離心式空壓機喘振控制方法介紹

吳 鵬

（阿特拉斯科普柯無錫壓縮機有限公司，江蘇無錫 214028）

1 引言

離心式壓縮機是動能式壓縮機（dynamic principle）的一種，如圖1（radial-centrifugal）所示，使用范圍涵蓋了化工，動力工程，制冷工程和氣體輸送等，具有處理量大、體積小、結構簡單，運轉平穩，維修方便以及氣體不受污染等特點。

然而，在離心機的運行過程中，對氣體的壓力，流量，溫度變化較敏感，容易發生“喘振”。早在1945年英國首先發現了離心式壓縮機的喘振現象并引起了人們的注意。喘振是離心式壓縮機的一種固有現象，具有較大的危害性，是壓縮機損壞的主要誘因之一[1]。

圖1 壓縮機分類

2 離心式壓縮機喘振介紹

離心式壓縮機工作的基本原理是利用高速旋轉的葉輪帶動氣體旋轉，使流速增大。在葉輪后部設置有截面積逐漸擴大的擴壓元件（擴壓器），從葉輪流出的高速氣體在擴壓器內進行降速增壓，氣體的動能轉換成壓力能。

如圖2所示，當壓縮機的操作工況偏離設計工況時，葉輪進氣流量減小到一定程度后，在某一個或幾個葉片上會發生氣流邊界層的分離（如流道B），進而會影響到相鄰流道A和C，改變了原來流向A、C流道的氣流方向，邊界層的分離將會和葉輪旋轉方向相反的方向旋轉移動（如圖中u′的方向）。實驗表明，這種旋轉移動速度小于葉輪的旋轉速度，即u′＜u，所以在絕對運動中，分離區的方向將會以和葉輪旋轉方向相同，這種現象稱之為“旋轉脫離”。

旋轉脫離的出現，使得進出口的壓力，流量和速度等參數產生強烈脈動，對葉輪葉片產生了周期性的交變作用力，導致強烈的振動和噪聲。如果進一步減小流量，整個流道將無法正常排出壓縮氣體，出口壓力大大下降，再加上管網中回流的高壓氣流，產生所謂的“喘振現象”[2]。圖3即為典型的由于喘振導致的葉輪失效。

在實際運行中，每一臺離心式空壓機都會有固有的流量控制曲線，如圖4所示即為一典型的性能曲線（排氣流量-排氣壓力）：針對每一條進氣負荷曲線，都會有一個最小的進氣流量，低于這個最小的進氣流量，機器就會進入喘振區域。而所有的最小進氣流量點就會形成“喘振曲線”，找到這條喘振曲線就能實現對離心式空壓機的有效控制。

圖2 轉動葉柵中旋轉脫離的示意圖

3 固定極限流量法

基于最高轉速下的喘振流量，疊加一定的安全余量，使壓縮機在運行過程中避免進入喘振區域運行，其控制原理如圖5所示，當壓縮機入口流量小于設定值時，安裝在排氣管道上閥門將由控制馬達開啟，使部分氣體放空或者返回到壓縮機吸入口循環使用，因此不論壓縮機后續需求氣量是多少，機器將始終運行在非喘振區域。

圖3 典型的葉輪喘振失效

圖4 離心式壓縮機性能曲線

圖5 固定極限流量法防喘振控制原理圖[1]

圖6 不同參數下定義的喘振[4]

對于離心式壓縮機來說，壓頭、流量和轉速是監控其運行的3個定義參數，其中任意兩個即可用來定義機器的運行點和喘振點[3]。

4 喘振曲線的建立

取二級的進排氣壓差（Dp，Difference Pressure，PDT19） 和二級流量壓差（Dp Nozzle，Difference Pressure of Nozzle，PDT20） 來建立控制曲線（即Turndown），其定義如圖7所示。

圖7 控制點選取圖示

表1 兩點法喘振數據記錄

選取一臺二級壓縮的離心機進行喘振實驗，分別選取IGV開度為15%和80%時，利用控制程序將BOV從全開狀態逐漸關閉，并通過葉輪主軸軸承上的振動檢測傳感器和排氣壓力實測值來判斷機器是否進入喘振狀態，一般來說，當振動值和排氣壓力值劇烈波動，并伴隨有異常噪聲時，機器基本運行在喘振流量。

如圖8所示，通過采取喘振點 1和喘振點 2來建立喘振曲線，在實際的喘振曲線上，選取一定的運行余量來設置機器的性能曲線。

但在實際運行中，我們發現，機器在某些特定的IGV開度下，機組控制電腦上沒有出現喘振報警提示，但是實際已經運行在喘振區域，并出現了葉輪失效的嚴重后果。

為此，我們增加控制點（IGV開度分別為20%、35%和70%）來重新定義性能曲線，記錄的參數，見表2。

圖8 兩點法建立喘振控制線

通過對比圖8和圖9我們發現，在選取2個運行狀態點捕捉到的離心機的喘振曲線并不能代表真實的性能曲線，選取5點采集數據更接近機器實際的運行狀態。在以上案例中，當IGV開度為35%時，如果我們僅僅采集2個狀態點，將會存在機器運行在喘振區域的風險。

表2 五點法喘振數據記錄

5 結語

在機器的實際運行中，我們希望設置的喘振線能夠和實際喘振線完美的匹配。通過實際的案例測試，我們可以很清楚的發現，離心式空氣壓縮機的實際喘振曲線并非是一條直線（圖10），而是一條不規則的曲線。

圖9 五點法建立喘振控制線

圖10 實際喘振線、設置喘振線、運行控制線

基于不同的工業需求和成本控制，實際上喘振控制有很多種可以運用的方式，如可變極限流量法、模糊控制法等[4]。但在空氣壓縮領域，運用固定極限流量法，配合五點喘振數據采集，已經可以有效的實現對整機的保護。

實踐也證明，在我們采取了五點控制法并將其應用到市場之后，沒有再發現因為喘振導致的葉輪失效，從而進一步驗證其有效性。