離心式壓縮機喘振控制淺析

吳鋒，牛哲，王志鑫，史吉隆

(沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

喘振是離心壓縮機特有的一種現象，它是危害壓縮機結構的主要原因之一，在工藝流程中應盡力避免壓縮機喘振現象的出現。根據某廠壓縮機機組現場應用反饋，機組發生喘振現象比較普遍，有些機組甚至頻繁發生喘振，給用戶造成巨大的經濟損失。

1 喘振現象及引起的原因

1.1 喘振現象

喘振現象可以從三個方面分析： 首先，要觀察壓縮機入口流量和進出口壓力，從CCS趨勢圖可以觀察波動幅度軌跡和實時趨勢，若有周期性和大的波動，則會發生喘振；二是當聽到壓縮機進出氣管路氣流聲音中有“呼哧呼哧”的噪音時，則機組發生喘振；三是觀察壓縮機的軸系振動圖，當發現軸系某個振動突然急劇地增大，機組發生相較之前明顯的振動時，則壓縮機發生喘振。以上三種現象，是判斷壓縮機喘振的主要手段。

1.2 喘振發生的主要因素

喘振是多因素綜合作用的結果，主要影響因素如下：

1)設計因素。防喘振系統設計不合理；防喘振閥(放空閥，旁通閥)循環氣量不足；防喘振系統沒有將氣體分析儀與控制系統連接；對溫度壓力沒有補償修正。

2)調節因素。防喘振系統調節不佳。

3)運行因素。機組投產運行前沒有對壓縮機進行實際氣體喘振試驗校核；防喘振系統因為各種原因不能投入自動；防喘振系統失靈；進氣溫度壓力偏離設計值較大，氣體相對分子質量變小；壓縮機工藝流程波動造成管網壓力變大；機組轉速下降；壓縮機進口通流面積減小；操作中出現失誤。

1.3 喘振位置

氣流在葉輪流動路徑中或在葉片擴壓器的流動路徑中會發生喘振；喘振也可能發生在某個階段、某個部位、或整個單元中。經驗表明： 如果壓縮機具有葉片擴壓器，則擴壓器首先喘振；如果壓縮機無葉片擴壓器，則喘振首先出現在葉輪中。只要壓縮機一級氣體激增，氣體在該處紊亂流動加劇，多級壓縮機的最后一級就容易出現振幅加劇的現象，從而擴展到整個機組。

2 喘振造成的危害

1)壓縮機進出口參數發生大幅波動，會對整個工藝生產流程造成危害。

2)對機組轉動部件和軸承、密封裝置、隔板產生沖擊，容易使轉子發生不平衡，靜止件發生刮碰磨損。

3)破壞機組配套附屬設施正常運行，使輔助設備如干氣密封裝置等損壞，造成聯鎖停車。

4)對壓縮機內部結構產生巨大沖擊，容易造成軸瓦密封型環刮碰摩擦及燒蝕變形。

5)密封元件與轉子非正常摩擦，造成級間間隙超差，壓比達不到要求，如若是易燃易爆、有毒有害介質發生泄漏，嚴重時則可能造成財產損失及人員傷亡。

3 避免發生喘振的方法

3.1 設計源頭的措施

1)壓縮機設計時各部件采用合理的幾何尺寸，適當地優化通流部分結構，讓壓縮機運行范圍具有充足的安全裕度，防喘振工作原理如圖1所示。

圖1 防喘振工作原理示意

由圖1可知，左側以喘振線為界，為了留出安全裕度，最小體積流量范圍為(1.05～1.10)qV喘，所以經常用防喘振保護線作為邊界保護線；上方以壓力線和最大連續轉速線(105%n額)為界，下方為最小工作轉速線為界；右側受到阻塞流量線的限制。為了增大機組穩定工作的范圍及提升抗喘振能力，在設計時應注意以下幾個問題：

a)使用不同級的多級壓縮機，后級壓縮機級間的氣流要具有較好的通流條件。

b)對于小流量壓縮機或多缸壓縮機的后缸，應選用無葉擴壓器作為通流截面部件。

c)定速壓縮機可以是葉輪入口導葉裝置或擴壓器葉片調節裝置。

d)對于可變轉速的壓縮機，盡量控制好轉速。

2)壓縮機出口設置逆止閥，當壓縮機喘振時，應防止氣體回流引起的設備損傷。壓縮機出口的第1臺閥盡可能靠近出口法蘭，減少管網容量，降低通流能量。

3)平衡盤泄漏管線上需安裝高溫報警裝置，在喘振之前能對氣體溫度上升發出自動報警。

4)防喘振控制系統應該在壓縮機段間、缸間安裝自動和手動防喘振控制調節設施。為了防止喘振發生，壓縮機的工況點始終需要在喘振線右側運行，因此在喘振曲線的右側預先設計了防喘振保護線，即防喘振曲線，當壓縮機運行工況點從右側逐漸移動到防喘振線時，則應快速打開連接壓縮機出口到進口的防喘振閥，從而擴大壓縮機進口流量，降低壓縮機管網阻力，從而讓工況點遠離喘振區域。防喘振曲線與喘振線之間應有一定的安全裕度，一般情況該裕度為8%～10%。由于控制系統采用比例關系比較容易實現，因此實際防喘振線由直線代替，根據浪涌保護曲線的不同設計，一般常見的防喘振控制方案見表1所列。

5)防喘振控制系統的自動和手動功能應單獨使用，當系統調節滯后或自動控制系統失效時，可以手動打開回流閥或排氣閥，但必須正確選擇防喘振控制系統儀表、閥門等設備。

6)設置壓縮機防喘振界面，使操作者能通過屏幕界面看到工況點與防喘振曲線，喘振曲線相對位置，發現工況點偏移到防喘振曲線附近時，立即采取措施，使工況點遠離喘振區域。

3.2 規范試運行和現場投產前的調試

1)壓縮機試運行前，要組織操作人員認真學習壓縮機工藝流程，熟悉配套設施，熟練掌握壓縮機基本原理和操作手冊，通曉壓縮機設計曲線、結構和性能、管網特性，特別要掌握壓縮機進口條件以及轉速對壓縮機的影響。

2)在壓縮機調試前，根據壓縮機組的性能曲線，預先確定速度增加曲線和減速曲線，并以此作為操作基礎。

3)在壓縮機操作中遵守“升壓先升速，降速先降壓”的規則。

4)壓縮機啟動前，進口閥、回流閥和防喘振閥應全部打開，出口閥應完全關閉，以便空載啟動。

表1 常見的防喘振控制方案比較

5)根據升速增加曲線，當壓縮機加速到調速器最小轉速時，可以執行增壓操作。

6)升壓時必須先使出口閥門打開去下一工序，并使放空閥或防喘振閥緩慢關上，讓工藝氣體進入下個流程。

7)升速和升壓要交替進行且不要過快，升壓要慢于升速。

8)雙缸壓縮機有兩個防喘振回路，在開車之后應首先增加低壓缸的壓比，然后增加高壓缸的壓比，即低壓缸的防喘振閥在升壓過程中首先關閉，然后關閉高壓缸的防喘振閥。

9)在停車之前，首先檢查回流閥，先將回流閥打開一定開度，在出口壓力下降到一定值后，再將轉速降到一定值，壓力下降和速度下降交替變化，直至出口壓力卸掉再停車。

10)對雙缸壓縮機，停車時要先開高壓缸回流閥，然后開低壓缸回流閥。

11)壓縮機的性能設計曲線和設計喘振點，目前都是設計人員在模型程序輸入參數后計算出來的，再加上壓縮機出廠加工制造的誤差以及到現場安裝裝配的誤差，可能實際機組的喘振線與預期喘振線會有一定的偏差，再結合現場實際使用條件，不可能完全滿足設計狀態下壓縮機的運行性能，因此要求壓縮機的喘振線需要現場實測校準，一般壓縮機在現場運轉正常后，才能進行喘振試驗。喘振對壓縮機的破壞性很大，試驗前一定要有專業技術人員指導試驗，識別機組可能發生喘振的風險并快速作出反應，在做喘振試驗時，一般取70%n額，80%n額，90%n額，100%n額，105%n額5個轉速下的喘振試驗點，在每個轉速下，進口壓力溫度保持穩定，進口體積流量由大變小，進口壓力由小變大，當機組出現喘振現象后，退到離喘振最近的穩定點記錄數據，以此作為壓縮機在該轉速下的喘振點。

12)有了實測喘振線，通過控制系統里喘振線的修正，標定防喘振閥特性。

4 壓縮機運行維護的注意事項

1)經常清理壓縮機進口管路的過濾器以及差壓變送器排污處和其他出口管道容器，避免被灰塵、雜質、污垢等堵塞。

2)在運行操作中要嚴格觀察壓力、溫度、進氣流量、氣體分子相對質量、轉速、管網容器壓力以及冷卻器對管路氣體的作用等工藝條件的變化，防止進出口管線堵塞。經常觀察工況點在操作條件下的操作動態，當工藝條件發生變化且運行工況條件趨于防喘振線時，必須將回流閥、進口節流、轉速、進口導葉角度調整到手動模式，改變壓縮機性能工況點，降低壓縮機出口阻力，使工況點遠離防喘振區域。同時要立即查明原因，盡快恢復正常工藝。

3)嚴格按照操作手冊進行規定的操作，一旦發生喘振，一般不要停機，首先使機組脫離喘振區域，然后查明原因。檢查機組有無損壞，一切正常則恢復正常操作。

4)和壓縮機有關的各種變動，應盡早通知壓縮機操作位，事先評估風險，做好預備方案。