离心式空压机喘振控制方法介绍

吴 鹏

（阿特拉斯科普柯无锡压缩机有限公司，江苏无锡 214028）

1 引言

离心式压缩机是动能式压缩机（dynamic principle）的一种，如图1（radial-centrifugal）所示，使用范围涵盖了化工，动力工程，制冷工程和气体输送等，具有处理量大、体积小、结构简单，运转平稳，维修方便以及气体不受污染等特点。

然而，在离心机的运行过程中，对气体的压力，流量，温度变化较敏感，容易发生“喘振”。早在1945年英国首先发现了离心式压缩机的喘振现象并引起了人们的注意。喘振是离心式压缩机的一种固有现象，具有较大的危害性，是压缩机损坏的主要诱因之一[1]。

图1 压缩机分类

2 离心式压缩机喘振介绍

离心式压缩机工作的基本原理是利用高速旋转的叶轮带动气体旋转，使流速增大。在叶轮后部设置有截面积逐渐扩大的扩压元件（扩压器），从叶轮流出的高速气体在扩压器内进行降速增压，气体的动能转换成压力能。

如图2所示，当压缩机的操作工况偏离设计工况时，叶轮进气流量减小到一定程度后，在某一个或几个叶片上会发生气流边界层的分离（如流道B），进而会影响到相邻流道A和C，改变了原来流向A、C流道的气流方向，边界层的分离将会和叶轮旋转方向相反的方向旋转移动（如图中u′的方向）。实验表明，这种旋转移动速度小于叶轮的旋转速度，即u′＜u，所以在绝对运动中，分离区的方向将会以和叶轮旋转方向相同，这种现象称之为“旋转脱离”。

旋转脱离的出现，使得进出口的压力，流量和速度等参数产生强烈脉动，对叶轮叶片产生了周期性的交变作用力，导致强烈的振动和噪声。如果进一步减小流量，整个流道将无法正常排出压缩气体，出口压力大大下降，再加上管网中回流的高压气流，产生所谓的“喘振现象”[2]。图3即为典型的由于喘振导致的叶轮失效。

在实际运行中，每一台离心式空压机都会有固有的流量控制曲线，如图4所示即为一典型的性能曲线（排气流量-排气压力）：针对每一条进气负荷曲线，都会有一个最小的进气流量，低于这个最小的进气流量，机器就会进入喘振区域。而所有的最小进气流量点就会形成“喘振曲线”，找到这条喘振曲线就能实现对离心式空压机的有效控制。

图2 转动叶栅中旋转脱离的示意图

3 固定极限流量法

基于最高转速下的喘振流量，叠加一定的安全余量，使压缩机在运行过程中避免进入喘振区域运行，其控制原理如图5所示，当压缩机入口流量小于设定值时，安装在排气管道上阀门将由控制马达开启，使部分气体放空或者返回到压缩机吸入口循环使用，因此不论压缩机后续需求气量是多少，机器将始终运行在非喘振区域。

图3 典型的叶轮喘振失效

图4 离心式压缩机性能曲线

图5 固定极限流量法防喘振控制原理图[1]

图6 不同参数下定义的喘振[4]

对于离心式压缩机来说，压头、流量和转速是监控其运行的3个定义参数，其中任意两个即可用来定义机器的运行点和喘振点[3]。

4 喘振曲线的建立

取二级的进排气压差（Dp，Difference Pressure，PDT19） 和二级流量压差（Dp Nozzle，Difference Pressure of Nozzle，PDT20） 来建立控制曲线（即Turndown），其定义如图7所示。

图7 控制点选取图示

表1 两点法喘振数据记录

选取一台二级压缩的离心机进行喘振实验，分别选取IGV开度为15%和80%时，利用控制程序将BOV从全开状态逐渐关闭，并通过叶轮主轴轴承上的振动检测传感器和排气压力实测值来判断机器是否进入喘振状态，一般来说，当振动值和排气压力值剧烈波动，并伴随有异常噪声时，机器基本运行在喘振流量。

如图8所示，通过采取喘振点 1和喘振点 2来建立喘振曲线，在实际的喘振曲线上，选取一定的运行余量来设置机器的性能曲线。

但在实际运行中，我们发现，机器在某些特定的IGV开度下，机组控制电脑上没有出现喘振报警提示，但是实际已经运行在喘振区域，并出现了叶轮失效的严重后果。

为此，我们增加控制点（IGV开度分别为20%、35%和70%）来重新定义性能曲线，记录的参数，见表2。

图8 两点法建立喘振控制线

通过对比图8和图9我们发现，在选取2个运行状态点捕捉到的离心机的喘振曲线并不能代表真实的性能曲线，选取5点采集数据更接近机器实际的运行状态。在以上案例中，当IGV开度为35%时，如果我们仅仅采集2个状态点，将会存在机器运行在喘振区域的风险。

表2 五点法喘振数据记录

5 结语

在机器的实际运行中，我们希望设置的喘振线能够和实际喘振线完美的匹配。通过实际的案例测试，我们可以很清楚的发现，离心式空气压缩机的实际喘振曲线并非是一条直线（图10），而是一条不规则的曲线。

图9 五点法建立喘振控制线

图10 实际喘振线、设置喘振线、运行控制线

基于不同的工业需求和成本控制，实际上喘振控制有很多种可以运用的方式，如可变极限流量法、模糊控制法等[4]。但在空气压缩领域，运用固定极限流量法，配合五点喘振数据采集，已经可以有效的实现对整机的保护。

实践也证明，在我们采取了五点控制法并将其应用到市场之后，没有再发现因为喘振导致的叶轮失效，从而进一步验证其有效性。