离心压缩机的喘振分析和控制

离心压缩机的喘振分析和控制

一、概述

离心压缩机是透平式压缩机的一种，具有处理量大、体积小、结构简单、运转平稳、维修量小以及压缩气体不受油污的特点。离心压缩机的安全可靠运行对生产有着非常重要的意义。然而，离心压缩机对气体压力、流量、温度变化较敏感，易发生喘振。喘振是离心压缩机的一种固有现象，具有较大的危害性，是压缩机损坏的主要原因之一。如果能有效避免发生喘振，离心压缩机的维修量非常小；而发生喘振往往造成设备叶轮、主轴、轴承、导叶、干气密封等重要部件损坏，有时甚至导致整个机组报废。因此，应当结合生产实践，逐步掌握喘振的机理，掌握喘振的影响因素，采取有效的防喘振控制措施，提高压缩机的抗喘振性能和运行可靠性。

二、喘振及相关名词

(一) 喘振

离心压缩机在运行过程中，当负荷降低到一定程度时，气体的排出量会出现强烈振荡，同时机身也会剧烈振动，并发出“哮喘”或吼叫声，这种现象叫做压缩机的“喘振”。

（二）特性曲线

压缩机出口绝压Pd与入口绝压Ps之比（或称压缩比）和入口体积流量的关系曲线。

（三）喘振极限线

将不同导叶开度下的压缩机特性曲线最高点连接起来所得的一条曲线，即为压缩机喘振极限线，安全防护线增加流量约5%-10%（设计流量的8%）。多级与单级相比，整机的喘振流量增大，性能曲线的形状变陡，稳定工况范围变窄。（四）喘振工况

离心式压缩机最小流量时的工况称为喘振工况。二段由于压力高，又经过冷却器所以比一级更容易出现喘振，喘振流量比一段低。

三、喘振现象的产生

1、喘振的机理

离心式压缩机工作的基本原理是利用高速旋转的叶轮带动气体一起旋转而产生离心力，从而将能量传递给气体，使气体压力升高，速度增大，气体获得了压力能和动能。在叶轮后部设置有通流截面逐渐扩大的扩压元件（扩压器），从叶轮流出的高速气体在扩压器内进行降速增压，使气体的部分动能转变为压力能。离心式压缩机的压缩过程主要是在叶轮和扩压器内完成。

当离心式压缩机的操作工况发生变动并偏离设计工况时，如果气体流量减少则进入叶轮或扩压器流道的气流方向就会发生变化。当流量减少到一定程度，由于叶轮的连续旋转和气流的连续性，使这种边界层分离现象讲扩大到整个流道，而且由于气流分离沿着叶轮旋转的反方向扩展，从而使叶道中形成气流漩涡，再从叶轮外园折回到叶轮内圆，此现象称为气流旋离，又称旋转失速。发生旋转脱离时叶道中的气流通不过去，级的压力也突然下降，排气管内较高压力的气体便倒流回级里来。瞬间，倒流回级中的气体就补充了级流量的不足，使叶轮又恢复了正常工作，从而从新把倒流回来的气体压出去。这样又使级中流量减少，于是压力又突然下降，级后的压力气体又倒流回级中来，如此周而复始，在系统中产生了周期性的气体振荡现象，这种现象称为“喘振”。

2、造成喘振的原因

影响离心式喘振的因素不是单一的，往往是多种因素综合作用的结果，运行中可能造成喘振的各种原因有：

（1）流量

每台离心式压缩机在不同转速n下都对应着1条出口压力P与流量Q之间的曲线，随着流量的减少，压缩机的出口压力逐渐增大，当达到该转速下最大出口压力时，机组进入喘振区,压缩机出口压力开始减小，流量也随之减小，压缩机发生喘振。从曲线上看，流量减小是发生喘振的根本原因，在实际生产中尽量避免压缩机在小流量的工况下运行。一般认为，压缩机在最小流量下应低于设计流量60%。

（2）气体相对分子质量

在恒压运行工况下，相对分子质量越小，越容易发生喘振。

（3）入口压力

入口压力越低，压缩机越容易发生喘振

不同入口压力时的性能不同入口温度时的性能

（4）入口温度

如上图所示，恒压恒转速下进行的离心式压缩机在不同入口气体温度时的进行曲线，从曲线上可以看出在恒压运行工况下，气体入口温度越高，越容易发生喘振。因此，对同一台离心式压缩机来说，夏季比冬季更容易发生喘振。

以上几种情况都是因压缩机性能曲线下移而导致喘振的，管网性能并未改变。有时候则是因为管网性能曲线发生变化而造成喘振，2015年11月28日发生的喘振就是气相节流阀关闭导致的。

四、防止喘振的方法

防喘振的原理就是针对着引起喘振的原因，在喘振将要发生时，立即设法把压缩机的流量加大。

（1）在空压机出口管线上设置自动防喘振阀（公司应该尽快完成自动比例

跟随）。在运行时，压缩机入口导叶（IGV）用于控制压缩机的流量及压力，如增加压缩机的流量及出口压力时需增大导叶开度，运行中，压缩机进入最小流量前喘振放空阀会自动打开，为确保压缩机远离喘振线而安全运行。

防喘振放空阀和入口导叶控制压缩机流量。压缩机额定流量的30%左右由导叶调节控制，即通过导叶调节可使压缩机额定流量从100%减少到70%，如果流量需进一步减小，只能依靠调节喘振放空阀的开度来实现。当压缩机流量＞70%时，喘振放空阀可以完全关闭。

（2）在压缩机出口管路上增设非放空安全阀，以确保防喘振阀出现故障时能及时、迅速地卸压。

（3）设置回流旁路流程，使压缩机出口的部分气体回流到压缩机入口，从而增加入口流量，减少喘振发生的概率。因为管路的容量愈大，将导致喘振的振幅愈大且频率愈低；管路的容量愈小，将使得喘振的振幅愈小且频率愈高。

（4）定期校验安全阀、防喘振阀、压力及流量仪表，确保其整定值准确、动作灵敏。应重点做好防喘振系统仪表的定期检查工作，确保该系统开启迅速。应每隔2年校对导叶开度的精确性。

（5）在运行过程中，提高压缩机入口流量和入口压力的参数，在流量不变时，可通过降低压缩机排气压力、提高入口压力或两者相结合的方法，减小出口、入口压比，以防止压缩机发生喘振。

（6）全面提升操作质量，重点在于提高岗位操作人员的综合素质。在机组启动前，应首先做好各项检查工作；启动后对系统的升压要缓慢、平稳，切忌操作阀门的幅度过大，尽量减少工况的大幅度波动。联合检查、维护要到位。要加强机组运行状态检测，发现异常现象应及时处理，必要时应紧急停车并进行检查。

（7）设备运行期间，由于转子、叶片、叶轮的腐蚀和结垢，会使压缩机特性曲线发生变化，导致喘振线移位，当喘振线位移量足够大时，最初的防喘振线就不能再起到防止发生喘振的作用。所以，每隔 3 年应验证一次原喘振曲线的准确性，如果位移量过大，需重新修正。

五、公司压缩机防喘振具体措施

防喘振也要和经济性相分析，既要安全又要运行经济才是最合理的措施。

（1）、根据设备说明书中流量特性曲线，在接近工况运行时，要调整导叶