離心壓縮機(jī)喘振、阻塞工況最讓人頭痛，怎么解決？
2021/02/22 6:21:06
介紹了離心壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)基本概念，論述了離心壓縮機(jī)喘振、阻塞(Choke)機(jī)理、危害及判斷方法，并對(duì)離心壓縮機(jī)喘振影響因素（氣體密度、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量等參數(shù)）進(jìn)行了分析，為離心壓縮機(jī)安全運(yùn)行提供技術(shù)支持。
離心壓縮機(jī)是速度型壓縮機(jī)的一種，具有排量大、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易損件少、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)。離心壓縮機(jī)作為石油化工裝置的“心臟”設(shè)備，一旦發(fā)生故障，會(huì)導(dǎo)致裝置循環(huán)或停工，嚴(yán)重影響石化裝置生產(chǎn)安全。通過(guò)對(duì)離心壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)和喘振特點(diǎn)進(jìn)行研究分析，提出了離心壓縮機(jī)操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)，可為實(shí)現(xiàn)離心壓縮機(jī)安全運(yùn)行的目標(biāo)提供技術(shù)支撐。1 離心壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)分類(lèi)離心壓縮機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)不是孤立的、靜止的，而是相互聯(lián)系和相互制約的。對(duì)于特定的壓縮機(jī)，這種聯(lián)系和制約具有一定的規(guī)律，可用曲線(xiàn)表示，即為壓縮機(jī)的性能曲線(xiàn)。典型的離心壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)有能量頭-流量曲線(xiàn)、排出壓力-流量曲線(xiàn)、功率-流量曲線(xiàn)、效率-流量曲線(xiàn)等，下面以某壓縮機(jī)廠(chǎng) 56M91 機(jī)型離心壓縮機(jī)為例，對(duì)其性能曲線(xiàn)進(jìn)行分析。能量頭是指單位質(zhì)量的氣體經(jīng)過(guò)離心壓縮機(jī)壓縮后其蘊(yùn)含的能量與壓縮前狀態(tài)的差值，表示單位質(zhì)量的氣體可以提升的高度。不同轉(zhuǎn)速下離心壓縮機(jī)能量頭-流量曲線(xiàn)如圖 1 所示。由圖1可知，在離心壓縮機(jī)的操作區(qū)間內(nèi)能量頭和流量成反比，即離心壓縮機(jī)流量越大，能量頭越低。圖1 離心壓縮機(jī)能量頭-流量曲線(xiàn)離心壓縮機(jī)的壓比和轉(zhuǎn)速固定，隨著流量的增加，壓縮機(jī)的出口壓力將增加，當(dāng)出口壓力達(dá)到一定程度之后，氣體在設(shè)備的某處達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲伲蛘唠m然沒(méi)有達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?，壓縮機(jī)對(duì)氣體所做的功全都用來(lái)克服流動(dòng)損失，不能夠再增加流量，這個(gè)流量的位置所在點(diǎn)就是阻塞點(diǎn)，如圖 2 所示。而當(dāng)流量不斷減少時(shí)，壓縮機(jī)的出口壓力會(huì)不斷增加直至出口壓力不穩(wěn)定，這個(gè)流量所在的位置就是壓縮機(jī)的喘振點(diǎn)。○—5 560 r/min +—設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速5 295 r/min
△—4 888 r/min ◇—4 277 r/min
▲—喘振控制點(diǎn) ◆—該壓縮機(jī)的性能保證點(diǎn)圖2 離心壓縮機(jī)排氣壓力-流量曲線(xiàn)圖3 所示為壓縮機(jī)功率-流量曲線(xiàn)。通過(guò)離心壓縮機(jī)功率-流量曲線(xiàn)可看出：在固定轉(zhuǎn)速下，壓縮機(jī)功率隨流量增而增加，但是隨著壓縮機(jī)流量的進(jìn)一步增加，壓縮機(jī)的功率開(kāi)始下降，這是因?yàn)閾p失的流量越過(guò)設(shè)計(jì)流量點(diǎn)之后隨著壓縮機(jī)流量的增加在不斷增加；壓縮機(jī)軸功率隨轉(zhuǎn)速增加而增大。圖3 離心壓縮機(jī)功率-流量曲線(xiàn)在固定轉(zhuǎn)速條件下，離心壓縮機(jī)在某一流量下圖 3 離心壓縮機(jī)功率-流量曲線(xiàn)有效率最高點(diǎn)。這是因?yàn)樵诹髁奎c(diǎn)時(shí)，壓縮機(jī)的沖擊損失最小，而隨著流量增大或者減小，壓縮機(jī)的沖擊損失都會(huì)增加，如圖 4 所示。圖4 離心壓縮機(jī)效率-流量曲線(xiàn)1.5 離心壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)共同點(diǎn)離心壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)具有以下共同點(diǎn) ：（1）流量有最大和最小兩個(gè)極限流量，排出壓力也有最大值和最小值 ；（2）效率曲線(xiàn)有最高效率點(diǎn)，離開(kāi)該點(diǎn)的工況效率下降很快 ；（3）轉(zhuǎn)速增大時(shí)，壓縮機(jī)的性能曲線(xiàn)向上方移動(dòng)；（4）轉(zhuǎn)速增大時(shí)，氣流馬赫數(shù)增大，這時(shí)流量若偏離設(shè)計(jì)工況，就會(huì)使損失大大增加，性能曲線(xiàn)變陡，使穩(wěn)定工況范圍變窄。離心壓縮機(jī)的工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的離心力對(duì)氣體做功，使氣體速度增大，壓力升高，高速氣體通過(guò)設(shè)置在葉輪后的彎道和擴(kuò)壓器進(jìn)一步降速增壓，從而使氣體部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能。當(dāng)離心壓縮機(jī)進(jìn)口流量減小時(shí)，葉輪工作面處會(huì)產(chǎn)生邊界層的分離，導(dǎo)致氣體在葉輪處旋轉(zhuǎn)脫落，部分氣體未被葉輪做功，壓縮機(jī)出口壓力將降低；如果壓縮機(jī)進(jìn)口流量進(jìn)一步減小，葉輪處的旋轉(zhuǎn)脫離氣體團(tuán)將會(huì)堵塞葉道，壓縮機(jī)出口壓力將會(huì)顯著下降，直至出口壓力低于出口管網(wǎng)壓力，則出口管網(wǎng)內(nèi)氣體倒流至壓縮機(jī)，倒流氣體補(bǔ)充了壓縮機(jī)級(jí)流量不足，葉輪恢復(fù)對(duì)氣體正常做功，再次把倒流回級(jí)內(nèi)的氣體壓縮出去，這樣葉輪內(nèi)流量再次減小，出口壓力再次下降，管網(wǎng)內(nèi)氣體再次倒灌，如此周而復(fù)始，在整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生周期性的低頻率、大振幅的氣流振蕩現(xiàn)象，就稱(chēng)為喘振。離心壓縮機(jī)流量增大到一定程度時(shí)，氣流的負(fù)沖角較大，葉片做功全部轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰繐p失，壓力不再升高，僅用于維持在該流量下氣流流動(dòng)，或者在流道最小截面處出現(xiàn)了聲速，邊界層分離區(qū)急劇擴(kuò)大，壓縮機(jī)達(dá)到了阻塞工況，此時(shí)壓力得不到提高，流量不再增大。阻塞流量是一臺(tái)壓縮機(jī)在給定速度下能承受的最大流量。阻塞情況通常對(duì)壓縮機(jī)有害，但沒(méi)有喘振對(duì)壓縮機(jī)傷害大。2.3 壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)分區(qū)離心壓縮機(jī)的性能曲線(xiàn)，可分為三個(gè)區(qū)域，如圖5 所示。喘振線(xiàn)左側(cè)區(qū)域?yàn)閴嚎s機(jī)喘振工況區(qū)，壓縮機(jī)在該區(qū)域內(nèi)運(yùn)行將發(fā)生喘振。阻塞線(xiàn)右側(cè)區(qū)域?yàn)閴嚎s機(jī)阻塞工況區(qū)，壓縮機(jī)在該區(qū)域運(yùn)行將發(fā)生阻塞。處于喘振工況和阻塞工況之間的區(qū)域，稱(chēng)為穩(wěn)定工作范圍，即壓縮機(jī)可安全運(yùn)行的區(qū)域。圖5 離心壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)分區(qū)離心壓縮機(jī)發(fā)生喘振將會(huì)使機(jī)組產(chǎn)生劇烈震動(dòng)，機(jī)器噪音增大，甚至損壞離心壓縮機(jī)組。喘振可以通過(guò)以下幾個(gè)現(xiàn)象識(shí)別：（1）轉(zhuǎn)子振動(dòng)過(guò)大；（2）工藝氣體排氣溫度持續(xù)超高；（3）出口壓力和進(jìn)口流量出現(xiàn)周期性、大幅度波動(dòng)；（4）軸向推力快速變化；（5）載荷突然變化；（6）現(xiàn)場(chǎng)機(jī)體發(fā)出刺耳聲音（喘振嚴(yán)重時(shí)）。離心壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中介質(zhì)溫度、壓力、流量等參數(shù)均不斷變化，所以影響離心壓縮機(jī)喘振的因素不是唯一的，而往往是幾種因素共同作用的結(jié)果，下面就壓縮機(jī)各參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)喘振的影響進(jìn)行分析。2.5.1 轉(zhuǎn)速對(duì)壓縮機(jī)喘振影響若壓縮機(jī)的壓比不變，提高壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，壓縮機(jī)的入口流量會(huì)增大。如果壓縮機(jī)處于出入口壓力穩(wěn)定的管網(wǎng)情況，而壓縮機(jī)工作點(diǎn)靠近喘振點(diǎn)時(shí)，可以通過(guò)提高轉(zhuǎn)速來(lái)使工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振點(diǎn)，這是確保制冷壓縮機(jī)機(jī)組啟動(dòng)的時(shí)候離開(kāi)喘振區(qū)間的常用方式。壓縮機(jī)壓縮不同組分氣體的性能曲線(xiàn)各不相同，從圖 6 中可以看出：組分分子量增加，曲線(xiàn)向右上方移動(dòng)；組分分子量減小，曲線(xiàn)向左下方移動(dòng)。圖 6 離心壓縮機(jī)不同組分氣體性能曲線(xiàn)眾所周知，離心壓縮機(jī)的工作點(diǎn)是性能曲線(xiàn)和管網(wǎng)特性曲線(xiàn)的交點(diǎn)，如圖 7 所示。管網(wǎng)特性曲線(xiàn)是指離心壓縮機(jī)出口管網(wǎng)的阻力曲線(xiàn)，與管網(wǎng)的容積和阻力有關(guān)。改變?nèi)我庑阅芮€(xiàn)就會(huì)改變壓縮機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)，若管網(wǎng)阻力增加，管網(wǎng)特性曲線(xiàn)變陡，壓縮機(jī)實(shí)際工作點(diǎn)左移，機(jī)組則容易發(fā)生喘振。2.5.4 壓縮機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)離心壓縮機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)（溫度、壓力、密度）改變會(huì)使壓縮機(jī)的性能曲線(xiàn)和喘振點(diǎn)發(fā)生變化，壓縮機(jī)對(duì)氣體的理論能頭為：式中：H——壓縮機(jī)能頭；
Z——壓縮因子；
R——?dú)怏w常量；
Ts——進(jìn)氣溫度；
r——壓縮比；
M——多變指數(shù)。
對(duì)于壓縮機(jī)指定氣體的壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，假定氣體常量 R，壓縮因子Z 和多變指數(shù) M 為定值， 若壓縮機(jī)在定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，壓縮機(jī)功率P 和壓縮比 r 不變，若壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度Ts 升高，則壓縮機(jī)理論能頭H 增大，根據(jù)P=H×Q，壓縮機(jī)入口流量減小，壓縮機(jī)喘振可能增大，所以壓縮機(jī)在恒壓下運(yùn)行，氣體溫度越高，越容易發(fā)生喘振。
對(duì)于指定氣體的壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，假定氣體常量 R，壓縮因子 Z 和多變指數(shù) M 為定值， 若壓縮機(jī)在定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，壓縮機(jī)功率和入口溫度不變，若壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力降低，則壓縮機(jī)壓比 r增大，壓縮機(jī)理論能頭H 增大，根據(jù) P=H×Q，壓縮機(jī)入口流量減小，壓縮機(jī)喘振可能增大，所以壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力越低，越容易發(fā)生喘振。
若壓縮機(jī)在定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，壓縮機(jī)功率、入口溫度不變和壓縮機(jī)壓比不變，若壓縮機(jī)壓縮的氣體組分變輕（分子量變?。?，則壓縮機(jī)氣體常數(shù)變大，壓縮機(jī)理論能頭H 增大，根據(jù) P=H×Q，壓縮機(jī)入口流量減小，壓縮機(jī)喘振可能增大，所以壓縮機(jī)壓縮氣體分子量變小，容易發(fā)生喘振。
（1）離心壓縮機(jī)壓縮不同氣體時(shí)的特性曲線(xiàn)并不相同，了解壓縮機(jī)性能曲線(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)的選型和操作有重要意義。
（2）離心壓縮機(jī)的喘振與管網(wǎng)特性關(guān)系密切，管網(wǎng)阻力增大（出口閥節(jié)流），越容易發(fā)生喘振。
（3）介質(zhì)分子量增加，給定比率的能頭就會(huì)成正比減少。
（4）壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，入口溫度升高，越容易發(fā)生喘振 ；入口壓力越低，越容易發(fā)生喘振 ；壓縮介質(zhì)變輕（分子量變?。?，容易發(fā)生喘振。
（5）壓縮機(jī)壓比不變的情況下，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越低，越容易發(fā)生喘振。
