離心式壓縮機喘振原因分析與預防措施

許治勇 李 瑛 吳章煒 盧 歡 劉延博

(上海理工大學)

離心式壓縮機喘振原因分析與預防措施

許治勇 李 瑛 吳章煒 盧 歡 劉延博

(上海理工大學)

深入解析并探究了喘振產生的多種原因，描述了影響離心式壓縮機喘振發生的多種因素，并提出了相應的防范措施，使離心式壓縮機工況點始終保持在穩定工況范圍內。

離心式壓縮機 喘振 原因分析 預防措施

離心式壓縮機工作的基本原理是葉輪高速旋轉時不停地將制冷劑氣體吸進，又不停地將它沿葉輪半徑方向甩出去，使氣體的壓力和速度都得到增大。由葉輪甩出來的氣體再進入流道截面面積漸漸增大的擴壓器，氣體通過擴壓器時速度得到降低，而壓力得到提高。此過程中，氣體在前進時，使絕大部分動能又轉化為靜壓能。由此可見，葉輪和擴壓器是完成離心式壓縮機升壓過程的核心部件。

喘振是離心式壓縮機反常的、不穩定的、不平衡的運行狀態，對壓縮機具有很大的危害，不僅會影響機組的工作效率，而且會損害壓縮機的使用年限。在正常工況條件下運行一段時間后，離心式壓縮機的工況會慢慢移向喘振區域。因此，在現實生產中，深入研究喘振原因，分析喘振機理，并對壓縮機采取相應的預防措施，對壓縮機長期安全運行具有一定的現實意義。

1 喘振的原因

引起離心式壓縮機喘振的原因有兩方面：壓縮機葉輪中的氣流在非工作面產生的“旋轉脫離”，是發生喘振的內在原因；而發生喘振的外部條件是與壓縮機一起工作的管網系統的參數和特性。外部條件滿足于內在原因時，壓縮機就會發生非正常的現象——喘振。

1.1 內因

當離心式壓縮機的實際工作流量小到一定極限時，導致氣流方向發生變化，在葉輪進口處產生很大的正沖角，使葉輪葉片上的非工作面產生非常嚴重的氣流“脫離現象”[1]，氣動損失增大，葉輪末端口處產生負壓區，導致葉輪后面部件正壓氣流沿反方向“倒灌”，倒回到葉輪內，增大了葉輪流道內的混合流量，葉輪恢復正常工作。若此時壓縮機的工況點仍處于喘振點，氣流的這種“倒灌”仍會持續發生。這就是導致壓縮機發生喘振的內因[2]。

事實上，這是氣流在交替倒流時產生的強烈沖擊的結果。這種沖擊造成機器強烈的振動，若不采取保護措施，將造成壓縮機嚴重的損壞，這就是“喘振”[3]。

1.2 外因

在喘振過程中喘振幅度大小和頻率高低與管網容量的大小息息相關。由相關資料可知，管網的容量和喘振的振幅成正比關系，和喘振的頻率成反比關系[4]。

管網由與壓縮機一起工作的設備、裝置、容量、閥及管道等部件構成[5]。例如高爐、空分設備、催化裂化裝置的再生塔、燒結機、污水凈化池等裝置及其與壓縮機相連接的管道、閥、消音器及過濾器等。

在管網容量很小的情況下，其工況點在壓縮機的左右支時，葉輪中產生的旋轉脫離并不一定引發喘振。這是因為管網容量很小，壓縮機流量一發生變化，管網能夠及時響應，相應的流量和壓力也能及時跟隨變化。

圖1為小容量管網系統的離心式壓縮機特性曲線。其中A點為原始正常工況點。假設流量突然發生變化，減少了ΔQ，致使壓縮機的工作點A和管網的工作點A分別移至B點和C點。波動后，壓縮機的排氣壓力pB和管網阻力pC存在一定的壓差。正是這壓差(Δp=pB-pC)迫使氣體流量加快從壓縮機流向管網。結果同時增大了壓縮機和管網的流量，使兩者的工作點逐漸回到正常工況點A。同理，工況點位于左支時(見圖1中的A′點)，同樣具有上述結果。

圖1 小容量管網系統的離心式壓縮機特性曲線

在管網具有一定容量的情況下，工況點在壓縮機的左支時，葉輪中產生的旋轉脫離才能導致喘振發生。這是管網容量大的緣故，進入管網的流量相對于管網而言只發生了細微變化，并不能立即引起管網中壓力的反映。

圖2為大容量管網系統離心式壓縮機的特性曲線。工況點在性能曲線的左支時，圖2中A點為正常工況點。若調節壓縮機出口節流閥門來減小流量，管網特性曲線發生變化由位置1上移到位置2。此刻，壓縮機排氣的流量和排氣壓力都相對減小。而管網的容量很大，并未引起壓力的及時變化，結果造成管網的壓力超過壓縮機的排氣壓力，進一步導致壓縮機的流量降低。當管網中的流量大到一定程度時，開始形成由容器向壓縮機的反向輸送氣體，壓縮機的流量經歷了從有到無，又從無到有的過程。此過程中，壓縮機的工作點由A′經B點跳至C點。此刻，管網容器處于雙重任務狀態，既要向外輸送氣體，又要向壓縮機輸回氣體。結果導致容器的壓力和流量下降，沿圖2中的曲線2，由A′點→F點；對應壓縮機出口壓力也一起下降，其工作點到達D點。此時，倒流還在繼續，容器中的壓力仍可以繼續下降?？墒?，壓縮機工作點到達了最低點D，壓力無法再繼續下降，最終，壓縮機的出口壓力有可能大于容器的壓力，則倒流不再發生。此時，壓縮機又重新恢復正常，開始向容器輸送氣體，其工作點由D點跳至E點，E點的工作流量很大，容器中增加的流量大于容器減少的流量，容器開始存流量。于是，壓縮機的背壓和管網容器中的壓力開始慢慢上升，壓縮機的工作點E和管網的工作點F分別向點A和A′移動。當壓縮機的工作點到達A點后，容器中增加的流量仍大于容器減少的流量，所以容器內的壓力仍繼續升高，但此時壓縮機的工作點達到了最高點，壓力無法再繼續升高。結果，形成容器中的壓力超過壓縮機的排氣壓力，倒流再次形成。如此周期地來回循環，造成整個壓縮機連續發生喘振現象[6]。

圖2 大容量管網系統的離心式壓縮機特性曲線

2 喘振的影響因素

2.1 壓縮機性能

結構參數因素。離心式壓縮機內部結構設計對喘振起到很大的影響，因為它影響到壓縮機性能曲線的變化，從而可能引起喘振。壓縮機內部結構設計涉及到葉輪和擴壓器的氣動布局、葉輪的葉片數、擴壓器的結構及導葉的開度等。

進氣狀態的影響。葉輪的工作原理是離心原理，根據物理離心力公式：

式中F——離心力；

m——氣體質量；

r——圓周半徑；

v——運行速度；

w——轉速。

在葉輪高速旋轉的過程中，密度大的氣體有更大的向外運動的離心力，但由于葉輪流道結構設計的限制，氣體在腔體內擠壓，又會增大氣壓。因此得出結論：任意增大氣體密度或增加單位體積內氣體質量的因素都會使p-Q曲線上移；同理，氣體密度減小或單位體積內的氣體質量減少都會使p-Q曲線下移[7]。在現實生產環境中，溫度、壓力及成分等是能夠影響氣體狀態的因素。

轉速的影響。根據離心力公式可知，離心力與速度的平方成正比的關系，與轉速的平方也是成正比的關系，所以當增大轉速w時，離心力將會增加，氣體在容積內的壓力也會增加，使壓縮機性能曲線向上移動；同理，當減小轉速w時，離心力減小，氣體在容積內的壓力會有所減小，使壓縮機性能曲線向下移動。

2.2 管路性能

某壓縮機原在正常工作點，之后因某種原因，系統發生波動，導致管網中壓力增大很多，促使管網性能曲線上移(假如壓縮機的性能曲線未發變化)，結果會導致壓縮機出現喘振[8]。

2.3 氣體分子質量

相關實驗證明，離心式壓縮機在相同轉速、恒壓運行的情況下，氣體分子質量越小，就越容易發生喘振；相反，氣體分子質量越大，就越難發生喘振。

2.4 綜合因素

當某種原因導致兩種性能曲線同時出現波動時，無論過程怎么樣，只要工況點落在喘振區內，喘振就會發生[9]。如在離心式壓縮機升速、升壓過程和降速、降壓過程中，改變轉速就是改變壓縮機性能曲線，改變系統壓力就是改變管網性能曲線，兩種性能曲線都在變化。因此在現實操作中，可聯合調節兩種性能曲線的變化，使壓縮機在穩定工況區內正常工作。

3 防喘振措施

3.1 結構設計上防喘振

在壓縮機結構設計上，可以采用如下方法：

a. 采用電磁閥控制導葉的開度[10]，進而控制流量始終處于喘振流量的最小值之上，阻止工況進入喘振區；

b. 改變壓縮機的設計導致的與旋轉失速有關的葉輪葉面曲度；

c. 改變葉輪葉片數量，使進入葉輪的氣流重復；

d. 增加壓縮機級間密封度，減少級間竄壓的可能性；

e. 運用可變擴壓器，在工況發生變化時通過減小擴壓器排氣流道截面積來間接改變氣體速率大小進而防止喘振；

f. 可變擴壓器不僅能顯著改善機組喘振點，而且降低機組在滿負荷和部分負荷的振動。

3.2 調節工況防喘振

工況的調節是在不引起機組喘振的情況下，滿足用戶基本要求，并保證機組運行效率良好的一種操作方法[11]。調節方法有以下幾種：

a. 離心式壓縮機出口節流調節。通過調節壓縮機出口節流閥門開度來改善管網系統特性，以滿足工藝流程對流量或壓力的要求，從而防止喘振的發生。

b. 離心式壓縮機進口節流調節。通過調節進口節流閥門的開度來改善壓縮機性能特性，以滿足管網對流量或壓力的要求，從而防止喘振的發生。

c. 離心式壓縮機的變擴壓器葉片角度調節。通過調節擴壓器葉片的進口安裝角，從而改變葉片擴壓器的進口沖角，使壓縮機性能曲線左右偏移，改變壓縮機的性能，滿足管網的各項要求，從而避免喘振的發生。

d. 離心式壓縮機的變轉速調節。調節轉速進而改變壓縮機的性能曲線，使工況點處于正常工作區，防止喘振的發生。

e. 熱氣旁通調節，即等流量控制法。在機組進入喘振工況之前時，通過及時打開熱氣旁通閥來調節工況，使機組避免進入喘振區，進而保護機組。通過熱氣旁通閥把冷凝器和蒸發器串通，使冷凝器中的高壓氣體能夠及時轉移到蒸發器中，冷凝器的壓力得到降低，蒸發器的壓力得到提高，進而使壓縮機的壓頭得到降低，壓縮機的流量得到增加，達到改善壓縮機工況防止喘振的效果。

4 結束語

針對離心式壓縮機喘振原因，進行了深入的分析和研究，并給出了影響離心式壓縮機喘振發生的各種因素，最后根據對應的影響因素，進行相應的工況調節來防止喘振的發生，使離心式壓縮機始終保持在穩定工況范圍內，保證了壓縮機的長期安全運行。

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許治勇(1989-)，碩士研究生，從事制冷和低溫工程的研究，xuzhiyong_job@163.com。

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2016-11-20，

2017-03-10)