離心式壓縮機(jī)防喘振控制研究

王 華

（陜西延長石油天然氣股份有限公司，陜西延安 716000）

離心式壓縮機(jī)是一種速度式的壓縮機(jī)，具有排氣量大、效率高等特點(diǎn)。其內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、氣流不受油污染特性，因此，離心式壓縮機(jī)一般運(yùn)行平穩(wěn)，而且壓縮氣流無脈動(dòng)。但是，由于離心式壓縮機(jī)在使用中會(huì)受到氣體壓力、流量以及溫度方面的影響，十分容易出現(xiàn)喘振的問題。在離心式壓縮機(jī)的運(yùn)行中，喘振是一種固有現(xiàn)象，同時(shí)具有較高的危害性，也是當(dāng)下壓縮機(jī)出現(xiàn)損壞的重要原因之一。雖然制造廠家通過控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，最大程度上降低了喘振出現(xiàn)的可能性。但是在長期的使用過程中，依然會(huì)出現(xiàn)不同程度的喘振問題，并產(chǎn)生一定的危害。因此，為了有效地解決喘振問題，就需要將理論與實(shí)踐進(jìn)行結(jié)合，明確喘振的具體原理，進(jìn)而能夠控制好產(chǎn)生壓縮機(jī)喘振的主要原因，實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的處理，消除喘振問題，提升壓縮機(jī)的整體運(yùn)行效率。

1 離心式壓縮機(jī)運(yùn)行原理

壓縮機(jī)在正常運(yùn)行過程中，氣體會(huì)隨著壓縮機(jī)的葉輪的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，在離心力的作用下氣體被甩出，被甩出的氣體大量進(jìn)入到壓縮機(jī)的擴(kuò)壓器，然后在葉輪位置形成一個(gè)真空帶，與此同時(shí)，部分沒有經(jīng)過處理的外界空氣也會(huì)流入到葉輪當(dāng)中，隨著葉輪的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，將氣體不斷吸入、甩出，這樣一來氣體就會(huì)不斷地吸入、甩出，使氣體來回循環(huán)保持流動(dòng)。

2 離心式壓縮機(jī)喘振成因

造成喘振現(xiàn)象的直接和間接因素有很多種，在很多情況下，是由于多種因素結(jié)合而形成的喘振問題。

1）系統(tǒng)壓力超高的情況下，會(huì)讓壓縮機(jī)緊急停機(jī)，以此讓氣體出現(xiàn)放空或者回流的問題。而在出口管路上的單項(xiàng)逆止閥門，在實(shí)際的使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)不靈活的問題，或者單向閥距離壓縮機(jī)的出口比較遠(yuǎn)，閥前氣體容積非常大，系統(tǒng)驟然減量，壓縮機(jī)無法得到有效的調(diào)節(jié)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)喘振問題。

2）吸入流量不足時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致喘振的問題出現(xiàn)。這是由于在壓縮機(jī)的入口濾器阻塞，所產(chǎn)生的很大的阻力，嚴(yán)重地影響到壓縮機(jī)的運(yùn)行，進(jìn)而出現(xiàn)喘振。又或者濾芯沒有得到及時(shí)的清理，在冬季出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象，也會(huì)出現(xiàn)喘振問題。

3）離心式壓縮機(jī)零部件遭到破壞。由于離心式壓縮機(jī)內(nèi)部零件比較復(fù)雜，比如，O型環(huán)、平衡盤密封、過濾器等部件，在安裝過程中操作方法不規(guī)范，出現(xiàn)零部件脫落或者由于長時(shí)間運(yùn)行遭到破壞，都會(huì)引起不同程度的喘振現(xiàn)象。

4）離心式壓縮機(jī)操作過程中，升速、升壓過快，導(dǎo)致喘振問題的出現(xiàn)。當(dāng)壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度保持一定時(shí)，氣體的流量和壓力之間存在一定的關(guān)系，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一定量的喘振流量。所以，離心式壓縮機(jī)操作過程中一定要避免升速或者升壓過快，確保離心式壓縮機(jī)氣體流量超出喘振流量。

5）離心式壓縮機(jī)介質(zhì)狀態(tài)的變化導(dǎo)致喘振。喘振的發(fā)生與氣體介質(zhì)狀態(tài)有十分密切的聯(lián)系。如果壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度不變，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力提升就會(huì)導(dǎo)致喘振流量增加；當(dāng)壓縮機(jī)管進(jìn)氣壓一定，運(yùn)轉(zhuǎn)速度不變，而進(jìn)口溫度升高，容易出現(xiàn)喘振現(xiàn)象；當(dāng)壓縮機(jī)管進(jìn)出口處壓力以及運(yùn)轉(zhuǎn)速度都不變時(shí)，如果氣體分量突然大量減少，也十分容易出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。

3 離心式壓縮機(jī)防喘振控制性能曲線

3.1 喘振線

喘振線就是離心式壓縮機(jī)在各個(gè)工況下對(duì)應(yīng)喘振點(diǎn)的線，它把性能曲線分成穩(wěn)定工況區(qū)、喘振工況區(qū)以及堵塞工礦區(qū)。

3.2 離心式壓縮機(jī)的性能變化曲線分析

圖1是離心壓縮機(jī)的性能變化曲線圖，清楚地顯示出不同工況下的性能及穩(wěn)定的工作范圍。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，流量Q增加到一定最大值時(shí)，壓比和效率垂直下降，出現(xiàn)堵塞問題。

圖1 離心壓縮機(jī)的性能變化曲線圖

當(dāng)流量Q減小到一定值時(shí)，工況也會(huì)發(fā)生變化，偏離設(shè)計(jì)工況。此時(shí)進(jìn)入葉輪或者擴(kuò)壓器通道的氣流方向會(huì)發(fā)生變化。氣流沖擊葉片工作面，在葉片非工作面的前緣會(huì)產(chǎn)生較大的局部擴(kuò)壓度。因此，在葉片非工作表面發(fā)生氣流邊界層分離，形成旋渦區(qū)，旋渦區(qū)逐漸向葉輪出口擴(kuò)張，如圖2所示。風(fēng)量越小，分離現(xiàn)象就越嚴(yán)重，而氣流的分離面積越大。

圖2 旋轉(zhuǎn)脫離示意圖

因?yàn)槿~片的形狀跟安裝的位置不能達(dá)到完全的一致，且氣流不均勻，使氣流邊界層的分離可能發(fā)生在葉片內(nèi)或葉片擴(kuò)壓器內(nèi)。當(dāng)流量減小到一定值時(shí)，因?yàn)槿~輪的連續(xù)旋轉(zhuǎn)以及氣流的不斷進(jìn)入，使邊界層分離現(xiàn)象擴(kuò)散到整個(gè)流道，同時(shí)，由于氣流分離沿葉輪旋轉(zhuǎn)的相反方向展開，使氣流漩渦在葉片內(nèi)形成，然后從葉輪外圓折回至葉輪內(nèi)圓，這種現(xiàn)象稱為旋轉(zhuǎn)分離。

當(dāng)葉輪產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)脫離時(shí)，葉道里面的氣流受阻不能流通，壓力也大幅下降，排氣管的高壓空氣倒流回級(jí)里來，在瞬間，倒流氣體就會(huì)補(bǔ)充不足流量，這樣一來葉輪會(huì)恢復(fù)正常工作，從而重新把倒流回來的氣體排出去，級(jí)里流量再次降低，壓力突然下降，如此循環(huán)，在系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生周期性的震蕩，這種現(xiàn)象叫作“喘振”。

4 離心式壓縮機(jī)防喘振控制

4.1 固定極限流量法

對(duì)于這種技術(shù)方式，需要保障壓縮機(jī)在入口的流量，能夠始終高于某一個(gè)設(shè)定好的固定極限值，因此可以有效地避免出現(xiàn)喘振問題。這種技術(shù)方式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，同時(shí)使用中也有著較為可靠的優(yōu)勢(shì)，投入的成本也相對(duì)較低。但是，由于喘振的問題的成因，其流量及限制往往會(huì)與壓縮機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速有著較為明確的關(guān)聯(lián)，所以就會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中并不是保持著恒定的數(shù)值，對(duì)于這種情況來說，就無法很好地使用這種技術(shù)方案。

4.2 可變流量極限流量法

（1）在壓縮機(jī)當(dāng)中的轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)時(shí)，就會(huì)使得進(jìn)入到喘振區(qū)的極限流量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。對(duì)于這種極限流量而言，就可以基于壓縮機(jī)的安全操作下，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。同時(shí)，這種技術(shù)在使用的過程中，主要就是通過對(duì)壓縮機(jī)的入口流量進(jìn)行控制，保障在實(shí)際的運(yùn)行過程中，基于當(dāng)下的機(jī)械設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的極限值調(diào)整，同時(shí)，在安全操作線的方程不相同的時(shí)候，就還要基于不同的計(jì)算方式，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的控制。但是對(duì)于這種方案的使用而言，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速并不恒定，使得可以基于實(shí)際的運(yùn)行需求，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速方面的調(diào)整，因此具有較高經(jīng)濟(jì)性。

（2）在具體的操作中，采用的防喘振控制工藝，其進(jìn)出口壓力、溫度以及進(jìn)口氣體當(dāng)中的實(shí)際流量，都成為需要輸入到喘振控制系統(tǒng)當(dāng)中的重要參數(shù)數(shù)據(jù)。同時(shí)，還要對(duì)壓縮機(jī)的出口位置設(shè)置單向閥門，避免氣體出現(xiàn)倒流的情況。

（3）所構(gòu)建的控制系統(tǒng)當(dāng)中，設(shè)計(jì)了防喘振控制單元。在該單元的構(gòu)成上，主要為傳感器、變送器、喘振控制器、防喘振閥以及回流閥。在這樣的系統(tǒng)運(yùn)行中，其機(jī)組喘振控制器可以從接收入口以及出口位置上采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)，并對(duì)壓縮機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，這樣就可以很好地對(duì)當(dāng)下的防喘振閥的啟動(dòng)進(jìn)行操作。但是一旦無法開展喘振的控制，就會(huì)使得壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振的時(shí)間較短，進(jìn)而更加需要對(duì)設(shè)備與工藝進(jìn)行相應(yīng)的分析，并實(shí)現(xiàn)控制的效果。

（4）在采用恒壓控制技術(shù)時(shí)，其空壓機(jī)當(dāng)中，并不會(huì)出現(xiàn)卸荷的情況，以此就可以實(shí)現(xiàn)流動(dòng)的控制操作。這樣在最小的能耗條件下，以及最少的放空量的情況下，可以優(yōu)化操作流程。通過這樣的操作之后，可以形成持續(xù)性的壓力供風(fēng)。但是，一旦空氣壓力達(dá)到了設(shè)定值，就會(huì)使得在空壓機(jī)的入口導(dǎo)葉位置形成節(jié)流，這樣保障了系統(tǒng)的整體壓力方面的需求。但是，由于恒壓控制的方式，無法很好地完成卸載方面的操作，因此就更加需要在滿足全部工藝要求的前提下，始終維持出口的實(shí)際壓力。而在壓力用風(fēng)充分的滿足全部工藝需求時(shí)，就可以穩(wěn)定地形成一個(gè)出口的壓力值。但是，一旦工藝用風(fēng)當(dāng)中需要讓空壓機(jī)降低到最低的操作范圍時(shí)，就讓放空閥可以形成自動(dòng)開關(guān)的方式。在這個(gè)工藝下的用風(fēng)量，使得空壓機(jī)出現(xiàn)壓縮能力過剩的時(shí)候，可以排出更多的氣體。同時(shí)，對(duì)于總能大于空壓機(jī)的最低穩(wěn)定水平的時(shí)候，還需要緊急實(shí)現(xiàn)針對(duì)性的控制方案的調(diào)節(jié)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)防喘振方面的系統(tǒng)性控制。

5 結(jié)束語

對(duì)于我國現(xiàn)階段的石油化工的生產(chǎn)而言，壓縮機(jī)是一種十分重要的機(jī)械設(shè)備，同時(shí)也保持著持續(xù)性的生產(chǎn)作業(yè)。以此，這就對(duì)壓縮機(jī)的性能提出了更高的要求，要采用合理的方式，控制喘振問題的出現(xiàn)，以此讓離心式壓縮機(jī)可以順利運(yùn)行。