力有關(guān)。A、當(dāng)從壓縮機(jī)到容器的管網(wǎng)很短、閥門全開，因而阻力損失很小時(shí)，管網(wǎng)特性曲線幾 乎是一水平線如線1。B、當(dāng)管路很長(zhǎng)或閥門關(guān)小時(shí)，阻力損失增大，管網(wǎng)性能曲線的斜率增加，于是變成線2所示。閥門開度愈小，曲線變得愈陡，如線3。C、如果容器中壓力下降，則管網(wǎng)性能曲線將向下平移；當(dāng)Pr為常壓時(shí)，管網(wǎng)性能曲 線就是線4。（比如放空或者開防喘振線）可見(jiàn)管網(wǎng)的性能曲線是隨管網(wǎng)的壓力和阻力的變化而變化的。五、離心式壓縮機(jī)和管網(wǎng)的聯(lián)合運(yùn)行離心壓縮機(jī)在使用

9、時(shí)，總是和其他設(shè)備管道聯(lián)系起來(lái)，和驅(qū)動(dòng)機(jī)用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接起來(lái), 構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)。離心式壓縮機(jī)工作點(diǎn)：把壓縮機(jī)的性能曲線PK-Qj同管路特性曲線 Pe-Qj畫在同一坐標(biāo)上，橫軸以Qj表示，縱軸以壓力P表示，則兩曲線的交點(diǎn)A即為壓縮 機(jī)的工作點(diǎn)。下圖是離心壓縮機(jī)工作點(diǎn)示意圖（圖中用質(zhì)量流量G代替容積流量），圖中線 1為壓縮機(jī)性能曲線，線2為管網(wǎng)性能曲線。當(dāng)離心壓縮機(jī)向管網(wǎng)中輸送氣體時(shí)，如果氣體流量和排出壓力都相當(dāng)穩(wěn)定（即波動(dòng)甚 ?。@就是表明壓縮機(jī)和管網(wǎng)的性能協(xié)調(diào)，處于穩(wěn)定操作狀態(tài)。這個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)具有兩個(gè) 條件:一是壓縮機(jī)的排氣量等于管網(wǎng)的進(jìn)氣量;二是壓縮機(jī)提供的排壓等于管網(wǎng)需要的端壓。 所以

10、這個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)一定是壓縮機(jī)性能曲線和管網(wǎng)性能曲線交點(diǎn)，因?yàn)檫@個(gè)交點(diǎn)符合上述兩 個(gè)相關(guān)條件。離心壓縮機(jī)究竟在哪個(gè)工況下穩(wěn)定運(yùn)行，顯然不僅取決于離心壓縮機(jī)本身的性能，而且 還取決于管網(wǎng)的特性。改變壓縮機(jī)運(yùn)行工況是由于壓縮機(jī)本身（驅(qū)動(dòng)機(jī)根據(jù)壓縮機(jī)的需要隨 時(shí)與之相適應(yīng)）和管網(wǎng)性能共同決定，因此，壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)方法原則上講既可以借助改變壓 縮機(jī)的特性線，又可以借助改變管網(wǎng)的特性線或者兩者同時(shí)改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。六、離心式壓縮機(jī)喘振原因分析1、喘振的實(shí)質(zhì)喘振又叫“飛動(dòng)”，是離心壓縮機(jī)的實(shí)際工作流量到一定程度時(shí)，氣流進(jìn)入葉片的方向與 葉片進(jìn)口角度不一致，即沖角i0，這時(shí)在葉片的非工作面產(chǎn)生氣體分離（旋轉(zhuǎn)分離）。（a

11、）心（b）0（c） iH作點(diǎn)，超過(guò)了要求的負(fù)荷量，管路系統(tǒng)壓力被逼高。若能 迅速將負(fù)荷控制在相應(yīng)值Qe，系統(tǒng)可以穩(wěn)定下來(lái)，否則將經(jīng)過(guò)A點(diǎn)到工作點(diǎn)到B點(diǎn)到C點(diǎn) 到D點(diǎn)。不斷重復(fù)上述循環(huán)，就回發(fā)生壓縮機(jī)喘振。3、引起喘振的因素當(dāng)壓縮機(jī)的性能曲線與管網(wǎng)性能曲線兩者或兩者之一發(fā)生變化時(shí)，交點(diǎn)就要變動(dòng)，也就 是說(shuō)壓縮機(jī)的工況將有變化，從而出現(xiàn)變工況操作。離心壓縮機(jī)的變工況有時(shí)并不是在人們 有意識(shí)的直接控制下(例如調(diào)節(jié)閥門等)發(fā)生的，而是間接地接受到生產(chǎn)系統(tǒng)乃至驅(qū)動(dòng)機(jī)的 意外干擾而發(fā)生。A、壓縮機(jī)特性曲線改變以上5種情況都是因壓縮機(jī)性能曲線下移而導(dǎo)致喘振的，管網(wǎng)性能并未改變。流量從圖中可以看出，隨著流量的

12、減少，壓縮機(jī)的出口壓力逐漸增大，當(dāng)達(dá)到該轉(zhuǎn)速下最大 出口壓力時(shí)，機(jī)組進(jìn)入喘振區(qū)，壓縮機(jī)出口壓力開始減小，流量也隨之減小，壓縮機(jī)發(fā)生喘 振。從曲線可看出，流量減小是發(fā)生喘振的根本原因，在實(shí)際生產(chǎn)中盡量避免壓縮機(jī)在小流 量的工況下運(yùn)行。一般認(rèn)為，壓縮機(jī)在最小流量下應(yīng)低于設(shè)計(jì)流量60%。入口壓力如圖所示，壓縮機(jī)的入口壓力P1P2P3，在壓縮機(jī)恒壓的運(yùn)行工況下，入口壓力越低， 工作點(diǎn)駝峰越近，壓縮機(jī)越容易發(fā)生喘振，這也是入口過(guò)濾器壓差增大時(shí)，要及時(shí)更換濾網(wǎng)的原因。丙烯一車間空壓機(jī)入口導(dǎo)葉限流降壓就是此原理。（3）入口溫度如圖所示，恒壓恒轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的離心式壓縮機(jī)在不同入口氣體溫度時(shí)的運(yùn)行曲線，從曲 線上

13、可以看出在恒壓運(yùn)行工況下，氣體入口溫度越高，越容易發(fā)生喘振。因此，對(duì)同一臺(tái)離心式壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，夏季比冬季更容易發(fā)生喘振（4）轉(zhuǎn)速透平式驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)，往往根據(jù)外界不同流量要求而運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)速下，從圖可以知道， 在外界用氣量一定的情況下，轉(zhuǎn)速越高，越容易發(fā)生喘振。壓縮機(jī)突然從高轉(zhuǎn)速跌至低轉(zhuǎn)速時(shí)，也會(huì)引起喘振。（5）氣體相對(duì)分子質(zhì)量如圖所示，離心壓縮機(jī)在相同轉(zhuǎn)速、不同相對(duì)分子質(zhì)量下恒壓運(yùn)行的曲線，從曲線中可 以看出，在恒壓運(yùn)行條件下，當(dāng)相對(duì)分子質(zhì)量M=20的氣體發(fā)生喘振時(shí)，相對(duì)分子質(zhì)量為 M=25和M=28的氣體運(yùn)行點(diǎn)還遠(yuǎn)離喘振區(qū)。因此，在恒壓運(yùn)行工況下，相對(duì)分子質(zhì)量越小， 越容易發(fā)生喘振。B、管網(wǎng)特

14、性曲線改變某壓縮機(jī)原在A點(diǎn)工作，后來(lái)因?yàn)樯a(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定，管網(wǎng)中壓力大幅度上升，管 網(wǎng)性能曲線由2上移到線2（此時(shí)壓縮機(jī)的性能曲線未變），于是壓縮機(jī)出現(xiàn)了喘振。還有一種類似情況就是當(dāng)把排氣管閥門關(guān)得太小時(shí)，管網(wǎng)性能曲線變陡，一旦使壓縮機(jī) 的工作點(diǎn)落入喘振區(qū)，喘振就突然發(fā)生。C、壓縮機(jī)特性曲線和管網(wǎng)特性曲線同時(shí)改變譬如說(shuō)在離心壓縮機(jī)開車過(guò)程（升速和升壓）和停車過(guò)程（降速和降壓）中，兩種性能 曲線都在逐漸變化，改變轉(zhuǎn)速就是改變壓縮機(jī)性能曲線，使系統(tǒng)中升壓或降壓就是改變管網(wǎng) 性能曲線，只要最終結(jié)果是兩曲線的交點(diǎn)落在喘振區(qū)內(nèi)，就會(huì)突然出現(xiàn)喘振。在操作中必須 隨時(shí)注意使兩者協(xié)調(diào)變化，才能保證壓縮機(jī)總在

15、穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)工作。七、防止喘振的措施出現(xiàn)喘振的原因是壓縮機(jī)的流量過(guò)小，小于壓縮機(jī)的最小流量，或者管網(wǎng)的壓力高于壓 縮機(jī)所提供的排壓，造成氣體倒流，產(chǎn)生大幅度的氣流脈動(dòng)。對(duì)流量過(guò)小引發(fā)的喘振來(lái)說(shuō)，最直接最有效的方法就是打開防喘振控制閥，增加壓縮機(jī) 流量。壓縮機(jī)出口壓力與管網(wǎng)不匹配引發(fā)的喘振，多見(jiàn)于壓縮機(jī)的開停車操作中。在開車時(shí)， 應(yīng)該是先升速后升壓；在停車時(shí)，應(yīng)該是先降壓后降速。常用措施：a、將一部分氣體經(jīng)壓縮機(jī)出口閥放空。此法浪費(fèi)大，且只能用于空壓機(jī)、氮壓機(jī)、CO2 壓縮機(jī)等無(wú)毒性氣體。b、將部分氣體由旁路送往壓縮機(jī)吸入段。廣泛采用，多采用帶溫度調(diào)節(jié)的防喘振線， 并配備防喘振控制系統(tǒng)。c、轉(zhuǎn)動(dòng)

16、進(jìn)口導(dǎo)葉，轉(zhuǎn)動(dòng)擴(kuò)壓器葉片或者調(diào)速等調(diào)節(jié)方法。d、設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使壓縮機(jī)有較寬的穩(wěn)定工作區(qū)域，設(shè)計(jì)先進(jìn)的防喘振控制系統(tǒng)。八、離心式壓縮機(jī)調(diào)節(jié)方法網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合工作時(shí)，一般要求平衡工作點(diǎn)就是壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)。但是在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中， 由于用戶的要求可能有變動(dòng)，例如要求氣體的流量或者壓力有所增減，這時(shí)就需要改變壓縮 機(jī)的性能曲線，移動(dòng)工作點(diǎn)。這種改變壓縮機(jī)或管網(wǎng)性能曲線的位置，以適應(yīng)新的工作要求 的方法就叫做調(diào)節(jié)。離心壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)要適應(yīng)管網(wǎng)的要求，一般來(lái)說(shuō)管網(wǎng)的要求可以分為三大類：其一，流量改變但要求氣體壓力維持不變，滿足這類要求的調(diào)節(jié)常稱為定壓調(diào)節(jié)；其二，壓力改變時(shí)，流量維持不變，這類調(diào)節(jié)常稱為定量調(diào)節(jié)；

17、其三，壓力和流量按一定規(guī)律變化。根據(jù)用戶的要求不同，按調(diào)節(jié)的任務(wù)可分為：（1）等壓力調(diào)節(jié)：改變壓縮機(jī)的流量而壓力保持不變；（2）等流量調(diào)節(jié)：改變壓縮機(jī)的壓力而流量保持不變；（3）比例調(diào)節(jié)：保證壓力比例不變，或保證所壓送的兩種氣體的體積流量百分比不變。離心式壓縮機(jī)調(diào)節(jié)的方法一般有下列幾種：（1）壓縮機(jī)出口節(jié)流；（2）壓縮機(jī)進(jìn)口節(jié)流；（3）采用可轉(zhuǎn)動(dòng)的進(jìn)口導(dǎo)葉；（4）采用可轉(zhuǎn)動(dòng)的擴(kuò)壓器葉片；改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。目前大型離心式壓縮機(jī)都采用汽輪機(jī)或者變頻電機(jī)拖動(dòng)，這樣，就可以很方便地滿足轉(zhuǎn) 速改變的要求。改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)方法，經(jīng)濟(jì)性最好，調(diào)節(jié)范圍寬。它最適合由蒸汽汽輪機(jī)、 燃?xì)廨啓C(jī)、變頻電機(jī)作原動(dòng)機(jī)的

18、情況。變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)并不引起其他附加損失，只是調(diào)節(jié)后的新 工況點(diǎn)不一定是最高效率點(diǎn)導(dǎo)致效率有些降低而已。所以從節(jié)能角度考慮，這是一種經(jīng)濟(jì)的 調(diào)節(jié)方法。而運(yùn)用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的方法大都運(yùn)用在工作點(diǎn)離喘振線還有一定距離時(shí)采用。因此， 當(dāng)壓縮機(jī)工作點(diǎn)在穩(wěn)定工作區(qū)，根據(jù)壓縮機(jī)出口壓力，進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，可以達(dá)到節(jié)能 的目的。進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié)方法，既在壓縮機(jī)進(jìn)口管上安裝調(diào)節(jié)閥，通過(guò)入口調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn) 氣壓力。進(jìn)氣壓力的降低直接影響到壓縮機(jī)排氣壓力，使壓縮機(jī)性能曲線下移，所以進(jìn)口調(diào) 節(jié)的結(jié)果實(shí)際上是改變了壓縮機(jī)的性能曲線，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。和出口節(jié)流法相比，進(jìn) 口節(jié)流調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)性較好，據(jù)有關(guān)資料介紹，對(duì)某壓縮機(jī)進(jìn)行測(cè)試表明：在流量變化為60 80 %的范圍內(nèi)，進(jìn)口節(jié)流比出口節(jié)流節(jié)省功率約為45%。所以