离心式空气压缩机喘振曲线的测绘

温剑风

（柳州化工股份有限公司，广西 柳州 545002）

1 喘振现象及喘振检测程序

喘振是离心式压缩机特有的一种异常现象，它会对离心式压缩机的安全、稳定运行带来极其不良的影响。如图1所示，离心式压缩机（简称压缩机）启动时，出口流量逐渐增大，压缩机在C点运行，之后随着其出口压力的升高，流量慢慢减小，压缩机工作点沿着其性能曲线到达D点，此时管网流量小于压缩机的额定流量，其管网性能曲线与压缩机性能曲线无交点；运行一段时间后，若管网排出的流量小而接收压缩机的流量大，管网压力上升，工作点D沿压缩机性能曲线变化，当管网压力略大于压缩机出口压力时，管网出口压力上升，这时压缩机流量慢慢减小，部分气体由管网回流到压缩机中，压缩机工作点从D点转变至E点（其出口流量减小甚至会出现负值），相应地，管网压力很快下降到F点，压缩机出口压力维持在B点，此时压缩机不向管网排气，工作点不能维持；当管网压力继续下降并略低于压缩机出口压力时，压缩机又开始向管网排气，工作点迅速跳变至C点；如此，压缩机工作点沿C－D－E－B－C循环，此过程中管网和压缩机出口压力及流量均有很大的波动，即产生了喘振［1］。

图1 离心式压缩机喘振曲线示意图

压缩机综合控制系统（ITCC）中编制有喘振检测程序，以机组发生喘振时的流量及压力波动速率作为判断依据：在机组发生喘振的瞬间，迅速抓住喘振点位置坐标，捕捉到喘振发生瞬间（20～50ms）的压力变化和流量反向波动，同时快速发出指令打开防喘振阀，使机组工作点迅速离开危险区域，避免形成深度喘振。

2 喘振曲线的测绘

喘振现象与离心式压缩机的功率有关，压缩机在不同功率下其喘振点是不同的。选取不同功率下的几个喘振点，连成曲线，即可得到喘振曲线。喘振曲线测试过程中，喘振检测程序对压缩机进行实时监控和测试，具体步骤为：开启压缩机并运行至正常转速，选定一个导叶开度后，慢慢关闭防喘振阀，此时机组出口压力上升，流量降低，达到一定的极限时，流量下降而压力不再升高，随即打开防喘振阀，流量迅速上升，出口压力降低，机组摆脱临界喘振区，记录机组在喘振时的流量和压力；取不同的导叶开度，重复上述操作，即可得到不同工况下机组喘振时的性能参数，将不同工况下机组喘振时的性能参数连接成曲线，即可得到喘振曲线。

2.1 临界喘振点测试

离心式压缩机正常运行中，防喘振阀完全关闭后实际工作点均远离喘振区；机组在开启、停车或工作状态不正常时，防喘振阀的打开对工艺系统不会造成影响。因此，离心式压缩机喘振曲线的测试，可以不必测试到喘振的发生，只要测试出如图1中D－B曲线中靠近I的点（即临界喘振点），就能满足需求。

但ITCC喘振检测程序通常对离心式压缩机的临界喘振点（靠近喘振点I）不能作出准确判断，需要人通过观察出口压力和听机组运行声音的变化予以判断，但其现象是非常明显的：压缩机出口压力上升非常缓慢而流量下降非常明显，机组运行声响变化也非常明显。只要有一定的测试经验，就可以准确判断临界喘振点，测绘出喘振曲线而又不使机组真正发生喘振。

2.2 喘振点测试

对于要准确测试到喘振点I的机组，需采用喘振检测程序和人为判断相结合的方式：人为判断主要是查看机组出口压力表示数，这是因为机械式仪表反应快（无延时），能更早地发现喘振点；喘振检测程序则判断可靠，一旦真正发生喘振，就算测试人员没有及时判断出来，喘振检测程序也可以判断出来，快速打开防喘振阀。

3 离心式空气压缩机喘振曲线测绘过程

3.1 离心式空气压缩机概况

高压法稀硝酸生产工艺中，生产硝酸的原料是空气和无水液氨或气氨。其中，空气经过空气进口过滤器过滤、增压风机增压后，进入离心式空气压缩机中加压到约1.05MPa（A）、温度约173.0℃，之后进入过滤器再次过滤以除去任何可能损坏铂催化剂的杂质；然后大部分空气进入氨－空气混合器中与氨混合，随后氨在铂网上氧化生成NO，另一小部分空气去漂白塔作漂白用气和去尾气加热器作二次空气进行氧化。离心式空气压缩机是整个高压法稀硝酸装置中的关键设备，其设备性能及工艺参数如下。

型号 Allis-ChalmersVC-905

功率 4858kW

转速 6950r／min

进口空气温度 47℃

出口空气温度 173℃

进口空气压力 0.119MPa（A）

出口空气压力 1.052MPa（A）

空气流量 63000m3／h

3.2 测试前的准备工作

（1）系统调试完成，联锁测试完成，具备开车条件。

（2）将压缩机出口压力表更换为精度高的压力表，并在压力表旁边设置一个临时按钮（试验过程闭合），连线接到防喘振控制阀（电磁阀）上，用于喘振时手动按钮快速打开防喘振控制阀。

（3）测试有关测控仪表如进口温度、出口压力、进出口压差和进口流量以及防喘振阀的控制信号。

（4）ITCC系统输出卡信号接至防喘振阀（电磁阀）回路中，当ITCC喘振检测程序检测到压缩机发生喘振时，能快速打开防喘振阀。

（5）准备工作完成，模拟测试，之后机组开车，待进一步检查确认机组运行正常后即可开始进行喘振曲线测试。

3.3 测试步骤

（1）取坐标原点作为喘振曲线的第一个点，即流量（横坐标）为0、机组出口压力／入口压力（纵坐标）为“0”。

（2）低负荷时测2个点，可在尾气未产生时通过慢关防喘振阀测出，此状况下测试不用太精确，即不用等到机组真正发生喘振，无需停车。

（3）鼓风机和离心式空气压缩机电机运行正常后，将防喘振阀保持在全开位置，尾气膨胀机进气阀全关（即不开尾气膨胀机），压缩机保持低转速运行，避开其临界转速。

（4）将入口导叶角度调整到预先确定好的测试角度，压缩机转速则稳定在4500r／min，其出口压力稳定在0.3MPa（A），然后将防喘振阀缓慢关闭，这时压缩机出口压力开始缓慢上升，此过程中要仔细观察压缩机进出口压差、进口压力和出口压力，并计算压缩机出口压力的升幅和进出口压差的变化幅度，当压差变化幅度明显趋于减小（可能其波动也有所增强）时，此状态已接近实际的喘振点（喘振对机组的损害比较严重，测试时尽量不使机组真正发生喘振），立即停止操作防喘振阀，并人工记录此时的准确时间和所有仪表数据，如此便得到压缩机低负荷时喘振曲线的第1个点。

（5）得到喘振曲线的第1个点后，将压缩机防喘振阀全开，缓慢调节入口导叶角度以增加负荷，将压缩机转速提升至5100r／min、机组出口压力调节至0.5MPa（A），开始做性能曲线的第2个点，步骤与做第1个点完全相同。

（6）高负荷运行也测2个点，机组达到一定转速后，只有通过开膨胀机入口阀才能增加负荷，此时防喘振阀已满足生产尾气并关到某个位置的条件；慢开膨胀机入口阀并缓慢调节入口导叶角度增加负荷，将机组出口压力调节至0.85 MPa（A）后，开始慢关防喘振阀，直到将要发生喘振时，停止操作防喘振阀，记录此时的准确时间和所有仪表数据，停车，得到高负荷运行时压缩机喘振曲线的第1个点。

（7）再次开车，提高负荷，此时防喘振阀在满足产尾气应该关到的某个位置；慢开膨胀机入口阀并缓慢调节入口导叶角度，将机组出口压力调节到1.05MPa（A），开始做高负荷运行时的第2个喘振点，即性能曲线的最后1个喘振点，步骤与上述高负荷时喘振点测绘完全相同。

（8）据需要可用同样的方法确定离心式空气压缩机喘振性能测试所需的其他喘振点，最后将测试所得的喘振点连接起来，即得到机组的喘振曲线，再以一定比例计算得到离心式空气压缩机防喘振控制线（如图2），实际操作中，压缩机工作点必须在防喘振控制线以下。

图2 离心式空气压缩机防喘振曲线示意图

3.4 注意事项

防喘振控制相关仪表，如进出口差压变送器、入口温度变送器、进出口压力变送器需要校验，以确保其测量值的准确性。防喘振验证时需监视入口压力的变化，若现场没有设置压力表，需增设变送器及二次显示表。

喘振检测程序需先做静态模拟试验，满足要求后，再由用户做实际的动态试验。如果用户不能保证提供的性能曲线与机组实际的性能曲线一致，则需要用户按上面喘振试验的过程配合予以验证。喘振曲线测绘过程中主要注意事项如下。

（1）认真做好离心式空气压缩机喘振曲线测绘的准备工作。

（2）据机组的生产工艺条件，预先在ITCC系统内作出临时的防喘振曲线，并可在开机投产及测试过程中不断调整，测试中接近喘振区时操作要缓慢、注意力要集中。

（3）机组出现如下现象而防喘振阀不能打开时要及时停机：①机组出口压力迅速下降且波动，压缩机声响突然发闷，其气流出现类似人喘息的声音，严重时机组出现剧烈的振动（应立即手动打开放空阀）；②机组进口压力迅速上升，而后迅速下降并波动，此时机组入口压力波动较剧烈且由正常的负值向正值方向变化；③压缩机进出口压差迅速下降并波动。

（4）安排好人员监视压缩机出口压力，主操作室还要有人在ITCC系统上操作放空阀，需要配合投用透平时要有人监视机组的运行状态和电机电流，现场发现任何紧急状况，可通过现场紧急停车按钮将防喘振阀打开或停运电机。

（5）喘振对机组的损害比较严重，测试时尽量不让机组真正发生喘振。

4 结束语

喘振是离心式压缩机一个不稳定的工作区域，进入该区域时，机组的流量、压力会出现剧烈脉动，并引起整个机组的振动［1］。剧烈的振动将影响有关的管线和组件，更为严重的是，如果系统不立即恢复至稳定状态，喘振工况下气体的内部循环会导致机组内部温度的升高，最终造成压缩机损坏。因此，化工装置投产前对离心式压缩机进行喘振曲线测绘尤为重要，以利运行中对其实施防喘振控制。