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周兴荣：离心式压缩机喘振分析和处理
　　【硅谷网10月28日讯】据《科技与生活》杂志2012年第16期刊文称，喘振一直都是困扰离心式压缩机实现安全平稳运行的难题，喘振会造成机组部件损坏，影响设备使用寿命，带来严重的直接和间接经济损失，压缩机防喘振工作显得极为重要。本文分析了喘振发生的原因，阐述了喘振的现象和判断方法，并结合实例介绍了防喘振技术在生产中的应用，总结了处理离心式压缩机喘振的多种方法，为不同工艺流程中改变操作思路、处理和避免压缩机喘振提供参考。
　　离心式压缩机是在气体压缩装置中的关键设备，该设备的运行状态良好与否直接影响压缩装置能否稳定运行，而压缩机的喘振是不利于压缩机安全稳定运行的一个重要问题。本文就离心式压缩机喘振的现象、原因、判断和处理进行了分析和总结。
　　1喘振的现象和发生喘振的原因
　　1.1喘振的现象
　　每一台压缩机都有其特定的性能曲线，转速与流量、排出压力须匹配在一定范围内，压缩机才能稳定运行，如图1中虚线1右侧部分就是压缩机稳定运行区域。当因为某种原因导致压缩机的吸入流量、排出压力与转速的匹配关系脱离了这一区域时，气体在压缩机叶轮上将出现&旋转脱离&的现象，流体流动状态趋于恶化，吸入排出流量、出口压力出现明显的脉冲式起伏变化，同时伴随着压缩机体和管道系统的周期性振动和噪音，如同人在剧烈地喘息，这一现象称为压缩机的&喘振&。图1中虚线1所表示的工况点是压缩机发生喘振的临界点，虚线1左侧部分的工况点代表压缩机的喘振区。
　　喘振是压缩机的固有特性，是对于压缩机的使用寿命和生产装置的长周期运行十分不利的因素，因此防喘振是所有压缩机组实现长期稳定运行必须要解决的一个关键问题，是日常操作需重点关注的问题之一。
　　1.2喘振的原因
　　喘振是压缩机的固有特性，压缩机运行时，叶轮将气体吸入、升压、提速并排出缸体，流体的各项参数均发生变化，但是处于一个动态的平衡中，当压缩机的工况点处于喘振区时，气体在叶轮上发生旋转脱离，叶轮向单位质量流体提供的总能量减少（压缩气体的动能和压力能），低于压缩机出口管网气体具有的总能量，叶轮排出的气体无法抵消出口管网压力而正常向后流动，气体流通的平衡被打破，如同逆水行舟，不进则退。由于系统出口管网压力大于压缩机叶轮排出气体的压力，系统管网内储存的气体将发生倒流，压缩机出口管网系统的压力逐渐降低，当降到一定程度时，压缩机的叶轮排出的单位质量气体的总能量（主要表现在压力能）超过了出口管网单位质量气体所具有的能量，速度能转化为压力能，气体开始正向流动，而出口管网的压力也逐步上升，如果不对吸入流量和转速进行调整，出口管网压力恢复到波动之前的数值时，下一个周期的气体倒流又开始了，如此循环往复使压缩机发生周期性振动。
　　对于一台已经定型的离心式压缩机来说，其影响性能曲线中喘振区域大小的自身结构特性已经确定，日常操作中出现的喘振现象是外部因素的变化达到了与压缩机自身结构相结合的一个点才出现的，因此，通常外部因素的变化是导致压缩机发生喘振的主要原因。外部因素的变化直观地表现在压缩机的转速、吸入流量和排出压力的变化上，根据主变因素的不同，有以下几种情况。
　　1）吸入流量偏低。
　　如图1所示，当压缩机转速为n1时，当其吸入流量为Qp时达到其喘振临界点，在转速、压缩比不变的情况下，如果吸入流量进一步降低，则压缩机运行工况点左移，进入了喘振区，压缩机将发生喘振。
　　2）压缩机转速过高。
　　如图1所示，当压缩机吸入流量为Qp时，当其转速为n1时达到其喘振临界点，在吸入流量、压缩比不变的情况下，如果压缩机转速提高，则压缩机运行工况点上移，进入了喘振区，压缩机将发生喘振。
　　3）压缩机排出口管网压力太高。
　　如图1所示，当压缩机转速为当压缩机转速为n1时，当其吸入流量为Qp时达到其喘振临界点，如果转速、吸入流量不变，压缩机排出压力逐渐提高，即气体压缩比提高，压缩机运行的工况点将上移进入喘振区，压缩机将发生喘振。
　　压缩机的喘振更多地发生在机组开工、停工以及生产负荷调整时，这期间是转速、吸入流量和排出压力频繁变动的时间，操作不当极易发生喘振。开停工和负荷调整期间，上游系统供应的原料量变化较大，需要及时调整返回线开度和转速，以保证压缩机在稳定工况下运行。
　　3离心式压缩机防喘振技术
　　因为喘振是压缩机的固有特性，在设计时就考虑到防喘振这一问题，除了在结构上使压缩机具有较大适应范围之外，还从工艺上设计了最小流量返回线，并为用户提供了防喘振自动控制系统。另外在压缩机各段不同位置设计有自动压力控制阀，通过放空的方式处理极限情况，避免压缩机发生喘振。如图2中所示，此压缩工艺流程中原料气体分四级进行压缩，设计了二返一、三返三、四返四最小流量返回线，在三段排出、四段排出都设计有自动控制压力放火炬阀门。此种设计方式将压缩机的流通路径分成了三部分，每一部分相对于整个流程来说都比较小，各部分可以实现独立的防喘振控制，操作灵活简单，操作动作影响区域小，使喘振发生时的对其它段的影响也减弱，处理起来也容易很多。此套装置的控制系统带有防喘振自动控制系统，并且各段都有独立的防喘振性能曲线实时显示本段的运行工况，既能实现自动防喘振控制，也为手动防喘振控制提供直观参考图形。
　　图2原料气四级压缩工艺流程
　　4喘振的判断和处理
　　我厂生产装置采用的正是图2中所示的工艺流程，在原始开工初期，因对此套工艺流程的控制还不够熟练、原始开工期间突发新问题较多、上下游协调不够顺畅等多种因素，压缩机发生几次喘振，在总结经验之后，两年多以来几次开车都比较稳定，未出现喘振情况，同时做到了上游负荷突降25%的情况下，手动调节保持压缩机稳定运行。根据以往生产经验，总结了一些防喘振技术在实际生产中的具体运用方法。
　　4.1喘振的判断
　　根据经验，判断离心式压缩机是否已出现喘振现象，其方法大致有下而几点：
　　1）测听离心式压缩机出气管气流的噪声。离心式压缩机在正常稳定运行的工况下，其噪声较低且是连续性的，而当发生喘振时，气体在管道中的流通状态周期性的变化，气体在管道内的不稳定流动产生了较大的噪音，噪音也周期性地时高时低，如同人在剧烈的喘息，与正常运行时的声音明显不同。
　　2）查看压缩机出口压力和进口流量的变化。在稳定工况下运行时，离心式压缩机的出口压力和进口流量基本稳定，变动也是比较微小平缓的，排出压力平均值附近作小幅度摆动。当发生喘振时，排出压力和流量都发生了周期性大幅度的脉动，严重时甚至可发现有气体从压缩机进口处被反推出来的现象，导致压缩机入口压力也有明显变化。
　　3）查看机体和轴承的振动情况。当接近或进入喘振工况时，压缩机缸体的振动和轴端位移会出现较大变化，其振幅要比正常运行时大得多。
　　4.2喘振的处理
　　根据引起喘振的首要因素的不同，喘振的处理通常有以下几种方式：
　　1）吸入流量低的情况。
　　吸入流量低的情况多出现在开停工和生产负荷大幅度调整的情况下，此时上游供给的原料气体流量不足，需要调整返回线阀门开度以提供压缩机在某转速下运行的最小流量。在开工时，压缩机转速达到最小可调转速后，返回线阀门从全开状态逐渐关闭，此过程中返回线阀门关闭不可过快，应根据生产负荷的提高和转速大小调整。如果未对转速进行大幅调整的情况下，排出压力也正常，因调整返回线开度而引起喘振，此时吸入量偏低是引起喘振的主因，应当适当提高返回量，待上游供料负荷提高时再逐渐关闭。调整防喘振返回线阀门的开度一方面可以参考控制系统中的防喘振曲线图，使工况点远离喘振区（如图1中a2点，处于转速n1时的最佳工况线上），也可以按照经验观察吸入口压力和流量，一般情况下，如果吸入口压力高于正常值时，表示防喘振返回线阀门开度偏大，此时可以关小阀门开度或提高转速。通常是返回线阀门先少量关闭，在压缩机转速达到了正常生产负荷所需的转速前以调节转速为主，待转速接近正常负荷所需转速时，以调节防喘振返回线阀门开度为主。在停工或降负荷时，则是先少量降低转速，然后按照需要逐渐打开或全开返回线阀门，停工时待返回线阀门全开后，再将转速降至最小可调转速。调整返回线阀门出现效果不理想的情况，有可能是阀门故障，应及时到现场检查，这种关键性阀门在开工前应进行调试检查。
　　2）转速偏高的情况。
　　在开工期间，是转速调整比较大时候，如果上游供料量不足而返回线仍保持全开状态时转速提高过快，极易出现喘振情况。此时应降低转速，参考防喘振曲线图，使工况点远离喘振区，同时观察压缩机吸入口压力，保持吸入压力略高于正常值，随着负荷的提高适当提升转速。在停工期间或降负荷期间，先少量降低转速，及时开大返回线阀门开度，待返回线全开后，再将转速逐渐降至最小可调转速。调整期间同样可参考防喘振曲线和压缩机吸入压力。
　　3）排出口管网压力高。
　　导致排出口管网压力高的原因有几种，处理方式也各不相同。
　　①离心式压缩机一般是多级压缩，返回线也有多条。在开车过程中，会出现靠后某一段的返回线没有及时调节导致前面各段排出口压力超高的情况，压缩机气体不能正常排出，压缩机发生喘振，此时应当及时关小此段返回线，使各段排出压力恢复正常水平。②压缩机末段排出口向后系统输送物料不畅，导致压缩机排出口压力过高，甚至发生喘振。一般的压缩机末段排出有气相压力控制阀（排出气体半冷凝式或不冷凝式）或者液位控制阀（排出气体全冷凝式或半冷凝式），用于控制物料向后输送的大小，同时也控制着末段排出的压力，应适当开大阀门开度，或者按照正常参数设置为自动控制，将物料及时向后输送。③物料流通不畅也可能是末段排出口的冷凝器有冻堵情况，或者排出口止逆阀故障，无法正常开启，通过调整向后输送物料的控制阀以及开启放火炬阀门，查看不同位置的压力、液位变化情况，可以判断问题出在哪一段系统内，打开放火炬阀门后压力明显降低，需检查换热器冻堵情况。遇到排出物料不畅的情况，若短时间内调整阀门无法解决，应先放火炬降低排出口压力，并降低生产负荷再进行检查处理。
　　引起喘振的原因可能是各种各样的，操作不当占很大比例，因此应尽可能采用防喘振自动控制装置，使喘振自动消除。如果采用手动控制，则操作入员应熟悉引起喘振的多种原因，根据各项参数发现喘振发生的预兆，充分利用系统自带的防喘振控制曲线图，提前调整避免喘振的发生。发生喘振后一般情况下并不需要马上停车，而应立即查看各段参数，查看喘振发生在哪一段，确定引起喘振的主因，采取对应措施消除。假如各项工艺参数正常，而喘振又反复出现，则有可能是设备本体原因，要停机彻底检查。
　　现在的压缩机防喘振技术已经比较成熟，防喘振自动控制系统也更加完善，只要将防喘振技术充分理解，结合实际生产装置的工艺流程制定出不同情况下的防喘振措施，并转变为操作员的实际操作能力，就可以有效避免常规开停车时压缩机发生喘振，也可以及时发现处理引起压缩机喘振的各种偶然问题。另外记录、总结压缩机在正常工况和非正常工况下的各种数据，对于日后防喘振操作具有重要的参照意义。
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