離心式壓縮機喘振分析及預防措施

劉云龍 呂文浩 魯悅

摘要：離心式壓縮機通過葉輪帶動氣體運動，增加氣體的動能，把氣體部分的動能轉換成壓能，使氣體壓力增大。其優點是單級流量大、壓比高、氣體介質密封性好。又因離心式壓縮機壓力與流量關聯度高，穩定運行范圍較窄，容易發生喘振，為確保離心式壓縮機在工藝要求條件下安全穩定運行，必須對喘振進行控制。通過現場測量壓縮機的性能曲線，在一定條件下可獲得與實際運行相匹配的防喘振曲線，該防喘振系統控制下的機組應是最安全和經濟的。

關鍵詞：離心式壓縮機;喘振;故障分析;預防

中圖分類號：TH452;TH165.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0121-02

0? 引言

石油、天然氣作為重要的能源型資源，目前在各個行業中都得到了越來越廣泛的應用，只有充分考慮到壓縮機在石化行業中的重要作用，切實分析離心式壓縮機存在喘振問題的原因以及解決辦法，才能有助于石化裝置的安全穩定運行。本文主要針對離心式壓縮機防喘振控制提出觀點，分析離心式壓縮機喘振產生的原因及危害，結合具體設備運行過程中存在的問題，提出了離心式壓縮機防喘振控制系統設計的相關探討。

1? 離心式壓縮機喘振

1.1 離心式壓縮機喘振的原因

離心式壓縮機在工作中經常發生喘振。喘振也被稱呼為“飛動”，該現象的產生主要由于壓縮機機組入口流量低于某一值（喘振流量），從而使壓縮機機組的管網壓力高于壓縮機出口壓力，導致氣體倒流回機組，由于反復的氣體脈動影響，使壓縮機出現了“呼哧、呼哧”的聲音，伴隨著機組振動值上升。因此，在離心式壓縮機的運行過程中，應嚴格控制，防止喘振現象的發生，并及時加以改善。

1.1.1 內因

離心式壓縮機喘振的內因就是由葉輪以及介質所導致的，當進口的流量低于標準值時，壓縮機的氣流方向就會和葉片進口的安裝角產生偏差，如果偏差較大，還會導致脫離，此時氣體就會滯留在葉輪的流道中，進而造成壓縮機的壓力減小，不過由于工程管路有一定的背壓，出口壓力并不會變小，這樣就會使氣體發生回流，補充流量，使其恢復正常。如果流量繼續變少且補充不足時，倒流現象還會出現，如此反復，裝置中的氣流就會出現振蕩，這就是離心式壓縮機的喘振內因。

1.1.2 外因

離心式壓縮機喘振的外因主要就是管網導致的。管網是離心式壓縮機輸送介質的一種管道系統，其主要由吸入管道和排出管道構成，主要包括：管線、管件和閥門等。若由管網原因導致的喘振，則離心式壓縮機的喘振幅度會隨管網容量的增多而變大，隨管網容量的減少而變小;若由管網性能曲線左移導致的喘振，則當氣流量變小時，管網性能曲線會加大左移，從而與離心式壓縮機的喘振曲線相交在喘振區域，使離心式壓縮機發生喘振。

1.1.3 其他

離心壓縮機的喘振還有很多原因。第一、吸氣不足。當離心壓縮機運轉時，如果冷卻器漏水或塵土堆積，就會阻塞壓縮機的流道或葉輪進口，導致吸入量減少，進而引起離心壓縮機喘振。第二、壓縮機壓力過高。離心壓縮機在運轉過程中，由于突然停機，會出現介質回流，造成內部壓力過大，出現喘振現象。第三、作業流程不規范。一般而言，對于汽輪機、變頻電機、液力耦合器等可變轉速驅動機驅動的離心式壓縮機升壓時，應先保證逐漸提升轉速，再緩慢關閥升壓;降低轉速時，應先降低壓力，使氣體排出或回流。但是在實際操作中，操作人員不按規定操作，容易造成離心壓縮機的喘振。第四、離心壓縮機部件損壞。離心壓縮機的內部部件較多，一旦發生異常現象，會引起振動。此外，如果過濾器或葉輪的阻力過大，止回閥容易損壞，造成離心壓縮機的喘振。

1.2 離心式壓縮機喘振的特性

喘振是因為離心式壓縮機在某一個小流量下工作時出現的一種氣流分離現象，是內外因素相互作用的結果，內部因素是因為設備的運轉產生了兩個部件之間的流量差，外部因素則是因為兩者之間壓力的變動產生的氣體倒流。內部因素和外部因素不是并列存在的關系，內部原因在外部原因的促成下發揮作用，二者存在一點就會對整體的壓縮機運行造成影響，出現喘振現象。所以，離心式壓縮機喘振的特性就是一個內外因素共同作用的結果。

1.3 離心式壓縮機喘振的危害

雖然喘振只是壓縮機在工作時，因為小流量的變動產生的一種不穩定現象，但是會對運行中的設備造成極大的損傷，一旦出現喘振現象，壓縮機的運行將會中斷，電路會受損，造成內部的葉片損壞，還會出現其它設備的紊亂和報廢，如軸承、密封系統，甚至可能導致危險氣體泄漏，外部工作人員的受傷，帶來極大的經濟損失，造成安全事故。

2? 離心式壓縮機防喘振控制系統

2.1 防喘振控制系統的原理

對于離心式壓縮機防喘振控制系統原理的研究要從出現喘振現象的原因入手。離心式壓縮機的喘振是由于吸入流量的減少，所以，只要保證輸送氣體的過程中流量能夠大于該處引起喘振的閾值，就能保證機器穩定運行。對防喘振控制系統的研究要經過多種因素的測定，因此要進行多次實驗，探索出針對不同種類的壓縮機各自不同工況條件下的運行曲線，以及不同形式的零件之間的設計裝配精確度。根據不同的情況在可變極限流量法和固定極限流量法中合理選擇最優方案，最大限度的防止喘振的出現。

2.2 防喘振控制系統的方案選擇

防喘振控制系統的研究應與現有技術相結合。

①應用變頻技術，可有效降低喘振的可能性。采用變頻調速技術，可以通過改變驅動電機的工作頻率，調整壓縮機的轉速，合理調整壓縮機的運行工況，滿足流量需求，降低壓縮機的運行功率，實現對喘振現象的控制，保證機組和人員的安全，在一定程度上減少能耗，使噪音盡量控制在可接受的范圍內。但是變頻控制需要變頻電機及配套變頻系統的投資和維護費用較高。

②壓縮機出口流量通過回流管道回流至進口，補償進口流量過小，防止喘振，通常在回流管道上面加裝防喘振閥。在運行初期，防喘振閥全開以保證入口流量補償充足;平穩運行后，管網流量足夠，再緩慢關閉此閥，以滿足額定工況。同時在發生喘振時，又具有快速開啟功能，最大程度上防止喘振發生。

③進口調節導葉+回流控制的防喘振控制系統。對于空分設備，由于進口流量大，通常在壓縮機的一級葉輪進口前端安裝進口可調導葉，可根據工作需要調整導向角，一般設計流量45～100%為控制范圍。最小控制值取決于氣體輸入和輸出狀態（壓力、進口溫度、出口溫度和氣體組分），以及導葉（入口導葉、出口擴散器）的位置，不同角度的導葉對應著不同的工作曲線。當未開啟回流時，流量調節范圍可達45～100%，無喘振現象。當壓縮機工作點接近喘振界限時，啟動喘振控制和喘振保護。

因此，進口可調導葉+回流控制是一種節能、簡單易行的防喘振控制方案。但是進口導葉調節多用于空壓機，而對于丙烯冷劑壓縮機等不適用安裝進口導葉的特殊機型，只能通過回流控制。對于不具備蒸汽條件而無法使用汽輪機的現場，則可選變頻電機或耦合器以達到變轉速調節的防喘振功能。

2.3 喘振監測、控制和保護

防喘振控制是通過嚴密監控機組實時運行狀態，聯動控制相應工況，降低喘振現象對壓縮機造成的危害。

防喘振閥的控制功能主要來源于喘振量、閥門定位器的回位和防喘振閥的位置。經常檢測防喘振線路，可以確定其閥門定位器和執行機構的當前狀態，并通過有效調整與快排閥并列的旁通閥，使其保持相對穩定。若壓縮機工作點通過喘振線，流量持續下降，防喘振閥將迅速完全開啟，直至流量增加超過喘振極限，再緩慢關閉，調整至穩定開度。

波動保護：波動控制器是用來計算輸出壓力梯度的。當坡度超過調整后的臨界壓力坡度時，開始計時器計算所檢測的坡度。在探測到兩個連續梯度時，回流閥會根據喘振周期的梯度（33%、66%、100%）逐漸開啟。若計數器超過設定跳閘參數（一般為5次），即發生喘振，則控制系統必須關閉壓縮機。

3? 防喘振技術研究方案

3.1 防喘振技術研究方案

首先是根據壓縮機出廠的參數來設定額定工況下的相關數據，在通過多次的現場試驗來判斷，設定的數值是否符合實際要求，再根據實際情況，對有問題的部分進行調整，記錄下最終得出的數據，重新編寫，調整系統。根據編制控制軟件，對壓縮機運行進行實時監測，保證機組安全，自動調節，防止出現喘振現象。防喘振技術的研究是在數據研究的基礎上，通過多次的試驗得到經驗值，進而擬合出防喘振線，將數據調控在可靠范圍內，降低喘振對壓縮機的損害，確保平穩安全運行，減少經濟損失。

3.2 可變極限流量法控制系統研究

當壓縮機進氣的過程溫度或氣體組分發生變化時，雖然條件波動，但同一臺壓縮機壓縮相同流量的氣體所提供的能量不會改變，僅通過改變進氣的溫度和壓力等因素，可以改變極限流量，通過改變曲線或改變防喘振旁通閥開啟點的設置，來保持壓縮機喘振線穩定。

3.3 固定極限流量法控制系統研究

為達到控制流量或壓力的目的，傳統的無毒害且不燃氣體壓縮機設備通常采用放空等手段來控制流量，這些調節方式比較簡單，但長期觀察發現，這種方式會造成管網損耗，造成能源浪費，最終經濟利益也會受損。因此設置了一個新的防喘振控制器，需要設置最大值，當壓縮機吸入量小于固定值時，開啟回流閥，將氣體回流回壓縮機，增大流量，防止喘振發生。對于工藝裝置要求壓縮機常態運行在遠離喘振流量極限值時，通常采用固定極限流量法防喘振控制。

4? 結束語

本文通過對離心壓縮機的喘振現象進行分析，從原因、監控、防護等方面制定出解決問題的方法之后可以得出，隨著我國市場經濟的不斷發展，對于石化企業來說，離心式壓縮機屬于工業流程的核心裝置，從設備入手，研究分析經常發生的喘振現象，找到合理的預防及應對措施，實現對核心工業設備的保護，降低能耗，對于企業的經濟效益與石化行業的社會效益起到巨大的影響作用，進而促進全產業的可持續發展。

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