离心式压缩机防喘振控制问题研究

李将军 严荣 陈剑辉

摘 要：离心式压缩机是工业生产中的关键设备，它具有排气压力高、输送流量小的优点。但是离心式压缩机也存在一些缺陷，例如稳定工作区域窄，容易发生喘振等。喘振对压缩机的危害极大，为了保证压缩机的正常运行，须配备控制系统来防止喘振的发生。喘振是离心式压缩机的一种特有现象。在工艺操作过程中喘振控制通常并不是主要的，但作为保护压缩机的措施来说防喘振是非常重要的。因为一旦喘振发生，压缩机将处于不安全的工作状态，因此，离心式压缩机的防喘振是非常重要的。

关键词：离心式压缩机；防喘振；控制方案

一、离心式压缩机喘振原因与危害

当压缩机在运行过程中，若因外部原因使流量不断减小达到Qmin值时，就会在压缩机流道中出现严重的旋转脱离，若气量进一步减小时，压缩机叶轮的整个流道被气体旋涡区所占据，这时压缩机的出口压力将突然下降。但是，压缩机出口所连接的较大容量的管网系统中压力并不马上下降，此时会出现管网中气体向压缩机倒流的现象。当管网中压力下降到低于压缩机出口排气压力时，气体倒流会停止，压缩机又恢复向管网排气。然而，因为进气量不足，压缩机在出口管网恢复到原来的压力以后，又会在流道内出现旋涡区。如此周而复始，机组和管道内流量会发生周期性变化，机器进出口压力会大幅度脉动，由于气体在压缩机进出口处吞吐倒流，会伴随有巨大周期性的气流吼声和剧烈的机器振动。喘振是离心式压缩机的固有特性，产生喘振的原因可以从对象特性上找到。压缩机的压缩比与流量的曲线上有一个交叉点。在此点右面的曲线上工作，压缩机是稳定的。在曲线左面低流量范围内，由于气体的可压缩性，产生了一个不稳定状态。当流量逐渐减小到喘振线时，一旦压缩比下降，使流量进一步减小，由于输出管线中气体压力高于压缩机出口压力，被压缩了的气体很快倒流入压缩机，待管线中压力下降后，气体流动方向又反过来，周而复始便产生喘振。喘振时压缩机机体发生振动并波及到相邻的管网，喘振强烈时，能使压缩机严重破坏。

当喘振现象发生时，会对压缩机造成许多危害。第一，压缩机的工作状况极不稳定。在喘振工况下，流量、排气压力等参数都出现剧烈的波动，振幅较大而且频率低，若喘振严重，甚至导致气体倒流现象。第二，喘振会使压缩机的密封件受损。喘振发生时伴有强烈的振动和噪音，若不及时采取相应的措施，强烈的振动会导致密封件受损，密封失效。第三，喘振发生后将会使得各零部件的位置发生偏移，间隙值加大或减小，严重的将会使轴变形、发生扭曲等现象，破坏压缩机的安装质量，造成仪表失灵。

二、防喘振控制

选择一个适于特定用途的喘振控制系统，取决于许多因素，它包括：压缩机的种类、负荷的变化、测量元件的灵敏度、可靠性和喘振控制系统所要求的精确度等。传统防喘振的控制方法有，固定极限流量（或称最小流量）法和可变极限流量法和变频控制法。

（一）固定极限流量法防喘振

传统的压缩机类设备为达到控制流量或压力的目的，可以采用阀门节流、旁通回流、放空等控制手段，这些调节方式虽然简单易行，但却是以增加管网损耗，浪费能源为代价的。它不能充分使压缩机工作在其工况区，往往过早起动防喘振系统，浪费了能源，降低了经济效益。且控制系统一般采用模拟仪表构成，在压缩机的喘振线发生变化时不能及时修正，对非线性的喘振线不能较好的实施控制。目前，固定极限流量法的控制参数通常分为3类，即：只控制流量或压力的单参数控制；同时控制流量、压力的双参数控制；同时控制温度、流量及压力的多参数控制。这些措施具有以下缺点： （1）控制參数过于简单，对曲线的拟合过于粗糙，不能很好的反映喘振曲线的形态和特点； （2）当工作条件变化时，特别是工作温度有所变化时，性能曲线会发生很大变化。固定极限流量法通常用于恒速运行的离心机且一般流量调节器的给定值应大于额定喘振点流量的7% ～10%，为使压缩机安全有效和经济运行，在低负荷下操作时，其气量应始终保持在喘振区右边并留有一定的安全裕量，一般控制线位于超过喘振极限流量的5% ～10%之处。只要保证压缩机吸人流量大于临界吸入量Qmin，系统就会工作在稳定区，不会发生喘振。即在生产降负荷时，须将部分出口气体，经出口旁路阀返回到入口或将部分出口气放空，保证系统工作在稳定区。

（二）可变极限流量法防喘振

可变极限流量法常用在压缩机流量经常变动的情况下，通过改变压缩机转速的方法使压缩机工况处于喘振区以外。由于压缩机的喘振流量随着转速的变化而变化，所以可以通过改变转速使入口流量高于喘振极限流量。同一台压缩机压缩同样容积流量的气体，压缩机给气体提供的能量不变，多变指数不变。那么，进气温度增大、进气压力降低、分子量减小，都会引起排气压力的降低。可定性地得出：进气温度增大、进气压力降低、分子量减小都会使压缩机性能曲线下移。在压缩机负荷有可能通过调速来改变的场合，随着不同工况（压缩比、出口压力或转速），极限喘振流量是个变数。它随转速的下降而变小，所以最合理的防喘振控制方法，应是留有适当的安全裕量。变极限流量法是采用随动防喘振流量控制系统在压缩机的不同工况下沿喘振曲线（实际上是沿防喘振操作曲线SLL）自动改变防喘振流量调节器的给定值，使防喘振调节器沿喘振曲线右侧安全控制线（防喘振操作线SCL）工作，这样既安全又节能。采用可变极限流量法防喘振旁通阀打开点的设定很重要。设定过高时，压缩机在低负荷下消耗更大的能量。设定过低时，压缩机将被允许穿过喘振线而发生喘振。压缩机转速变动时，喘振点的变化轨迹（喘振界限线SLL）大致是一条二次抛物线，为防止喘振发生，考虑安全裕度，可以按喘振界限线得到与其平行的一条控制线（SCL），以控制防喘振阀的启闭。从而，在不同的转速下，使压缩机运行的安全裕度相同，不造成浪费。

（三）变频器调速法防喘振

随着变频器的普及，压缩机防喘振也可以用变频器调速来实现。用变频器调速防喘振大大地减少了压缩机的能耗，避免了不必要的能量损失。压缩机在开始运行时，负荷最大，仪表检测设备把测量参数传至PLC，PLC经过运算控制变频器，使变频器的输出频率上升，压缩机高负荷运行。随着压缩机的运行，PLC扫描到压缩机前后差压降低、压缩机流量减少，PLC便发出控制信号，控制变频器降低电源频率，从而降低压缩机的转速。让压缩机在低负荷下运行，避免压缩机的喘振，能大大节省压缩机运行的电能。用变频器控制的压缩机不但能防止喘振的发生，还能节电20% -30%左右。但是压缩机的转速不能无限的下降，当下降到一定程度时，压缩机的性

能开始下降，功耗开始上升。所以变频器控制压缩机在防喘振上还需配备回流阀和用可变极限流量法来配合调节而达到最佳。

三、结束语

大型气体离心压缩机在化工企业中居于核心设备的地位，一旦出现故障或者损坏会对企业造成巨大的经济损失。由于喘振的严重危害，防止喘振或抑制喘振是一项长期的研究课题。通过固定极限流量法、变极限流量法和变频调速法防止喘振已经得到了十分广泛的应用。影响喘振的因素很多，还要对喘振的机理进行更加深刻的研究，及早发现喘振的先兆并加以控制才能避免喘振的发生，保证压缩机的长期安全可靠运行。

参考文献

[1]李文华，钟瑞兴.离心压缩机性能预测方案探讨[J].压缩机技术，2007（5）.

[2]荐保志.离心式压缩机喘振分析及解决措施[J].中小企业管理与科技，2009（10）.