離心壓縮機性能研究

羅 楠* 張世星 鄭天一

（1.浙江恒逸工程管理有限公司 2.埃理奧特機械設備維修服務（天津）有限責任公司 3.中國石油大慶煉化公司）

0 引言

離心壓縮機是速度型壓縮機的一種，具有排量大、效率高、結構簡單、易損件少、連續運轉周期長等特點，廣泛應用于石油化工行業。離心壓縮機作為石油化工裝置的“心臟”設備，一旦發生故障，會導致裝置循環或停工，嚴重影響石化裝置生產安全。通過對離心壓縮機性能曲線和喘振特點進行研究分析，提出了離心壓縮機操作過程中的注意事項，可為實現離心壓縮機安全運行的目標提供技術支撐。

1 離心壓縮機性能曲線分類

離心壓縮機的各項性能參數不是孤立的、靜止的，而是相互聯系和相互制約的。對于特定的壓縮機，這種聯系和制約具有一定的規律，可用曲線表示，即為壓縮機的性能曲線。

典型的離心壓縮機性能曲線有能量頭-流量曲線、排出壓力-流量曲線、功率-流量曲線、效率-流量曲線等，下面以某壓縮機廠56M91 機型離心壓縮機為例，對其性能曲線進行分析。

1.1 能量頭-流量曲線

能量頭是指單位質量的氣體經過離心壓縮機壓縮后其蘊含的能量與壓縮前狀態的差值，表示單位質量的氣體可以提升的高度。不同轉速下離心壓縮機能量頭-流量曲線如圖1 所示。由圖1 可知，在離心壓縮機的操作區間內能量頭和流量成反比，即離心壓縮機流量越大，能量頭越低。

圖1 離心壓縮機能量頭-流量曲線

1.2 排出壓力-流量曲線

離心壓縮機的壓比和轉速固定，隨著流量的增加，壓縮機的出口壓力將增加，當出口壓力達到一定程度之后，氣體在設備的某處達到當地音速，或者雖然沒有達到當地音速，壓縮機對氣體所做的功全都用來克服流動損失，不能夠再增加流量，這個流量的位置所在點就是阻塞點，如圖2 所示。而當流量不斷減少時，壓縮機的出口壓力會不斷增加直至出口壓力不穩定，這個流量所在的位置就是壓縮機的喘振點。

圖2 離心壓縮機排氣壓力-流量曲線

1.3 功率-流量曲線

1.4 效率-流量曲線

圖3 離心壓縮機功率-流量曲線

在固定轉速條件下，離心壓縮機在某一流量下具有效率最高點。這是因為在流量點時，壓縮機的沖擊損失最小，而隨著流量增大或者減小，壓縮機的沖擊損失都會增加，如圖 4 所示。

圖4 離心壓縮機效率-流量曲線

1.5 離心壓縮機性能曲線共同點

離心壓縮機性能曲線具有以下共同點：

（1）流量有最大和最小兩個極限流量，排出壓力也有最大值和最小值；

（2）效率曲線有最高效率點，離開該點的工況效率下降很快；

（3）轉速增大時，壓縮機的性能曲線向上方移動；

（4）轉速增大時，氣流馬赫數增大，這時流量若偏離設計工況，就會使損失大大增加，性能曲線變陡，使穩定工況范圍變窄。

2 離心壓縮機喘振和阻塞工況

2.1 喘振機理

離心壓縮機的工作原理是利用高速旋轉葉輪產生的離心力對氣體做功，使氣體速度增大，壓力升高，高速氣體通過設置在葉輪后的彎道和擴壓器進一步降速增壓，從而使氣體部分動能轉化為壓力能。

當離心壓縮機進口流量減小時，葉輪工作面處會產生邊界層的分離，導致氣體在葉輪處旋轉脫落，部分氣體未被葉輪做功，壓縮機出口壓力將降低；如果壓縮機進口流量進一步減小，葉輪處的旋轉脫離氣體團將會堵塞葉道，壓縮機出口壓力將會顯著下降，直至出口壓力低于出口管網壓力，則出口管網內氣體倒流至壓縮機，倒流氣體補充了壓縮機級流量不足，葉輪恢復對氣體正常做功，再次把倒流回級內的氣體壓縮出去，這樣葉輪內流量再次減小，出口壓力再次下降，管網內氣體再次倒灌，如此周而復始，在整個壓縮機系統內發生周期性的低頻率、大振幅的氣流振蕩現象，就稱為喘振。

2.2 壓縮機的阻塞工況（最大流量工況）

離心壓縮機流量增大到一定程度時，氣流的負沖角較大，葉片做功全部轉變為能量損失，壓力不再升高，僅用于維持在該流量下氣流流動，或者在流道最小截面處出現了聲速，邊界層分離區急劇擴大，壓縮機達到了阻塞工況，此時壓力得不到提高，流量不再增大。阻塞流量是一臺壓縮機在給定速度下能承受的最大流量。阻塞情況通常對壓縮機有害，但沒有喘振對壓縮機傷害大。

2.3 壓縮機性能曲線分區

離心壓縮機的性能曲線，可分為三個區域，如圖5 所示。

喘振線左側區域為壓縮機喘振工況區，壓縮機在該區域內運行將發生喘振。阻塞線右側區域為壓縮機阻塞工況區，壓縮機在該區域運行將發生阻塞。處于喘振工況和阻塞工況之間的區域，稱為穩定工作范圍，即壓縮機可安全運行的區域。

圖5 離心壓縮機性能曲線分區

2.4 喘振的后果及判斷

離心壓縮機發生喘振將會使機組產生劇烈震動，機器噪音增大，甚至損壞離心壓縮機組。喘振可以通過以下幾個現象識別：（1）轉子振動過大；（2）工藝氣體排氣溫度持續超高；（3）出口壓力和進口流量出現周期性、大幅度波動；（4）軸向推力快速變化；（5）載荷突然變化；（6）現場機體發出刺耳聲音（喘振嚴重時）。

2.5 喘振的影響因素

離心壓縮機運行過程中介質溫度、壓力、流量等參數均不斷變化，所以影響離心壓縮機喘振的因素不是唯一的，而往往是幾種因素共同作用的結果，下面就壓縮機各參數對壓縮機喘振的影響進行分析。

2.5.1 轉速對壓縮機喘振影響

若壓縮機的壓比不變，提高壓縮機的轉速，壓縮機的入口流量會增大。如果壓縮機處于出入口壓力穩定的管網情況，而壓縮機工作點靠近喘振點時，可以通過提高轉速來使工作點遠離喘振點，這是確保制冷壓縮機機組啟動的時候離開喘振區間的常用方式。

2.5.2 壓縮機氣體組分

壓縮機壓縮不同組分氣體的性能曲線各不相同，從圖6 中可以看出：組分分子量增加，曲線向右上方移動；組分分子量減小，曲線向左下方移動。

圖6 離心壓縮機不同組分氣體性能曲線

2.5.3 管網特性

眾所周知，離心壓縮機的工作點是性能曲線和管網特性曲線的交點，如圖7 所示。管網特性曲線是指離心壓縮機出口管網的阻力曲線，與管網的容積和阻力有關。改變任意性能曲線就會改變壓縮機的實際工作點，若管網阻力增加，管網特性曲線變陡，壓縮機實際工作點左移，機組則容易發生喘振。

圖7 離心壓縮機工作點示意圖

2.5.4 壓縮機進氣狀態

離心壓縮機進氣狀態（溫度、壓力、密度）改變會使壓縮機的性能曲線和喘振點發生變化，壓縮機對氣體的理論能頭為：

（1）溫度對喘振的影響

對于壓縮機指定氣體的壓縮機來說，假定氣體常量R，壓縮因子Z和多變指數M為定值， 若壓縮機在定轉速下運行，壓縮機功率P和壓縮比r不變，若壓縮機進氣溫度Ts升高，則壓縮機理論能頭H增大，根據P=H×Q，壓縮機入口流量減小，壓縮機喘振可能增大，所以壓縮機在恒壓下運行，氣體溫度越高，越容易發生喘振。

（2）壓力對喘振的影響

對于指定氣體的壓縮機來說，假定氣體常量R，壓縮因子Z和多變指數M為定值， 若壓縮機在定轉速下運行，壓縮機功率和入口溫度不變，若壓縮機進氣壓力降低，則壓縮機壓比r 增大，壓縮機理論能頭H增大，根據P=H×Q，壓縮機入口流量減小，壓縮機喘振可能增大，所以壓縮機進氣壓力越低，越容易發生喘振。

（3）介質組分對喘振的影響

若壓縮機在定轉速下運行，壓縮機功率、入口溫度不變和壓縮機壓比不變，若壓縮機壓縮的氣體組分變輕（分子量變小），則壓縮機氣體常數變大，壓縮機理論能頭H增大，根據P=H×Q，壓縮機入口流量減小，壓縮機喘振可能增大，所以壓縮機壓縮氣體分子量變小，容易發生喘振。

4 結論

（1）離心壓縮機壓縮不同氣體時的特性曲線并不相同，了解壓縮機性能曲線對壓縮機的選型和操作有重要意義。

（2）離心壓縮機的喘振與管網特性關系密切，管網阻力增大（出口閥節流），越容易發生喘振。

（3）介質分子量增加，給定比率的能頭就會成正比減少。

（4）壓縮機正常運行時，入口溫度升高，越容易發生喘振；入口壓力越低，越容易發生喘振；壓縮介質變輕（分子量變小），容易發生喘振。

（5）壓縮機壓比不變的情況下，壓縮機轉速越低，越容易發生喘振。