离心式压缩机喘振控制浅析

吴锋，牛哲，王志鑫，史吉隆

(沈阳鼓风机集团股份有限公司，辽宁 沈阳 110869)

喘振是离心压缩机特有的一种现象，它是危害压缩机结构的主要原因之一，在工艺流程中应尽力避免压缩机喘振现象的出现。根据某厂压缩机机组现场应用反馈，机组发生喘振现象比较普遍，有些机组甚至频繁发生喘振，给用户造成巨大的经济损失。

1 喘振现象及引起的原因

1.1 喘振现象

喘振现象可以从三个方面分析： 首先，要观察压缩机入口流量和进出口压力，从CCS趋势图可以观察波动幅度轨迹和实时趋势，若有周期性和大的波动，则会发生喘振；二是当听到压缩机进出气管路气流声音中有“呼哧呼哧”的噪音时，则机组发生喘振；三是观察压缩机的轴系振动图，当发现轴系某个振动突然急剧地增大，机组发生相较之前明显的振动时，则压缩机发生喘振。以上三种现象，是判断压缩机喘振的主要手段。

1.2 喘振发生的主要因素

喘振是多因素综合作用的结果，主要影响因素如下：

1)设计因素。防喘振系统设计不合理；防喘振阀(放空阀，旁通阀)循环气量不足；防喘振系统没有将气体分析仪与控制系统连接；对温度压力没有补偿修正。

2)调节因素。防喘振系统调节不佳。

3)运行因素。机组投产运行前没有对压缩机进行实际气体喘振试验校核；防喘振系统因为各种原因不能投入自动；防喘振系统失灵；进气温度压力偏离设计值较大，气体相对分子质量变小；压缩机工艺流程波动造成管网压力变大；机组转速下降；压缩机进口通流面积减小；操作中出现失误。

1.3 喘振位置

气流在叶轮流动路径中或在叶片扩压器的流动路径中会发生喘振；喘振也可能发生在某个阶段、某个部位、或整个单元中。经验表明： 如果压缩机具有叶片扩压器，则扩压器首先喘振；如果压缩机无叶片扩压器，则喘振首先出现在叶轮中。只要压缩机一级气体激增，气体在该处紊乱流动加剧，多级压缩机的最后一级就容易出现振幅加剧的现象，从而扩展到整个机组。

2 喘振造成的危害

1)压缩机进出口参数发生大幅波动，会对整个工艺生产流程造成危害。

2)对机组转动部件和轴承、密封装置、隔板产生冲击，容易使转子发生不平衡，静止件发生刮碰磨损。

3)破坏机组配套附属设施正常运行，使辅助设备如干气密封装置等损坏，造成联锁停车。

4)对压缩机内部结构产生巨大冲击，容易造成轴瓦密封型环刮碰摩擦及烧蚀变形。

5)密封元件与转子非正常摩擦，造成级间间隙超差，压比达不到要求，如若是易燃易爆、有毒有害介质发生泄漏，严重时则可能造成财产损失及人员伤亡。

3 避免发生喘振的方法

3.1 设计源头的措施

1)压缩机设计时各部件采用合理的几何尺寸，适当地优化通流部分结构，让压缩机运行范围具有充足的安全裕度，防喘振工作原理如图1所示。

图1 防喘振工作原理示意

由图1可知，左侧以喘振线为界，为了留出安全裕度，最小体积流量范围为(1.05～1.10)qV喘，所以经常用防喘振保护线作为边界保护线；上方以压力线和最大连续转速线(105%n额)为界，下方为最小工作转速线为界；右侧受到阻塞流量线的限制。为了增大机组稳定工作的范围及提升抗喘振能力，在设计时应注意以下几个问题：

a)使用不同级的多级压缩机，后级压缩机级间的气流要具有较好的通流条件。

b)对于小流量压缩机或多缸压缩机的后缸，应选用无叶扩压器作为通流截面部件。

c)定速压缩机可以是叶轮入口导叶装置或扩压器叶片调节装置。

d)对于可变转速的压缩机，尽量控制好转速。

2)压缩机出口设置逆止阀，当压缩机喘振时，应防止气体回流引起的设备损伤。压缩机出口的第1台阀尽可能靠近出口法兰，减少管网容量，降低通流能量。

3)平衡盘泄漏管线上需安装高温报警装置，在喘振之前能对气体温度上升发出自动报警。

4)防喘振控制系统应该在压缩机段间、缸间安装自动和手动防喘振控制调节设施。为了防止喘振发生，压缩机的工况点始终需要在喘振线右侧运行，因此在喘振曲线的右侧预先设计了防喘振保护线，即防喘振曲线，当压缩机运行工况点从右侧逐渐移动到防喘振线时，则应快速打开连接压缩机出口到进口的防喘振阀，从而扩大压缩机进口流量，降低压缩机管网阻力，从而让工况点远离喘振区域。防喘振曲线与喘振线之间应有一定的安全裕度，一般情况该裕度为8%～10%。由于控制系统采用比例关系比较容易实现，因此实际防喘振线由直线代替，根据浪涌保护曲线的不同设计，一般常见的防喘振控制方案见表1所列。

5)防喘振控制系统的自动和手动功能应单独使用，当系统调节滞后或自动控制系统失效时，可以手动打开回流阀或排气阀，但必须正确选择防喘振控制系统仪表、阀门等设备。

6)设置压缩机防喘振界面，使操作者能通过屏幕界面看到工况点与防喘振曲线，喘振曲线相对位置，发现工况点偏移到防喘振曲线附近时，立即采取措施，使工况点远离喘振区域。

3.2 规范试运行和现场投产前的调试

1)压缩机试运行前，要组织操作人员认真学习压缩机工艺流程，熟悉配套设施，熟练掌握压缩机基本原理和操作手册，通晓压缩机设计曲线、结构和性能、管网特性，特别要掌握压缩机进口条件以及转速对压缩机的影响。

2)在压缩机调试前，根据压缩机组的性能曲线，预先确定速度增加曲线和减速曲线，并以此作为操作基础。

3)在压缩机操作中遵守“升压先升速，降速先降压”的规则。

4)压缩机启动前，进口阀、回流阀和防喘振阀应全部打开，出口阀应完全关闭，以便空载启动。

表1 常见的防喘振控制方案比较

5)根据升速增加曲线，当压缩机加速到调速器最小转速时，可以执行增压操作。

6)升压时必须先使出口阀门打开去下一工序，并使放空阀或防喘振阀缓慢关上，让工艺气体进入下个流程。

7)升速和升压要交替进行且不要过快，升压要慢于升速。

8)双缸压缩机有两个防喘振回路，在开车之后应首先增加低压缸的压比，然后增加高压缸的压比，即低压缸的防喘振阀在升压过程中首先关闭，然后关闭高压缸的防喘振阀。

9)在停车之前，首先检查回流阀，先将回流阀打开一定开度，在出口压力下降到一定值后，再将转速降到一定值，压力下降和速度下降交替变化，直至出口压力卸掉再停车。

10)对双缸压缩机，停车时要先开高压缸回流阀，然后开低压缸回流阀。

11)压缩机的性能设计曲线和设计喘振点，目前都是设计人员在模型程序输入参数后计算出来的，再加上压缩机出厂加工制造的误差以及到现场安装装配的误差，可能实际机组的喘振线与预期喘振线会有一定的偏差，再结合现场实际使用条件，不可能完全满足设计状态下压缩机的运行性能，因此要求压缩机的喘振线需要现场实测校准，一般压缩机在现场运转正常后，才能进行喘振试验。喘振对压缩机的破坏性很大，试验前一定要有专业技术人员指导试验，识别机组可能发生喘振的风险并快速作出反应，在做喘振试验时，一般取70%n额，80%n额，90%n额，100%n额，105%n额5个转速下的喘振试验点，在每个转速下，进口压力温度保持稳定，进口体积流量由大变小，进口压力由小变大，当机组出现喘振现象后，退到离喘振最近的稳定点记录数据，以此作为压缩机在该转速下的喘振点。

12)有了实测喘振线，通过控制系统里喘振线的修正，标定防喘振阀特性。

4 压缩机运行维护的注意事项

1)经常清理压缩机进口管路的过滤器以及差压变送器排污处和其他出口管道容器，避免被灰尘、杂质、污垢等堵塞。

2)在运行操作中要严格观察压力、温度、进气流量、气体分子相对质量、转速、管网容器压力以及冷却器对管路气体的作用等工艺条件的变化，防止进出口管线堵塞。经常观察工况点在操作条件下的操作动态，当工艺条件发生变化且运行工况条件趋于防喘振线时，必须将回流阀、进口节流、转速、进口导叶角度调整到手动模式，改变压缩机性能工况点，降低压缩机出口阻力，使工况点远离防喘振区域。同时要立即查明原因，尽快恢复正常工艺。

3)严格按照操作手册进行规定的操作，一旦发生喘振，一般不要停机，首先使机组脱离喘振区域，然后查明原因。检查机组有无损坏，一切正常则恢复正常操作。

4)和压缩机有关的各种变动，应尽早通知压缩机操作位，事先评估风险，做好预备方案。