離心式空氣壓縮機空氣系統及其實際問題處理探討

張藜藜+盧磊

摘要通過能量轉換，使氣體壓力提高的機器稱為壓縮機，而利用旋轉葉輪實現能量轉換，使氣體主要沿徑向離心方向流動從而提高氣體壓力的機器稱為離心式壓縮機。對于離心式空氣壓縮機，其空氣系統設計是否合理有效，將影響到整個空氣壓縮機的安全穩定運行。文章通過簡要分析離心式空氣壓縮機的空氣系統，對工程中出現的實際問題進行了深入探討。

關鍵詞離心式空氣壓縮機；空氣系統；實際問題處理

中圖分類號：TH4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0193-02

某工程利用循環流化床鍋爐產生的高溫高壓蒸汽拖動6臺離心式空氣壓縮機組，向工藝廠房連續輸送潔凈的壓縮空氣。單臺機組進口態容積流量為3200 m3/min，配用汽輪機功率為11401 kW，不論從排空氣量還是驅動功率上來說，均屬于大型離心式空氣壓縮機組。因此，在整個系統擬定、設備布置、管線設計、現場安裝及機組調試等各個方面均有嚴格的工藝要求。目前，該工程已成功投產一年，機組運行安全穩定，企業經濟效益良好。

然而在投產前期試運行階段，卻出現了空氣壓縮機二段排氣出口處的波紋管補償器變形甚至拉裂的情況，項目設計人員在第一時間趕赴現場了解情況，會同業主、供貨商及施工單位分析事故原因，提出解決方案，實施現場改造，最終達成6臺離心式空氣壓縮機組一次試車成功。

1離心式空氣壓縮機的空氣系統簡述

離心式空氣壓縮機的空氣系統并不復雜，室外空氣經吸風塔和空氣過濾器接入空壓機一段進氣口，通過空壓機內部高速旋轉的葉輪對空氣做功，使空氣壓力、溫度、流速提高，然后流入擴壓器，再使空氣流速降低，壓力進一步提高，并經導向裝置使空氣流入下一級葉輪繼續壓縮。由于空氣經逐級壓縮后的溫度不斷升高，而在下一級中壓縮溫度高的空氣則需多耗功，為了降低空氣溫度，減少壓縮功耗，在多級離心式空氣壓縮機的空氣系統中，往往采用分段中間冷卻的結構。因此在本工程中，空氣經一段壓縮至0.241 MPa（a）、151℃（一段可以包括幾個級，也可僅有一個級），由一段排氣口排出空壓機本體，并引入中間冷卻器與循環水進行一次換熱，冷卻后的壓縮空氣接入空壓機二段進氣口繼續壓縮至0.379 MPa（a）、99℃，由二段排氣口排出空壓機本體，并引入末級冷卻器與循環水進行二次換熱，冷卻后的壓縮空氣經空氣加熱器干燥后由管道輸送至各用氣點。

由于壓縮機輸送的空氣必須干凈，含塵量應≤5 mg/m3，含塵的顆粒當量應≤5 μm，若空氣的潔凈程度達不到上述要求，應在空壓機進口增加過濾設備，以保證空壓機的安全運轉和較長的使用壽命。本工程選用了自潔式空氣過濾器。

在實際應用中，由于某些工藝用氣裝置是間歇運行的，從而導致工藝用氣總量產生波動，對于離心式空氣壓縮機，當轉速保持不變，流量減小到一定值時，會出現嚴重的氣流旋轉脫離，流動情況大大惡化。這時，空壓機的葉輪雖然仍在高速旋轉，對空氣做功，但卻不能提高空氣的壓力，空壓機出口壓力會顯著下降，而管網壓力并不能馬上降低，就有可能出現管網壓力高于空壓機出口壓力的情況，從而導致空氣倒流，直到管網壓力下降并低于空壓機出口壓力時，倒流才會停止，空壓機又開始向管網供氣。如此周而復始，在整個空氣系統中發生周期性的軸向低頻大振幅的氣流振蕩現象，被稱為空壓機的“喘振”現象?？諌簷C“喘振”會產生強烈噪聲，引起劇烈振動，造成嚴重事故。因此，在空壓機運行過程中應采取有效措施，避免發生“喘振”現象。防喘振措施可簡要描述如下：1）計算機顯示標注喘振線的壓縮機性能曲線，隨時觀察空壓機工況點位于性能曲線上的位置，空壓機只能在喘振線右邊的性能曲線上工作。2）降低運行轉速，可使流量減少而不致進入喘振狀態，弊端是出口壓力隨之降低。3）為防止空壓機在運行過程中發生“喘振”現象，通常情況下在其二段排氣出口管路上設有放空管，通過監測排氣量及排氣壓力，即當排氣量減小到接近喘振流量或排氣壓力降低到接近喘振工況下的壓力時，自動控制調節防喘振閥組，放空多余的壓縮空氣，以保證空壓機組的連續安全穩定運行。當空壓機一旦進入“喘振”狀態，則應立即聯鎖緊急停車，以防發生嚴重事故。

壓縮機制造廠家一般是通過連續方程、歐拉方程、能量方程、伯努利方程、熱力狀態方程、熱力過程方程和壓縮功等基本方程揭示氣流在壓縮機內部的流動規律，建立各方程與氣流速度、壓力、溫度等參數之間，以及與壓縮機內部結構參數之間的相互關系，以計算氣流在壓縮機中的流量和能量。由于現代工業中，壓縮機設計均采用計算機編程，本文對壓縮機氣流計算不再贅述。

2離心式空壓機實際問題處理

前文提到的試運行階段拉裂的補償器就安裝在空壓機二段排氣出口處（氣流方向向下），造成該事故的主要原因如下：根據供貨商提供資料顯示，該補償器為通用性波紋管補償器，工作壓力0.6 MPa，工作溫度800℃，軸向補償量120 mm，徑向補償量50 mm。由于空壓機二段排氣溫度僅為99℃，材質為0Cr18Ni9的不銹鋼管道由安裝溫度20℃變化至運行溫度99℃的平均線膨脹系數為16.84×10-6/℃。通過計算，該段管道（空壓機出口至末級冷卻器入口，下同）作用在補償器的軸向位移<8 mm，徑向位移<40 mm，均在補償量允許范圍內。但是在設計過程中卻忽略了一個至關重要的問題，通用型補償器的作用是通過波紋管的柔性變形來吸收軸向位移，而允許的橫向位移和角向位移極小。也就是說，供貨商提供的徑向補償量是錯誤的，補償器下方管道應有限制徑向位移的措施。

從現場實際情況看，該補償器向下拉伸近200 mm，產生嚴重變形甚至拉裂。然而，該段管道在設計過程中進行了應力計算分析，計算書顯示該段管道的一次應力及二次應力均計算通過，未提示異常。為何理論計算沒有真實反映現場情況？經現場勘查發現，該段管道的管徑為DN1200，補償器后的第一個支架距離補償器軸線6300 mm（如圖所示），支架下方的型鋼立柱已向氣流方向傾斜。開車工況下，壓縮氣流的瞬時沖擊及補償器的熱變形均對補償器下方90°彎頭產生巨大的盲板力，圖中的滑動支架則起到了杠桿的副作用，從而導致補償器拉裂。

既然找到了問題的原因，下一步就應該提出解決方案并予以實施。在補償器下方彎頭處設置固定支架，不僅可以限制管道的徑向位移，而且能夠承載巨大的盲板力。通過現場改造，上述6臺空壓機組均已安全穩定運行。

3結論

在現代工業中，壓縮機廣泛應用于化工、石化、醫藥等各個行業，隨著工礦企業的大型化、集團化發展，所需要的壓縮機，不論從處理氣量、排氣壓力，還是驅動功率上看，均有大幅度的提升。這就對壓縮機本體及外圍工藝設計提出了更高的要求。

參考文獻

[1]郁永章，姜培正，孫嗣瑩.壓縮機工程手冊[M].中國石化出版社.

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