离心式压缩机防喘振控制研究

王 华

（陕西延长石油天然气股份有限公司，陕西延安 716000）

离心式压缩机是一种速度式的压缩机，具有排气量大、效率高等特点。其内部的机械结构呈现出结构简单、体积小、气流不受油污染特性，因此，离心式压缩机一般运行平稳，而且压缩气流无脉动。但是，由于离心式压缩机在使用中会受到气体压力、流量以及温度方面的影响，十分容易出现喘振的问题。在离心式压缩机的运行中，喘振是一种固有现象，同时具有较高的危害性，也是当下压缩机出现损坏的重要原因之一。虽然制造厂家通过控制系统的合理设计，最大程度上降低了喘振出现的可能性。但是在长期的使用过程中，依然会出现不同程度的喘振问题，并产生一定的危害。因此，为了有效地解决喘振问题，就需要将理论与实践进行结合，明确喘振的具体原理，进而能够控制好产生压缩机喘振的主要原因，实现针对性的处理，消除喘振问题，提升压缩机的整体运行效率。

1 离心式压缩机运行原理

压缩机在正常运行过程中，气体会随着压缩机的叶轮的旋转而旋转，同时，在离心力的作用下气体被甩出，被甩出的气体大量进入到压缩机的扩压器，然后在叶轮位置形成一个真空带，与此同时，部分没有经过处理的外界空气也会流入到叶轮当中，随着叶轮的不断转动，将气体不断吸入、甩出，这样一来气体就会不断地吸入、甩出，使气体来回循环保持流动。

2 离心式压缩机喘振成因

造成喘振现象的直接和间接因素有很多种，在很多情况下，是由于多种因素结合而形成的喘振问题。

1）系统压力超高的情况下，会让压缩机紧急停机，以此让气体出现放空或者回流的问题。而在出口管路上的单项逆止阀门，在实际的使用过程中，经常出现不灵活的问题，或者单向阀距离压缩机的出口比较远，阀前气体容积非常大，系统骤然减量，压缩机无法得到有效的调节，从而导致出现喘振问题。

2）吸入流量不足时，也会导致喘振的问题出现。这是由于在压缩机的入口滤器阻塞，所产生的很大的阻力，严重地影响到压缩机的运行，进而出现喘振。又或者滤芯没有得到及时的清理，在冬季出现结冰的现象，也会出现喘振问题。

3）离心式压缩机零部件遭到破坏。由于离心式压缩机内部零件比较复杂，比如，O型环、平衡盘密封、过滤器等部件，在安装过程中操作方法不规范，出现零部件脱落或者由于长时间运行遭到破坏，都会引起不同程度的喘振现象。

4）离心式压缩机操作过程中，升速、升压过快，导致喘振问题的出现。当压缩机的运转速度保持一定时，气体的流量和压力之间存在一定的关系，此时就会产生一定量的喘振流量。所以，离心式压缩机操作过程中一定要避免升速或者升压过快，确保离心式压缩机气体流量超出喘振流量。

5）离心式压缩机介质状态的变化导致喘振。喘振的发生与气体介质状态有十分密切的联系。如果压缩机运转速度不变，压缩机进气压力提升就会导致喘振流量增加；当压缩机管进气压一定，运转速度不变，而进口温度升高，容易出现喘振现象；当压缩机管进出口处压力以及运转速度都不变时，如果气体分量突然大量减少，也十分容易出现喘振现象。

3 离心式压缩机防喘振控制性能曲线

3.1 喘振线

喘振线就是离心式压缩机在各个工况下对应喘振点的线，它把性能曲线分成稳定工况区、喘振工况区以及堵塞工矿区。

3.2 离心式压缩机的性能变化曲线分析

图1是离心压缩机的性能变化曲线图，清楚地显示出不同工况下的性能及稳定的工作范围。当转速不变时，流量Q增加到一定最大值时，压比和效率垂直下降，出现堵塞问题。

图1 离心压缩机的性能变化曲线图

当流量Q减小到一定值时，工况也会发生变化，偏离设计工况。此时进入叶轮或者扩压器通道的气流方向会发生变化。气流冲击叶片工作面，在叶片非工作面的前缘会产生较大的局部扩压度。因此，在叶片非工作表面发生气流边界层分离，形成旋涡区，旋涡区逐渐向叶轮出口扩张，如图2所示。风量越小，分离现象就越严重，而气流的分离面积越大。

图2 旋转脱离示意图

因为叶片的形状跟安装的位置不能达到完全的一致，且气流不均匀，使气流边界层的分离可能发生在叶片内或叶片扩压器内。当流量减小到一定值时，因为叶轮的连续旋转以及气流的不断进入，使边界层分离现象扩散到整个流道，同时，由于气流分离沿叶轮旋转的相反方向展开，使气流漩涡在叶片内形成，然后从叶轮外圆折回至叶轮内圆，这种现象称为旋转分离。

当叶轮产生旋转脱离时，叶道里面的气流受阻不能流通，压力也大幅下降，排气管的高压空气倒流回级里来，在瞬间，倒流气体就会补充不足流量，这样一来叶轮会恢复正常工作，从而重新把倒流回来的气体排出去，级里流量再次降低，压力突然下降，如此循环，在系统内部产生周期性的震荡，这种现象叫作“喘振”。

4 离心式压缩机防喘振控制

4.1 固定极限流量法

对于这种技术方式，需要保障压缩机在入口的流量，能够始终高于某一个设定好的固定极限值，因此可以有效地避免出现喘振问题。这种技术方式结构相对简单，同时使用中也有着较为可靠的优势，投入的成本也相对较低。但是，由于喘振的问题的成因，其流量及限制往往会与压缩机的实际转速有着较为明确的关联，所以就会导致压缩机在转动的过程中并不是保持着恒定的数值，对于这种情况来说，就无法很好地使用这种技术方案。

4.2 可变流量极限流量法

（1）在压缩机当中的转速可以调节时，就会使得进入到喘振区的极限流量也会发生相应的变化。对于这种极限流量而言，就可以基于压缩机的安全操作下，进行相应的计算。同时，这种技术在使用的过程中，主要就是通过对压缩机的入口流量进行控制，保障在实际的运行过程中，基于当下的机械设备运行现场数据，进行相应的极限值调整，同时，在安全操作线的方程不相同的时候，就还要基于不同的计算方式，对其进行相应的控制。但是对于这种方案的使用而言，压缩机的转速并不恒定，使得可以基于实际的运行需求，实现转速方面的调整，因此具有较高经济性。

（2）在具体的操作中，采用的防喘振控制工艺，其进出口压力、温度以及进口气体当中的实际流量，都成为需要输入到喘振控制系统当中的重要参数数据。同时，还要对压缩机的出口位置设置单向阀门，避免气体出现倒流的情况。

（3）所构建的控制系统当中，设计了防喘振控制单元。在该单元的构成上，主要为传感器、变送器、喘振控制器、防喘振阀以及回流阀。在这样的系统运行中，其机组喘振控制器可以从接收入口以及出口位置上采集到的数据信号，并对压缩机当前的运行状态进行判断，这样就可以很好地对当下的防喘振阀的启动进行操作。但是一旦无法开展喘振的控制，就会使得压缩机出现喘振的时间较短，进而更加需要对设备与工艺进行相应的分析，并实现控制的效果。

（4）在采用恒压控制技术时，其空压机当中，并不会出现卸荷的情况，以此就可以实现流动的控制操作。这样在最小的能耗条件下，以及最少的放空量的情况下，可以优化操作流程。通过这样的操作之后，可以形成持续性的压力供风。但是，一旦空气压力达到了设定值，就会使得在空压机的入口导叶位置形成节流，这样保障了系统的整体压力方面的需求。但是，由于恒压控制的方式，无法很好地完成卸载方面的操作，因此就更加需要在满足全部工艺要求的前提下，始终维持出口的实际压力。而在压力用风充分的满足全部工艺需求时，就可以稳定地形成一个出口的压力值。但是，一旦工艺用风当中需要让空压机降低到最低的操作范围时，就让放空阀可以形成自动开关的方式。在这个工艺下的用风量，使得空压机出现压缩能力过剩的时候，可以排出更多的气体。同时，对于总能大于空压机的最低稳定水平的时候，还需要紧急实现针对性的控制方案的调节，这样就可以实现防喘振方面的系统性控制。

5 结束语

对于我国现阶段的石油化工的生产而言，压缩机是一种十分重要的机械设备，同时也保持着持续性的生产作业。以此，这就对压缩机的性能提出了更高的要求，要采用合理的方式，控制喘振问题的出现，以此让离心式压缩机可以顺利运行。