离心压缩机喘振以及防喘过程的分析

摘 要：离心式压缩机是一种叶片旋转式压缩机（即透平式压缩机）。本文主要针对压缩机机组发生喘振与防喘机理作了讨论分析与阐述。

关键词：压缩机 喘振 防喘 分析

中图分类号：TH452 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（c）-0095-02

1 压缩机组工程概述

西气东输站场有罗斯-罗伊斯（Rolls——Royce简称罗罗）公司和美国通用电气（简称GE）公司生产的两种航改型燃气轮机机组。在西气东输燃气轮机机组中，燃气轮机的主要作用是使气体的动能转化为机械能，带动离心式压缩机。离心压缩机的主要作用是，将上游来的低压天然气进行升压分输至下游用户。

2 压缩机的喘振分析

研究压缩机，可以先从压缩机内部的非定常流动入手，对研究研究压缩机有很大帮助。压缩机拥有比较复杂的工作稳定性，基本分为利用失速和喘振原理的气动非稳定性和利用颤振原理的气弹非稳定性。逐步减小压缩机或者压缩机系统流量，将促使压缩机改变工作地点，如果越过喘振或者时速线，压缩机的工作将会发生不稳定情况。压缩机的不稳定现象我们主要研究其中的气动不稳定现象，研究结果将这种现象总结成旋转失速和喘振两种情况。下面我们对压缩机的喘振进行分析和讨论[1]。

2.1 喘振的原理

喘振的产生：压缩机在运转过程中，流量不断减少，小到最小流量界限时，就会在压缩机流道中出现严重的气体介质涡动，流动严重恶化，使压缩机出口压力突然大幅度下降。由于压缩机总是和管网系统联合工作的，这时管网中的压力并不马上降低，因而管网中的气流就会倒流向压缩机，直到管网中的压力降至压缩机出口压力时倒流才停止。压缩机又开始向管网供气，压缩机的流量又增大，恢复正常工作，但当管网中的压力恢复到原来的压力时，压缩机流量又减小，系统中的气体又产生倒流，如此周而复始，产生周期性气体振荡现象就称为喘振。

它是一种周期性的现象，它能在压缩机机械部件上产生很大应力。压缩机必须防止喘振，决不允许压缩机在喘振情况下运行。

如图1所示。

2.2 喘振产生的原因

造成离心压缩机喘振的原因涉及到：工艺专业、仪表自控专业及部分设备专业等知识，其复杂程度不是我们一篇论文就可以阐述的。我们压气站为联动设备为透平驱动离心压缩机系统，涉及的知识就更多。如果放开来，足可以写上一本书，所以我们在这里只能提供大概的思路。

工艺操作系统引起的离心机喘振因素有以下几点。

（1）各段吸入流量严重不足，导致喘振；（2）某段的吸入口压力过低导致喘振；（3）由于段间发生堵塞，造成实际吸入不足导致喘振；（4）离心机设备内部转子或扩压孔道中有液体的羁留导致喘振；（5）压缩机的末段出口下游压力高于压缩机出口导致喘振；（6）压缩机某段吸入少量液体；（7）在开车过程中操作不当，如打开末段出口大阀和关闭防喘振阀不匹配等原因。

由设备本身原因引起的压缩机喘振的条件比较少，可能的原因大多为错误的检修所致。

3 压缩机防喘过程分析

流量与转速成正比关系，多变压缩能量头与转速平方成正比关系，

、、为常数，为多变压缩能量头，为流量，为压缩机转速。

在石油化工生产中，在工艺条件波动的情况下，压缩机进气温度、压力、气体组分的变化都会引起压缩机性能曲线及喘振点的变化。压缩机提供给气体的能量或压缩功可用如下公式来描述：

式中，为多变压缩能量头；为多变指数；为温度；为气体常数；为气体分子量；为出口压力；为进口压力；为压缩因子。由（1）和（2）式得到：

由于：

式中，为入口流量计压差；为流量计流量系数，由孔板尺寸决定；为压缩机入口气体密度。由于：

由（4）和（5）式得到：

由（3）和（6）式得到如下公式：

由于是小压比，因此：

由此得到：

由（7）和（8）得到：

设：为常数

由公式

以及

得到Qs与的关系，为2次平方关系。得到压比和流量的关系曲线，如图2所示，为喘振曲线[2][3]。压比Qs=0，=1。

图3是压缩机特性图，该图体现了压缩机内部不稳定的工作原理。压缩机动态过程中的一些关键因素，像喘振边界线以及速度线等都在该图上有体现，该图表现出该系统中的工作点如果在传真线的左边部分，压缩系统工作出现不稳定状态的压力和进口流量关系。

在我们实际的压气站，一般不会考虑喘振线右侧的实际特性曲线，因为一旦到喘振线左侧，会引起压缩机停机。因此我们一般不会看到压缩机的3次S型曲线，我们只考虑如图3所示的曲线。我们在实际的压缩机中，都会有防喘振系统，防喘振系统在压缩机特性曲线中，设置喘振线的右边的防喘振线来反映防喘系统的控制过程。

压缩机以恒速在稳定点m上运行。由于工艺突然波动，工艺的流量v从m点减到r点。然而，压缩机按照对速度的设定继续提供气流并且工艺阻力增加，同时操作点沿曲线向n点移动（流量减少，压力比增加）。

在该点n上，喘振控制系统开始打开防喘阀，以防止流量降至喘振线，控制器继续打开防喘阀，直到减少到的工艺流量v1和通过防喘阀的流量总计达到最小流量v2，这是随着出口压力的变化（压力比），由来自控制线的设定点决定的。如果压缩机速度设定不变，新的操作点n将稳定下来并由喘振控制器保持。

从工艺的观点来看，压缩机这时理论上在不稳定区域的第r点上运行，因为工艺仅处理了流量v3，但事实上压缩机在控制线上的第n点上运行，而且通过防喘阀使流量平衡（v2–v1）依然处于稳定区域。为了确保压缩机不能进入不稳定区域，必须给对喘振线保持一定的安全界限（防喘阀打开的位置界限）。

这个控制器的输入信号是压缩机的现场信号。控制器能够控制以下各部分。

（1）压缩机速度；（2）入口节流阀；（3）回流阀。

当压缩机启动时，防喘振控制阀应该处于最大开度的位置。作为控制系统的独立部分，防喘振控制阀被强制维持打开状态，直到启动过程结束。

在启动过程结束时，控制器开始对回流阀进行控制，控制器发出的控制信号斜坡上升到达控制位置，在这个位置上控制器开始控制阀的动作。通过对速度的调节以及入口截流阀的调节，来实现性能图上的工作范围，并以此来改变压缩机的出口压力以及体积流量使压缩机的工作曲线根据图的曲线变化[5]。

根据图3，我们分析防喘振控制过程，共有4种状况。

工作点在喘振线上方，PLC对防喘振阀的控制信号为100%，防喘振阀全开，电磁阀失电。

工作点在喘振线下方，PLC对防喘振阀的控制信号为100%，防喘振阀不全开，电磁阀带电。

工作点由2向3移动过程中，当在防喘振线上时，PLC对防喘振阀的控制信号开始由100%逐渐递减，直至防喘振阀全关为止；此过程，电磁阀始终带电。

工作点由3向2移动过程中，当在防喘振线上时，PLC对防喘振阀的控制信号开始由0%逐渐递增；当在喘振线上时，防喘振阀的控制信号刚好为100%；此时，电磁阀恰好失电。

4 结语

当压缩机发生喘振时，采取合理的手段消除压缩机的不稳定工作是非常重要的。一般说来，喘振可以通过运用控制系统阻止压缩系统工作点进入不稳定区（喘振线的左部），来避免其中失喘振严重破坏压缩机的稳定性。防止离心压缩机喘振，对操作人员的要求主要一条是操作从员应了解压缩机的工作原理，随时注意机器所在的工况位置；熟悉各种监测系统和调节控制系统的操作，使机器不致进入喘振区。

参考文献

[1]王书敏，何可禹.离心式压缩机技术问答[M].北京：中国石化出版社，2005.

[2]GE天然气压缩机操作维护手册——ANTISURGEWRITE-UPFORCOMPRESSOR

[3]Rolls—Royce天然气压缩机操作维护手册

[4]赵晖，李建平，高金湘，等.压缩机防喘振控制系统[M].内蒙古：内蒙古石油化工出版社，2007.

[5]赵丰.离心压缩机防喘振控制系统研究[D].大连理工大学硕士论文，2006.

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