摘 要：離心式壓縮機(jī)是一種葉片旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)（即透平式壓縮機(jī)）。本文主要針對(duì)壓縮機(jī)機(jī)組發(fā)生喘振與防喘機(jī)理作了討論分析與闡述。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī) 喘振 防喘 分析

中圖分類號(hào)：TH452 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）01（c）-0095-02

1 壓縮機(jī)組工程概述

西氣東輸站場(chǎng)有羅斯-羅伊斯（Rolls——Royce簡(jiǎn)稱羅羅）公司和美國(guó)通用電氣（簡(jiǎn)稱GE）公司生產(chǎn)的兩種航改型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組。在西氣東輸燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組中，燃?xì)廨啓C(jī)的主要作用是使氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)離心式壓縮機(jī)。離心壓縮機(jī)的主要作用是，將上游來(lái)的低壓天然氣進(jìn)行升壓分輸至下游用戶。

2 壓縮機(jī)的喘振分析

研究壓縮機(jī)，可以先從壓縮機(jī)內(nèi)部的非定常流動(dòng)入手，對(duì)研究研究壓縮機(jī)有很大幫助。壓縮機(jī)擁有比較復(fù)雜的工作穩(wěn)定性，基本分為利用失速和喘振原理的氣動(dòng)非穩(wěn)定性和利用顫振原理的氣彈非穩(wěn)定性。逐步減小壓縮機(jī)或者壓縮機(jī)系統(tǒng)流量，將促使壓縮機(jī)改變工作地點(diǎn)，如果越過喘振或者時(shí)速線，壓縮機(jī)的工作將會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定情況。壓縮機(jī)的不穩(wěn)定現(xiàn)象我們主要研究其中的氣動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，研究結(jié)果將這種現(xiàn)象總結(jié)成旋轉(zhuǎn)失速和喘振兩種情況。下面我們對(duì)壓縮機(jī)的喘振進(jìn)行分析和討論[1]。

2.1 喘振的原理

喘振的產(chǎn)生：壓縮機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，流量不斷減少，小到最小流量界限時(shí)，就會(huì)在壓縮機(jī)流道中出現(xiàn)嚴(yán)重的氣體介質(zhì)渦動(dòng)，流動(dòng)嚴(yán)重惡化，使壓縮機(jī)出口壓力突然大幅度下降。由于壓縮機(jī)總是和管網(wǎng)系統(tǒng)聯(lián)合工作的，這時(shí)管網(wǎng)中的壓力并不馬上降低，因而管網(wǎng)中的氣流就會(huì)倒流向壓縮機(jī)，直到管網(wǎng)中的壓力降至壓縮機(jī)出口壓力時(shí)倒流才停止。壓縮機(jī)又開始向管網(wǎng)供氣，壓縮機(jī)的流量又增大，恢復(fù)正常工作，但當(dāng)管網(wǎng)中的壓力恢復(fù)到原來(lái)的壓力時(shí)，壓縮機(jī)流量又減小，系統(tǒng)中的氣體又產(chǎn)生倒流，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生周期性氣體振蕩現(xiàn)象就稱為喘振。

它是一種周期性的現(xiàn)象，它能在壓縮機(jī)機(jī)械部件上產(chǎn)生很大應(yīng)力。壓縮機(jī)必須防止喘振，決不允許壓縮機(jī)在喘振情況下運(yùn)行。

如圖1所示。

2.2 喘振產(chǎn)生的原因

造成離心壓縮機(jī)喘振的原因涉及到：工藝專業(yè)、儀表自控專業(yè)及部分設(shè)備專業(yè)等知識(shí)，其復(fù)雜程度不是我們一篇論文就可以闡述的。我們壓氣站為聯(lián)動(dòng)設(shè)備為透平驅(qū)動(dòng)離心壓縮機(jī)系統(tǒng)，涉及的知識(shí)就更多。如果放開來(lái)，足可以寫上一本書，所以我們?cè)谶@里只能提供大概的思路。

工藝操作系統(tǒng)引起的離心機(jī)喘振因素有以下幾點(diǎn)。

（1）各段吸入流量嚴(yán)重不足，導(dǎo)致喘振；（2）某段的吸入口壓力過低導(dǎo)致喘振；（3）由于段間發(fā)生堵塞，造成實(shí)際吸入不足導(dǎo)致喘振；（4）離心機(jī)設(shè)備內(nèi)部轉(zhuǎn)子或擴(kuò)壓孔道中有液體的羈留導(dǎo)致喘振；（5）壓縮機(jī)的末段出口下游壓力高于壓縮機(jī)出口導(dǎo)致喘振；（6）壓縮機(jī)某段吸入少量液體；（7）在開車過程中操作不當(dāng)，如打開末段出口大閥和關(guān)閉防喘振閥不匹配等原因。

由設(shè)備本身原因引起的壓縮機(jī)喘振的條件比較少，可能的原因大多為錯(cuò)誤的檢修所致。

3 壓縮機(jī)防喘過程分析

流量與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，多變壓縮能量頭與轉(zhuǎn)速平方成正比關(guān)系，

、、為常數(shù)，為多變壓縮能量頭，為流量，為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。

在石油化工生產(chǎn)中，在工藝條件波動(dòng)的情況下，壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度、壓力、氣體組分的變化都會(huì)引起壓縮機(jī)性能曲線及喘振點(diǎn)的變化。壓縮機(jī)提供給氣體的能量或壓縮功可用如下公式來(lái)描述：

式中，為多變壓縮能量頭；為多變指數(shù)；為溫度；為氣體常數(shù)；為氣體分子量；為出口壓力；為進(jìn)口壓力；為壓縮因子。由（1）和（2）式得到：

由于：

式中，為入口流量計(jì)壓差；為流量計(jì)流量系數(shù)，由孔板尺寸決定；為壓縮機(jī)入口氣體密度。由于：

由（4）和（5）式得到：

由（3）和（6）式得到如下公式：

由于是小壓比，因此：

由此得到：

由（7）和（8）得到：

設(shè)：為常數(shù)

由公式

以及

得到Qs與的關(guān)系，為2次平方關(guān)系。得到壓比和流量的關(guān)系曲線，如圖2所示，為喘振曲線[2][3]。壓比Qs=0，=1。

圖3是壓縮機(jī)特性圖，該圖體現(xiàn)了壓縮機(jī)內(nèi)部不穩(wěn)定的工作原理。壓縮機(jī)動(dòng)態(tài)過程中的一些關(guān)鍵因素，像喘振邊界線以及速度線等都在該圖上有體現(xiàn)，該圖表現(xiàn)出該系統(tǒng)中的工作點(diǎn)如果在傳真線的左邊部分，壓縮系統(tǒng)工作出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)的壓力和進(jìn)口流量關(guān)系。

在我們實(shí)際的壓氣站，一般不會(huì)考慮喘振線右側(cè)的實(shí)際特性曲線，因?yàn)橐坏┑酱窬€左側(cè)，會(huì)引起壓縮機(jī)停機(jī)。因此我們一般不會(huì)看到壓縮機(jī)的3次S型曲線，我們只考慮如圖3所示的曲線。我們?cè)趯?shí)際的壓縮機(jī)中，都會(huì)有防喘振系統(tǒng)，防喘振系統(tǒng)在壓縮機(jī)特性曲線中，設(shè)置喘振線的右邊的防喘振線來(lái)反映防喘系統(tǒng)的控制過程。

壓縮機(jī)以恒速在穩(wěn)定點(diǎn)m上運(yùn)行。由于工藝突然波動(dòng)，工藝的流量v從m點(diǎn)減到r點(diǎn)。然而，壓縮機(jī)按照對(duì)速度的設(shè)定繼續(xù)提供氣流并且工藝阻力增加，同時(shí)操作點(diǎn)沿曲線向n點(diǎn)移動(dòng)（流量減少，壓力比增加）。

在該點(diǎn)n上，喘振控制系統(tǒng)開始打開防喘閥，以防止流量降至喘振線，控制器繼續(xù)打開防喘閥，直到減少到的工藝流量v1和通過防喘閥的流量總計(jì)達(dá)到最小流量v2，這是隨著出口壓力的變化（壓力比），由來(lái)自控制線的設(shè)定點(diǎn)決定的。如果壓縮機(jī)速度設(shè)定不變，新的操作點(diǎn)n將穩(wěn)定下來(lái)并由喘振控制器保持。

從工藝的觀點(diǎn)來(lái)看，壓縮機(jī)這時(shí)理論上在不穩(wěn)定區(qū)域的第r點(diǎn)上運(yùn)行，因?yàn)楣に噧H處理了流量v3，但事實(shí)上壓縮機(jī)在控制線上的第n點(diǎn)上運(yùn)行，而且通過防喘閥使流量平衡（v2–v1）依然處于穩(wěn)定區(qū)域。為了確保壓縮機(jī)不能進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域，必須給對(duì)喘振線保持一定的安全界限（防喘閥打開的位置界限）。

這個(gè)控制器的輸入信號(hào)是壓縮機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)?？刂破髂軌蚩刂埔韵赂鞑糠帧?/p>

（1）壓縮機(jī)速度；（2）入口節(jié)流閥；（3）回流閥。

當(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)，防喘振控制閥應(yīng)該處于最大開度的位置。作為控制系統(tǒng)的獨(dú)立部分，防喘振控制閥被強(qiáng)制維持打開狀態(tài)，直到啟動(dòng)過程結(jié)束。

在啟動(dòng)過程結(jié)束時(shí)，控制器開始對(duì)回流閥進(jìn)行控制，控制器發(fā)出的控制信號(hào)斜坡上升到達(dá)控制位置，在這個(gè)位置上控制器開始控制閥的動(dòng)作。通過對(duì)速度的調(diào)節(jié)以及入口截流閥的調(diào)節(jié)，來(lái)實(shí)現(xiàn)性能圖上的工作范圍，并以此來(lái)改變壓縮機(jī)的出口壓力以及體積流量使壓縮機(jī)的工作曲線根據(jù)圖的曲線變化[5]。

根據(jù)圖3，我們分析防喘振控制過程，共有4種狀況。

工作點(diǎn)在喘振線上方，PLC對(duì)防喘振閥的控制信號(hào)為100%，防喘振閥全開，電磁閥失電。

工作點(diǎn)在喘振線下方，PLC對(duì)防喘振閥的控制信號(hào)為100%，防喘振閥不全開，電磁閥帶電。

工作點(diǎn)由2向3移動(dòng)過程中，當(dāng)在防喘振線上時(shí)，PLC對(duì)防喘振閥的控制信號(hào)開始由100%逐漸遞減，直至防喘振閥全關(guān)為止；此過程，電磁閥始終帶電。

工作點(diǎn)由3向2移動(dòng)過程中，當(dāng)在防喘振線上時(shí)，PLC對(duì)防喘振閥的控制信號(hào)開始由0%逐漸遞增；當(dāng)在喘振線上時(shí)，防喘振閥的控制信號(hào)剛好為100%；此時(shí)，電磁閥恰好失電。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，采取合理的手段消除壓縮機(jī)的不穩(wěn)定工作是非常重要的。一般說(shuō)來(lái)，喘振可以通過運(yùn)用控制系統(tǒng)阻止壓縮系統(tǒng)工作點(diǎn)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)（喘振線的左部），來(lái)避免其中失喘振嚴(yán)重破壞壓縮機(jī)的穩(wěn)定性。防止離心壓縮機(jī)喘振，對(duì)操作人員的要求主要一條是操作從員應(yīng)了解壓縮機(jī)的工作原理，隨時(shí)注意機(jī)器所在的工況位置；熟悉各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的操作，使機(jī)器不致進(jìn)入喘振區(qū)。

參考文獻(xiàn)

[1]王書敏，何可禹.離心式壓縮機(jī)技術(shù)問答[M].北京：中國(guó)石化出版社，2005.

[2]GE天然氣壓縮機(jī)操作維護(hù)手冊(cè)——ANTISURGEWRITE-UPFORCOMPRESSOR

[3]Rolls—Royce天然氣壓縮機(jī)操作維護(hù)手冊(cè)

[4]趙暉，李建平，高金湘，等.壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)[M].內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古石油化工出版社，2007.

[5]趙豐.離心壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)研究[D].大連理工大學(xué)碩士論文，2006.