對離心式壓縮機防喘振的控制研究

摘 要：針對離心壓縮機發生的喘振現象，從喘振的原理和危害進行研究，介紹了固定極限流量法、變極限流量法和變頻調速法這三種防喘振的控制方法，并對其進行了分析，最終得出了使用變頻器、調節閥和旁路回流三種方法配合使用的最佳控制系統。

關鍵詞：離心式壓縮機；防喘振；控制方案

引言

離心式壓縮機在石油化工及機械加工領域應用十分廣泛，以其流量大、轉速高、結構緊湊、運轉可靠等優點，在工業生產中一直倍受青睞。但是在離心式壓縮機的運行過程中也存在一些缺陷，如易發生喘振現象等。喘振現象會危及壓縮機的使用安全，因此在實際生產中，我們要避免喘振工況的發生。

1 離心式壓縮機產生喘振的原因分析

下圖1為離心式壓縮機的工作特性曲線，n1，n2，n3分別代表不同的轉速，Q1為壓縮機入口流量，P是壓力。每一種轉速都有一條工況線來描述入口流量與壓縮比的關系，壓縮比用P2/P1表示，其中P1是入口的絕對壓力，P2是出口的絕對壓力。

由圖1可知：在定轉速情況下，隨著流量Q1的變化，壓縮比P2/P1有極大值。將每一種轉速下P2/P1的極大值連接起來得到一條光滑的曲線，這條曲線就成為喘振曲線（即圖1中虛線）。虛線的左上半部陰影區域為喘振區，右下半部為正常工作區。工況處于正常工作區的壓縮機能夠穩定工作[1]。

當壓縮機的工作點位于P2/P1極大值的右側時，減少流量能夠提高P2/P1的值，反之，則會降低壓縮比。設正常工作的轉速為圖1中的n2，此時流量為QA，若存在輕微擾動使流量QA減少，則P2/P1值變大，即P2變大，壓縮機會增大排出量使之回到穩定流狀態。若氣體的流量QA繼續減小，直至工作點位于喘振區內，此時P2/P1值下降，即P2變小，出口壓力P2的減小會使排出量減小，排出量又會導致P2繼續減小，如此惡性循環，最終導致管網壓力大于壓縮機所提供的壓力，發生倒流現象。倒流后壓縮機又回到正常工作狀態，如此反復，就產生了喘振現象。

2 喘振現象造成的危害

當喘振現象發生時，會對壓縮機造成許多危害。第一，壓縮機的工作狀況極不穩定。在喘振工況下，流量、排氣壓力等參數都出現劇烈的波動，振幅較大而且頻率低，若喘振嚴重，甚至導致氣體倒流現象。第二，喘振會使壓縮機的密封件受損。喘振發生時伴有強烈的振動和噪音[2]，若不及時采取相應的措施，強烈的振動會導致密封件受損，密封失效。第三，喘振發生后將會使得各零部件的位置發生偏移，間隙值加大或減小，嚴重的將會使軸變形、發生扭曲等現象，破壞壓縮機的安裝質量，造成儀表失靈。

3 防喘振控制

3.1 固定極限流量法防喘振

由圖1可知，只要使得流量大于喘振區的臨界流量就不會產生喘振現象，因此固定極限流量法的原理是在相應轉速下使極限流量大于臨界流量QP，避免進入喘振區。一般采用閉路循環法控制流量。圖2是閉路循環的結構圖。FT是利用差壓的原理監測入口流量；FC是調節器，接受FT的信號并輸出控制信號到旁路調節閥。當FT檢測到入口流量降低，則FC的輸出信號減弱，調節閥開度增大，促使流量增加。通過這種調節使得入口流量始終大于喘振臨界流量，從而防止喘振。為節約能源，入口流量大于臨界流量的5-7%。

固定極限流量法一般用在轉速固定的條件下，他的優點是控制方案簡單、投資少、系統運行可靠安全。閉路循環調節法雖然簡單易行，但是它會使得壓縮機處于非工況狀態下，特別是當轉速減小或者增大時。同時由于模擬信號的延遲效應，對非線性的喘振現象不好控制。為了克服這些缺點，現在一般采用對流量、壓力和溫度三參數控制，使壓縮機達到最佳的流量。

3.2 可變極限流量法防喘振

可變極限流量法常用在壓縮機流量經常變動的情況下，通過改變壓縮機轉速的方法使壓縮機工況處于喘振區以外。由于壓縮機的喘振流量隨著轉速的變化而變化，所以可以通過改變轉速使入口流量高于喘振極限流量[3]。

氣體的壓縮功見公式（1）：

hpol-多變壓縮功；m-多變指數；T1-進氣溫度；p1、p2-進、排氣壓力；R-氣體常數。

由公式（1）可知，進、排氣壓力、氣體分子量、進氣溫度都會對壓縮功造成影響，使壓縮機性能變化。

變極限流量法使壓縮機在不同的工況下自動改變FC的設定值，使安全裕量保持定值。如圖1，當流量由QP變化到QA時，可以調節轉速從n3到n2，使安全裕量保持定值，這樣既可防止發生喘振，又可節約能源。

3.3 變頻器調速法防喘振

使用變頻器也能對壓縮機進行調速，其優點是：在壓縮機啟動時不會對電網造成沖擊，同時大大降低了壓縮機因變速造成的能耗損失。當壓縮機啟動時所需負荷最大，PLC接收到相關信號后，輸出控制信號使變頻器頻率增大，實現壓縮機的快速啟動。運行至正常工況后，壓縮機所需負荷降低，PLC輸出控制信號使變頻器頻率降低，從而降低壓縮機轉速。變頻器相對于變速齒輪能夠節電20-30%左右。但是當變頻器頻率過低、壓縮機轉速過小時能耗反而上升。將變頻器與調節閥和變極限流量法配合使用可以獲得更好的調節效果。

4 結束語

大型氣體離心壓縮機在化工企業中居于核心設備的地位，一旦出現故障或者損壞會對企業造成巨大的經濟損失。由于喘振的嚴重危害，防止喘振或抑制喘振是一項長期的研究課題。通過固定極限流量法、變極限流量法和變頻調速法防止喘振已經得到了十分廣泛的應用。影響喘振的因素很多，還要對喘振的機理進行更加深刻的研究，及早發現喘振的先兆并加以控制才能避免喘振的發生，保證壓縮機的長期安全可靠運行。

參考文獻

[1]李文華，鐘瑞興.離心壓縮機性能預測方案探討[J].壓縮機技術，2007（5）.

[2]薦保志.離心式壓縮機喘振分析及解決措施[J].中小企業管理與科技，2009（10）.

[3]何龍，張瑞妍.離心式壓縮機防喘振研究[J].壓縮機技術，2009（5）.

作者簡介：韓強（1982.12-）男，漢族，山東滕州人，助理工程師，學士，研究方向：化工行業動設備。endprint

摘 要：針對離心壓縮機發生的喘振現象，從喘振的原理和危害進行研究，介紹了固定極限流量法、變極限流量法和變頻調速法這三種防喘振的控制方法，并對其進行了分析，最終得出了使用變頻器、調節閥和旁路回流三種方法配合使用的最佳控制系統。

關鍵詞：離心式壓縮機；防喘振；控制方案

引言

離心式壓縮機在石油化工及機械加工領域應用十分廣泛，以其流量大、轉速高、結構緊湊、運轉可靠等優點，在工業生產中一直倍受青睞。但是在離心式壓縮機的運行過程中也存在一些缺陷，如易發生喘振現象等。喘振現象會危及壓縮機的使用安全，因此在實際生產中，我們要避免喘振工況的發生。

1 離心式壓縮機產生喘振的原因分析

下圖1為離心式壓縮機的工作特性曲線，n1，n2，n3分別代表不同的轉速，Q1為壓縮機入口流量，P是壓力。每一種轉速都有一條工況線來描述入口流量與壓縮比的關系，壓縮比用P2/P1表示，其中P1是入口的絕對壓力，P2是出口的絕對壓力。

由圖1可知：在定轉速情況下，隨著流量Q1的變化，壓縮比P2/P1有極大值。將每一種轉速下P2/P1的極大值連接起來得到一條光滑的曲線，這條曲線就成為喘振曲線（即圖1中虛線）。虛線的左上半部陰影區域為喘振區，右下半部為正常工作區。工況處于正常工作區的壓縮機能夠穩定工作[1]。

當壓縮機的工作點位于P2/P1極大值的右側時，減少流量能夠提高P2/P1的值，反之，則會降低壓縮比。設正常工作的轉速為圖1中的n2，此時流量為QA，若存在輕微擾動使流量QA減少，則P2/P1值變大，即P2變大，壓縮機會增大排出量使之回到穩定流狀態。若氣體的流量QA繼續減小，直至工作點位于喘振區內，此時P2/P1值下降，即P2變小，出口壓力P2的減小會使排出量減小，排出量又會導致P2繼續減小，如此惡性循環，最終導致管網壓力大于壓縮機所提供的壓力，發生倒流現象。倒流后壓縮機又回到正常工作狀態，如此反復，就產生了喘振現象。

2 喘振現象造成的危害

當喘振現象發生時，會對壓縮機造成許多危害。第一，壓縮機的工作狀況極不穩定。在喘振工況下，流量、排氣壓力等參數都出現劇烈的波動，振幅較大而且頻率低，若喘振嚴重，甚至導致氣體倒流現象。第二，喘振會使壓縮機的密封件受損。喘振發生時伴有強烈的振動和噪音[2]，若不及時采取相應的措施，強烈的振動會導致密封件受損，密封失效。第三，喘振發生后將會使得各零部件的位置發生偏移，間隙值加大或減小，嚴重的將會使軸變形、發生扭曲等現象，破壞壓縮機的安裝質量，造成儀表失靈。

3 防喘振控制

3.1 固定極限流量法防喘振

由圖1可知，只要使得流量大于喘振區的臨界流量就不會產生喘振現象，因此固定極限流量法的原理是在相應轉速下使極限流量大于臨界流量QP，避免進入喘振區。一般采用閉路循環法控制流量。圖2是閉路循環的結構圖。FT是利用差壓的原理監測入口流量；FC是調節器，接受FT的信號并輸出控制信號到旁路調節閥。當FT檢測到入口流量降低，則FC的輸出信號減弱，調節閥開度增大，促使流量增加。通過這種調節使得入口流量始終大于喘振臨界流量，從而防止喘振。為節約能源，入口流量大于臨界流量的5-7%。

固定極限流量法一般用在轉速固定的條件下，他的優點是控制方案簡單、投資少、系統運行可靠安全。閉路循環調節法雖然簡單易行，但是它會使得壓縮機處于非工況狀態下，特別是當轉速減小或者增大時。同時由于模擬信號的延遲效應，對非線性的喘振現象不好控制。為了克服這些缺點，現在一般采用對流量、壓力和溫度三參數控制，使壓縮機達到最佳的流量。

3.2 可變極限流量法防喘振

可變極限流量法常用在壓縮機流量經常變動的情況下，通過改變壓縮機轉速的方法使壓縮機工況處于喘振區以外。由于壓縮機的喘振流量隨著轉速的變化而變化，所以可以通過改變轉速使入口流量高于喘振極限流量[3]。

氣體的壓縮功見公式（1）：

hpol-多變壓縮功；m-多變指數；T1-進氣溫度；p1、p2-進、排氣壓力；R-氣體常數。

由公式（1）可知，進、排氣壓力、氣體分子量、進氣溫度都會對壓縮功造成影響，使壓縮機性能變化。

變極限流量法使壓縮機在不同的工況下自動改變FC的設定值，使安全裕量保持定值。如圖1，當流量由QP變化到QA時，可以調節轉速從n3到n2，使安全裕量保持定值，這樣既可防止發生喘振，又可節約能源。

3.3 變頻器調速法防喘振

使用變頻器也能對壓縮機進行調速，其優點是：在壓縮機啟動時不會對電網造成沖擊，同時大大降低了壓縮機因變速造成的能耗損失。當壓縮機啟動時所需負荷最大，PLC接收到相關信號后，輸出控制信號使變頻器頻率增大，實現壓縮機的快速啟動。運行至正常工況后，壓縮機所需負荷降低，PLC輸出控制信號使變頻器頻率降低，從而降低壓縮機轉速。變頻器相對于變速齒輪能夠節電20-30%左右。但是當變頻器頻率過低、壓縮機轉速過小時能耗反而上升。將變頻器與調節閥和變極限流量法配合使用可以獲得更好的調節效果。

4 結束語

大型氣體離心壓縮機在化工企業中居于核心設備的地位，一旦出現故障或者損壞會對企業造成巨大的經濟損失。由于喘振的嚴重危害，防止喘振或抑制喘振是一項長期的研究課題。通過固定極限流量法、變極限流量法和變頻調速法防止喘振已經得到了十分廣泛的應用。影響喘振的因素很多，還要對喘振的機理進行更加深刻的研究，及早發現喘振的先兆并加以控制才能避免喘振的發生，保證壓縮機的長期安全可靠運行。

參考文獻

[1]李文華，鐘瑞興.離心壓縮機性能預測方案探討[J].壓縮機技術，2007（5）.

[2]薦保志.離心式壓縮機喘振分析及解決措施[J].中小企業管理與科技，2009（10）.

[3]何龍，張瑞妍.離心式壓縮機防喘振研究[J].壓縮機技術，2009（5）.

作者簡介：韓強（1982.12-）男，漢族，山東滕州人，助理工程師，學士，研究方向：化工行業動設備。endprint

摘 要：針對離心壓縮機發生的喘振現象，從喘振的原理和危害進行研究，介紹了固定極限流量法、變極限流量法和變頻調速法這三種防喘振的控制方法，并對其進行了分析，最終得出了使用變頻器、調節閥和旁路回流三種方法配合使用的最佳控制系統。

關鍵詞：離心式壓縮機；防喘振；控制方案

引言

離心式壓縮機在石油化工及機械加工領域應用十分廣泛，以其流量大、轉速高、結構緊湊、運轉可靠等優點，在工業生產中一直倍受青睞。但是在離心式壓縮機的運行過程中也存在一些缺陷，如易發生喘振現象等。喘振現象會危及壓縮機的使用安全，因此在實際生產中，我們要避免喘振工況的發生。

1 離心式壓縮機產生喘振的原因分析

下圖1為離心式壓縮機的工作特性曲線，n1，n2，n3分別代表不同的轉速，Q1為壓縮機入口流量，P是壓力。每一種轉速都有一條工況線來描述入口流量與壓縮比的關系，壓縮比用P2/P1表示，其中P1是入口的絕對壓力，P2是出口的絕對壓力。

由圖1可知：在定轉速情況下，隨著流量Q1的變化，壓縮比P2/P1有極大值。將每一種轉速下P2/P1的極大值連接起來得到一條光滑的曲線，這條曲線就成為喘振曲線（即圖1中虛線）。虛線的左上半部陰影區域為喘振區，右下半部為正常工作區。工況處于正常工作區的壓縮機能夠穩定工作[1]。

當壓縮機的工作點位于P2/P1極大值的右側時，減少流量能夠提高P2/P1的值，反之，則會降低壓縮比。設正常工作的轉速為圖1中的n2，此時流量為QA，若存在輕微擾動使流量QA減少，則P2/P1值變大，即P2變大，壓縮機會增大排出量使之回到穩定流狀態。若氣體的流量QA繼續減小，直至工作點位于喘振區內，此時P2/P1值下降，即P2變小，出口壓力P2的減小會使排出量減小，排出量又會導致P2繼續減小，如此惡性循環，最終導致管網壓力大于壓縮機所提供的壓力，發生倒流現象。倒流后壓縮機又回到正常工作狀態，如此反復，就產生了喘振現象。

2 喘振現象造成的危害

當喘振現象發生時，會對壓縮機造成許多危害。第一，壓縮機的工作狀況極不穩定。在喘振工況下，流量、排氣壓力等參數都出現劇烈的波動，振幅較大而且頻率低，若喘振嚴重，甚至導致氣體倒流現象。第二，喘振會使壓縮機的密封件受損。喘振發生時伴有強烈的振動和噪音[2]，若不及時采取相應的措施，強烈的振動會導致密封件受損，密封失效。第三，喘振發生后將會使得各零部件的位置發生偏移，間隙值加大或減小，嚴重的將會使軸變形、發生扭曲等現象，破壞壓縮機的安裝質量，造成儀表失靈。

3 防喘振控制

3.1 固定極限流量法防喘振

由圖1可知，只要使得流量大于喘振區的臨界流量就不會產生喘振現象，因此固定極限流量法的原理是在相應轉速下使極限流量大于臨界流量QP，避免進入喘振區。一般采用閉路循環法控制流量。圖2是閉路循環的結構圖。FT是利用差壓的原理監測入口流量；FC是調節器，接受FT的信號并輸出控制信號到旁路調節閥。當FT檢測到入口流量降低，則FC的輸出信號減弱，調節閥開度增大，促使流量增加。通過這種調節使得入口流量始終大于喘振臨界流量，從而防止喘振。為節約能源，入口流量大于臨界流量的5-7%。

固定極限流量法一般用在轉速固定的條件下，他的優點是控制方案簡單、投資少、系統運行可靠安全。閉路循環調節法雖然簡單易行，但是它會使得壓縮機處于非工況狀態下，特別是當轉速減小或者增大時。同時由于模擬信號的延遲效應，對非線性的喘振現象不好控制。為了克服這些缺點，現在一般采用對流量、壓力和溫度三參數控制，使壓縮機達到最佳的流量。

3.2 可變極限流量法防喘振

可變極限流量法常用在壓縮機流量經常變動的情況下，通過改變壓縮機轉速的方法使壓縮機工況處于喘振區以外。由于壓縮機的喘振流量隨著轉速的變化而變化，所以可以通過改變轉速使入口流量高于喘振極限流量[3]。

氣體的壓縮功見公式（1）：

hpol-多變壓縮功；m-多變指數；T1-進氣溫度；p1、p2-進、排氣壓力；R-氣體常數。

由公式（1）可知，進、排氣壓力、氣體分子量、進氣溫度都會對壓縮功造成影響，使壓縮機性能變化。

變極限流量法使壓縮機在不同的工況下自動改變FC的設定值，使安全裕量保持定值。如圖1，當流量由QP變化到QA時，可以調節轉速從n3到n2，使安全裕量保持定值，這樣既可防止發生喘振，又可節約能源。

3.3 變頻器調速法防喘振

使用變頻器也能對壓縮機進行調速，其優點是：在壓縮機啟動時不會對電網造成沖擊，同時大大降低了壓縮機因變速造成的能耗損失。當壓縮機啟動時所需負荷最大，PLC接收到相關信號后，輸出控制信號使變頻器頻率增大，實現壓縮機的快速啟動。運行至正常工況后，壓縮機所需負荷降低，PLC輸出控制信號使變頻器頻率降低，從而降低壓縮機轉速。變頻器相對于變速齒輪能夠節電20-30%左右。但是當變頻器頻率過低、壓縮機轉速過小時能耗反而上升。將變頻器與調節閥和變極限流量法配合使用可以獲得更好的調節效果。

4 結束語

大型氣體離心壓縮機在化工企業中居于核心設備的地位，一旦出現故障或者損壞會對企業造成巨大的經濟損失。由于喘振的嚴重危害，防止喘振或抑制喘振是一項長期的研究課題。通過固定極限流量法、變極限流量法和變頻調速法防止喘振已經得到了十分廣泛的應用。影響喘振的因素很多，還要對喘振的機理進行更加深刻的研究，及早發現喘振的先兆并加以控制才能避免喘振的發生，保證壓縮機的長期安全可靠運行。

參考文獻

[1]李文華，鐘瑞興.離心壓縮機性能預測方案探討[J].壓縮機技術，2007（5）.

[2]薦保志.離心式壓縮機喘振分析及解決措施[J].中小企業管理與科技，2009（10）.

[3]何龍，張瑞妍.離心式壓縮機防喘振研究[J].壓縮機技術，2009（5）.

作者簡介：韓強（1982.12-）男，漢族，山東滕州人，助理工程師，學士，研究方向：化工行業動設備。endprint