離心式空氣壓縮機喘振曲線的測繪

溫劍風

（柳州化工股份有限公司，廣西 柳州 545002）

1 喘振現象及喘振檢測程序

喘振是離心式壓縮機特有的一種異常現象，它會對離心式壓縮機的安全、穩定運行帶來極其不良的影響。如圖1所示，離心式壓縮機（簡稱壓縮機）啟動時，出口流量逐漸增大，壓縮機在C點運行，之后隨著其出口壓力的升高，流量慢慢減小，壓縮機工作點沿著其性能曲線到達D點，此時管網流量小于壓縮機的額定流量，其管網性能曲線與壓縮機性能曲線無交點；運行一段時間后，若管網排出的流量小而接收壓縮機的流量大，管網壓力上升，工作點D沿壓縮機性能曲線變化，當管網壓力略大于壓縮機出口壓力時，管網出口壓力上升，這時壓縮機流量慢慢減小，部分氣體由管網回流到壓縮機中，壓縮機工作點從D點轉變至E點（其出口流量減小甚至會出現負值），相應地，管網壓力很快下降到F點，壓縮機出口壓力維持在B點，此時壓縮機不向管網排氣，工作點不能維持；當管網壓力繼續下降并略低于壓縮機出口壓力時，壓縮機又開始向管網排氣，工作點迅速跳變至C點；如此，壓縮機工作點沿C－D－E－B－C循環，此過程中管網和壓縮機出口壓力及流量均有很大的波動，即產生了喘振［1］。

圖1 離心式壓縮機喘振曲線示意圖

壓縮機綜合控制系統（ITCC）中編制有喘振檢測程序，以機組發生喘振時的流量及壓力波動速率作為判斷依據：在機組發生喘振的瞬間，迅速抓住喘振點位置坐標，捕捉到喘振發生瞬間（20～50ms）的壓力變化和流量反向波動，同時快速發出指令打開防喘振閥，使機組工作點迅速離開危險區域，避免形成深度喘振。

2 喘振曲線的測繪

喘振現象與離心式壓縮機的功率有關，壓縮機在不同功率下其喘振點是不同的。選取不同功率下的幾個喘振點，連成曲線，即可得到喘振曲線。喘振曲線測試過程中，喘振檢測程序對壓縮機進行實時監控和測試，具體步驟為：開啟壓縮機并運行至正常轉速，選定一個導葉開度后，慢慢關閉防喘振閥，此時機組出口壓力上升，流量降低，達到一定的極限時，流量下降而壓力不再升高，隨即打開防喘振閥，流量迅速上升，出口壓力降低，機組擺脫臨界喘振區，記錄機組在喘振時的流量和壓力；取不同的導葉開度，重復上述操作，即可得到不同工況下機組喘振時的性能參數，將不同工況下機組喘振時的性能參數連接成曲線，即可得到喘振曲線。

2.1 臨界喘振點測試

離心式壓縮機正常運行中，防喘振閥完全關閉后實際工作點均遠離喘振區；機組在開啟、停車或工作狀態不正常時，防喘振閥的打開對工藝系統不會造成影響。因此，離心式壓縮機喘振曲線的測試，可以不必測試到喘振的發生，只要測試出如圖1中D－B曲線中靠近I的點（即臨界喘振點），就能滿足需求。

但ITCC喘振檢測程序通常對離心式壓縮機的臨界喘振點（靠近喘振點I）不能作出準確判斷，需要人通過觀察出口壓力和聽機組運行聲音的變化予以判斷，但其現象是非常明顯的：壓縮機出口壓力上升非常緩慢而流量下降非常明顯，機組運行聲響變化也非常明顯。只要有一定的測試經驗，就可以準確判斷臨界喘振點，測繪出喘振曲線而又不使機組真正發生喘振。

2.2 喘振點測試

對于要準確測試到喘振點I的機組，需采用喘振檢測程序和人為判斷相結合的方式：人為判斷主要是查看機組出口壓力表示數，這是因為機械式儀表反應快（無延時），能更早地發現喘振點；喘振檢測程序則判斷可靠，一旦真正發生喘振，就算測試人員沒有及時判斷出來，喘振檢測程序也可以判斷出來，快速打開防喘振閥。

3 離心式空氣壓縮機喘振曲線測繪過程

3.1 離心式空氣壓縮機概況

高壓法稀硝酸生產工藝中，生產硝酸的原料是空氣和無水液氨或氣氨。其中，空氣經過空氣進口過濾器過濾、增壓風機增壓后，進入離心式空氣壓縮機中加壓到約1.05MPa（A）、溫度約173.0℃，之后進入過濾器再次過濾以除去任何可能損壞鉑催化劑的雜質；然后大部分空氣進入氨－空氣混合器中與氨混合，隨后氨在鉑網上氧化生成NO，另一小部分空氣去漂白塔作漂白用氣和去尾氣加熱器作二次空氣進行氧化。離心式空氣壓縮機是整個高壓法稀硝酸裝置中的關鍵設備，其設備性能及工藝參數如下。

型號 Allis-ChalmersVC-905

功率 4858kW

轉速 6950r／min

進口空氣溫度 47℃

出口空氣溫度 173℃

進口空氣壓力 0.119MPa（A）

出口空氣壓力 1.052MPa（A）

空氣流量 63000m3／h

3.2 測試前的準備工作

（1）系統調試完成，聯鎖測試完成，具備開車條件。

（2）將壓縮機出口壓力表更換為精度高的壓力表，并在壓力表旁邊設置一個臨時按鈕（試驗過程閉合），連線接到防喘振控制閥（電磁閥）上，用于喘振時手動按鈕快速打開防喘振控制閥。

（3）測試有關測控儀表如進口溫度、出口壓力、進出口壓差和進口流量以及防喘振閥的控制信號。

（4）ITCC系統輸出卡信號接至防喘振閥（電磁閥）回路中，當ITCC喘振檢測程序檢測到壓縮機發生喘振時，能快速打開防喘振閥。

（5）準備工作完成，模擬測試，之后機組開車，待進一步檢查確認機組運行正常后即可開始進行喘振曲線測試。

3.3 測試步驟

（1）取坐標原點作為喘振曲線的第一個點，即流量（橫坐標）為0、機組出口壓力／入口壓力（縱坐標）為“0”。

（2）低負荷時測2個點，可在尾氣未產生時通過慢關防喘振閥測出，此狀況下測試不用太精確，即不用等到機組真正發生喘振，無需停車。

（3）鼓風機和離心式空氣壓縮機電機運行正常后，將防喘振閥保持在全開位置，尾氣膨脹機進氣閥全關（即不開尾氣膨脹機），壓縮機保持低轉速運行，避開其臨界轉速。

（4）將入口導葉角度調整到預先確定好的測試角度，壓縮機轉速則穩定在4500r／min，其出口壓力穩定在0.3MPa（A），然后將防喘振閥緩慢關閉，這時壓縮機出口壓力開始緩慢上升，此過程中要仔細觀察壓縮機進出口壓差、進口壓力和出口壓力，并計算壓縮機出口壓力的升幅和進出口壓差的變化幅度，當壓差變化幅度明顯趨于減小（可能其波動也有所增強）時，此狀態已接近實際的喘振點（喘振對機組的損害比較嚴重，測試時盡量不使機組真正發生喘振），立即停止操作防喘振閥，并人工記錄此時的準確時間和所有儀表數據，如此便得到壓縮機低負荷時喘振曲線的第1個點。

（5）得到喘振曲線的第1個點后，將壓縮機防喘振閥全開，緩慢調節入口導葉角度以增加負荷，將壓縮機轉速提升至5100r／min、機組出口壓力調節至0.5MPa（A），開始做性能曲線的第2個點，步驟與做第1個點完全相同。

（6）高負荷運行也測2個點，機組達到一定轉速后，只有通過開膨脹機入口閥才能增加負荷，此時防喘振閥已滿足生產尾氣并關到某個位置的條件；慢開膨脹機入口閥并緩慢調節入口導葉角度增加負荷，將機組出口壓力調節至0.85 MPa（A）后，開始慢關防喘振閥，直到將要發生喘振時，停止操作防喘振閥，記錄此時的準確時間和所有儀表數據，停車，得到高負荷運行時壓縮機喘振曲線的第1個點。

（7）再次開車，提高負荷，此時防喘振閥在滿足產尾氣應該關到的某個位置；慢開膨脹機入口閥并緩慢調節入口導葉角度，將機組出口壓力調節到1.05MPa（A），開始做高負荷運行時的第2個喘振點，即性能曲線的最后1個喘振點，步驟與上述高負荷時喘振點測繪完全相同。

（8）據需要可用同樣的方法確定離心式空氣壓縮機喘振性能測試所需的其他喘振點，最后將測試所得的喘振點連接起來，即得到機組的喘振曲線，再以一定比例計算得到離心式空氣壓縮機防喘振控制線（如圖2），實際操作中，壓縮機工作點必須在防喘振控制線以下。

圖2 離心式空氣壓縮機防喘振曲線示意圖

3.4 注意事項

防喘振控制相關儀表，如進出口差壓變送器、入口溫度變送器、進出口壓力變送器需要校驗，以確保其測量值的準確性。防喘振驗證時需監視入口壓力的變化，若現場沒有設置壓力表，需增設變送器及二次顯示表。

喘振檢測程序需先做靜態模擬試驗，滿足要求后，再由用戶做實際的動態試驗。如果用戶不能保證提供的性能曲線與機組實際的性能曲線一致，則需要用戶按上面喘振試驗的過程配合予以驗證。喘振曲線測繪過程中主要注意事項如下。

（1）認真做好離心式空氣壓縮機喘振曲線測繪的準備工作。

（2）據機組的生產工藝條件，預先在ITCC系統內作出臨時的防喘振曲線，并可在開機投產及測試過程中不斷調整，測試中接近喘振區時操作要緩慢、注意力要集中。

（3）機組出現如下現象而防喘振閥不能打開時要及時停機：①機組出口壓力迅速下降且波動，壓縮機聲響突然發悶，其氣流出現類似人喘息的聲音，嚴重時機組出現劇烈的振動（應立即手動打開放空閥）；②機組進口壓力迅速上升，而后迅速下降并波動，此時機組入口壓力波動較劇烈且由正常的負值向正值方向變化；③壓縮機進出口壓差迅速下降并波動。

（4）安排好人員監視壓縮機出口壓力，主操作室還要有人在ITCC系統上操作放空閥，需要配合投用透平時要有人監視機組的運行狀態和電機電流，現場發現任何緊急狀況，可通過現場緊急停車按鈕將防喘振閥打開或停運電機。

（5）喘振對機組的損害比較嚴重，測試時盡量不讓機組真正發生喘振。

4 結束語

喘振是離心式壓縮機一個不穩定的工作區域，進入該區域時，機組的流量、壓力會出現劇烈脈動，并引起整個機組的振動［1］。劇烈的振動將影響有關的管線和組件，更為嚴重的是，如果系統不立即恢復至穩定狀態，喘振工況下氣體的內部循環會導致機組內部溫度的升高，最終造成壓縮機損壞。因此，化工裝置投產前對離心式壓縮機進行喘振曲線測繪尤為重要，以利運行中對其實施防喘振控制。