离心式压缩机喘振预测新方法研究

张丹丹

(上海河图工程股份有限公司 武汉分公司,湖北 武汉 430070)

离心式压缩机是工艺设备中最为关键的一类[1],由于离心式压缩机对气体的流量、温度以及压力的变化比较敏感,所以在运行中容易发生喘振问题[2-4]。喘振会导致压缩机机组剧烈震动,导致流量波动幅度过大,如果不能及时有效地采取预防措施加以控制,会造成压缩机内部零件的损坏,严重时有可能导致压缩机烧瓦甚至发生气体爆炸事故[5-6]。因此,有效地预防和控制离心式压缩机的喘振问题变得尤其重要。

1 离心式压缩机系统

离心式压缩机系统的组成包括: 吸入洗涤器、离心式压缩机、二次冷却器、排放洗涤器等,离心式压缩机系统工作流程如图1所示。在该流程中,为避免压缩机受到喘振的影响采用了防喘振控制器,在入口和出口均安装了隔断阀和止回阀,以起到隔离和防止回流的作用。

图1 离心式压缩机系统工作流程示意

2 离心式压缩机防喘振措施

目前,离心式压缩机防喘振的措施有很多[7-9],在众多防喘振措施中,将惯性数作为评价喘振严重程度的判断依据是一种极为简单且实用的方法[10-12]。该方法通过推导用于描述惯性数的方程,可以判断紧急制动期间压缩系统的稳定性。惯性数R的计算如式(1)所示:

(1)

式中:I——转动惯量,kg·m2;n——压缩机转速,rad/s;P——喘振时压缩机的输出功率,W;t——压缩机预冲程时间,s。

研究发现,当压缩机的R低于30时,现有的防喘振系统难以预防喘振的发生;当R高于100时,现有的防喘振系统可实现防喘振的功能。虽然采用R判断方法简单实用,但是其准确性有待进一步提高。因此,本文重点探究惯性数方程中涉及的关键参数和其他对喘振有影响的设计参数,包括防喘振控制管路流量、防喘振控制阀冲程时间等,目的是为压缩机运行过程提供更为精准的防喘振保护措施,并预测紧急制动期间的压缩机喘振程度。

3 影响喘振的参数分析

从压缩机固有参数、压缩系统参数和防喘振参数三个方面出发,分析影响离心式压缩机工作过程中发生喘振的情况。压缩机固有参数主要是转动惯量;压缩系统参数主要包括排放量和压缩机预冲程时间;防喘振参数主要包括防喘振控制管路流量和防喘振控制阀冲程时间。通过单因素分析,即保证其他参数值为基准值,改变其中某个参数的值,并采用Aspen HYSYS软件进行压力计算,压缩机单因素分析参数设定见表1所列。以压力波动相对幅度为参数在某一设定值下的计算压力值与在基准值条件下的计算压力值的比值为例,基于单因素分析的压力波动相对幅度变化特征如图2所示。由图2可知,在一定范围内,压力波动相对幅度的程度会随转动惯量、防喘振控制管路流量的增大而降低,却随排放量、压缩机预冲程时间和防喘振控制阀冲程时间的增大而增大。压力波动相对幅度越大,喘振发生的可能性和程度越高。因此,转动惯量、防喘振控制管路流量与喘振敏感性呈负相关,而排放量、压缩机预冲程时间和防喘振控制阀冲程时间与喘振敏感性呈正相关。

表1 压缩机单因素分析参数设定

图2 基于单因素分析的压力波动相对幅度变化特征示意

4 喘振敏感系数的设立与验证

4.1 喘振敏感系数

以单因素分析为依据,调整式(1)中的参数组合,保持P不变,将排放量、压缩机预冲程时间、防喘振控制阀冲程时间等正相关参数作为分子,将转动惯量、防喘振控制管路流量等负相关参数作为分母,形成一个新的参数,即喘振敏感系数S。S计算如式(2)所示:

(2)

式中:qV——防喘振控制管路体积流量;t1——防喘振控制阀冲程时间;V——排放量。

4.2 喘振区域识别与结果验证

通过调整I,V,t,qV,t1几个变量,可以改变S的值,采用Aspen HYSYS软件模拟各参数对R和S的影响,可以得到离心式压缩机的喘振情况,如图3所示。通过图3分析,可以看出当S>400时,有明显喘振现象。当R为25～100时,存在喘振现象。因此,可以将图3中的区域分为安全区和非安全区,当S<400,110400,R>300或R<110时,为非安全区。

图3 基于喘振敏感系数与惯性数相结合的喘振特性示意

根据文献[13-14]提供的实际测试数据,通过计算R和S,结合图3判断离心式压缩机工作状态是否处于喘振区域。通过分析对比可知,所计算的R和S都处于非安全区域,与测试结果一致。

5 结束语

通过分析惯性数方程中涉及的关键参数和其他对喘振有影响的设计参数,新设立了S,并采用Aspen HYSYS软件模拟了各参数对S和R的影响,基于所得的结果可以用于识别离心式压缩机运行时的喘振区域和安全区域。本文所计算的结果与文献分析结果进行了验证对比,确保了计算结果的准确性。该方法可以在早期设计阶段为工程师提供更为准确的快速判断依据。