离心压缩机喘振原因分析与控制措施

唐 宇，石成江，吴华远

（1. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油抚顺石化公司合成洗涤剂厂， 辽宁 抚顺 113001）

离心压缩机喘振原因分析与控制措施

唐 宇1，石成江1，吴华远2

（1. 辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001； 2. 中国石油抚顺石化公司合成洗涤剂厂， 辽宁 抚顺 113001）

离心式压缩机是一种叶片旋转式压缩机，在高速旋转叶轮的作用下及通过扩压器的扩压后，使介质气体压力得到提高，它的安全运行对工业生产有着重要的意义。针对离心式压缩机喘振产生的机理与原因、以及防止喘振发生的条件与措施，进行了较为详细的分析与阐述，为离心式压缩机喘振的在线监测与控制奠定了一定的基础。

离心式压缩机；喘振；管网；性能曲线；控制措施

离心式压缩机是一种回转运动的机器，由于具有气量大、体积小、重量轻、结构紧凑、运转平稳、操作可靠以及介质气体不受油污染等特点，其优越性日益得到了大家的认可。在石油、化工、化肥以及钢铁工业的生产中，离心式压缩机成为压缩和输送各种气体的关键机器，但其也存在着固有的隐患，那就是易喘振现象。喘振是离心式压缩机特有的一种故障，它不仅影响机组的效率，还会对机组内的部件造成损坏。例如，轴承液体润滑条件遭到破坏，轴瓦会被烧坏；密封元件被破坏，导致漏气漏油；转子与定子产生摩擦与碰撞，造成主轴和隔板断裂。因此，要熟悉和掌握离心式压缩机喘振发生的原因，并制定一些防喘振的有效方法和措施，使压缩机工况点脱离喘振区，实现压缩机的稳定运行［1,2］。

1 喘振的判断方法

离心式压缩机一旦发生喘振现象，则机组和管网的运行状态会有以下较为明显的特征：

（1）压缩机和管网之间发生周期性的振荡，并产生时高时低的噪声，严重时机组甚至会发生剧烈的“吼叫”声。

（2）机壳和轴承发生强烈的振动，且振动不稳定，时大时小，并发出强烈的、周期性的气流声；喘振的振动频率一般较低，通常为1～30 Hz。

（3）气体介质的出口压力和入口流量大幅度的变化，发生周期性的脉动，严重时还可能产生气体倒流的现象，这是较危险的工况。

（4）拖动压缩机的电机的电流表和功率表指针会产生大幅度的波动，并随着喘振强度的增加而逐渐增大。

因此，在生产过程中，通过对离心式压缩机运行的声音、进口压力和流量、振动幅度和仪表的观察，就可以有效地判断出喘振是否发生［3］。

2 喘振原因的分析

2.1 喘振发生的内因

研究表明，喘振发生的内部原因与叶轮结构及叶道内介质气体有着密切的关系。当进口气体流量瞬时降低，低过了所允许的最低工况点时，压缩机内的气流流动方向与叶片进口安装角出现很大的偏差，造成叶道内的气流出现严重的“旋转脱离”，使气体在叶道中滞流，致使压缩机压力突然降低，然而出口系统的压力并没有瞬时下降，这就使排气管内压力高的气体流回压缩机，使叶道内的流量又得以补充，并恢复正常工作，当压缩机内的流量再次减小时，系统气体又会出现倒流，如此反复，系统中的气流便产生了周期性的振荡，并伴随着强烈的噪声，这就形成了压缩机的喘振［4］。

2.2 喘振发生的外因

通过对离心式压缩机性能曲线的分析，当喘振发生时，其工作点一定进入了喘振工况区。因此，压缩机的喘振与管网特性有着密切关系。所谓“管网”就是离心式压缩机实现气体介质输送任务的管道系统，位于压缩机入口之前的称吸入管道，位于压缩机出口之后的称为排出管道。管网一般均为由管线、管件、阀门和设备等四大要素组成（详见图1）。实践表明，离心压缩机管网容量愈大，喘振的振幅愈大，振频愈低；管网容量愈小，喘振的振幅就越小，振频愈高。

图1 管网结构简图Fig.1 Pipe network structure diagram

图2为离心式压缩机与管网联合工作性能曲线图。从图可知，随着管网阻力的增加，气体流量的减少，其位置由1逐渐左移到2和3，工况点也由 移到 和 ，此时压缩机不会产生喘振，当气体流量进一步减少，管网性能曲线左移至位置4时，其工况点 已进入喘振区，压缩机开始在喘振工况下运行。显然，随着流量的减少，管网性能曲线不断左移，并与压缩机性能曲线交于喘振区，于是喘振发生。所以，管网性能曲线左移是产生喘振的条件［5］。

在离心式压缩机的实际运行中，以下各种因素也会导致喘振的发生:

（1）吸入量不足

由于外界因素使吸入量减少到喘振流量以下，使压缩机进入喘振工况区引起喘振。造成这种情况下的原因有：冷却器泄漏或尘埃结垢，使压缩机流道阻塞；叶轮进口堵塞或过滤器堵塞，使压缩机进气阻力增大，导致压缩机供气不足。这些情况如不及时发现和调节，压缩机都可能发生喘振。

图2 离心压缩机与管网联合工作性能曲线图Fig.2 Centrifugal compressor and pipe network joint performance curve

（2）系统压力过高

造成这种情况的有：压缩机紧急停机，介质气体为此进行放空或回流；出口管路上的单向逆止阀门关闭不严或单向阀距压缩机出口太远等等，这些情况均会造成离心压缩机的排出压力过高，从而导致喘振的发生。

（3）操作不协调

在离心压缩机启动过程中，要强调“升压必先升速，降速必先降压”的原则。升速升压要缓慢地进行；降速之前应先采取卸压措施：如回流、放空等，以免转速降低后，气流倒灌。

（4）机组内的部件损坏

离心压缩机内的机械密封、“O”型圈密封、平衡盘密封等部件安装位置不合理或不够精确，会造成各级之间串气，可能引发喘振；过滤器或叶轮阻力过大，逆止阀失效或损坏均可以引起喘振。

（5）气体介质状态的变化

喘振发生的可能与气体介质状态有很大的关系。因为气体状态影响流量，从而也影响喘振流量，如进气压力、进气温度、气体相对分子质量等对喘振都有一定的影响。当恒压恒速时，气体入口温度越高，越容易发生喘振。因此，对同一台离心压缩机来说，夏季比冬季更容易发生喘振；当转速一定时，进气压力越高，则喘振流量值也越大；当恒压恒速时，气体相对分子质量越小，越容易发生喘振［3］。

3 防喘振条件及措施

当离心式压缩机进口流量减少到一定程度时，便会发生喘振，而维持压缩机运行的喘振流量 要不低于压缩机运行的最小流量 ，即离心式压缩机在不同的转速下运行时会得到不同的机组喘振时的性能参数，将这些喘振点的参数标在性能曲线图上，并连接起来，就可以得到离心压缩机的喘振线。

图3为一台离心压缩机在n1、n2、n3和n4转速下的一组性能曲线，而每条性能曲线会根据在发生喘振工况时的性能参数产生出对应的喘振点a1、a2、a3、a4和喘振流量。将这些点联成一条接近抛物线的曲线，该曲线就是压缩机的喘振线，其方程为：

式中: hpol— 压缩机有效能量， J/kg；

Qmin— 压缩机进气状态下的容积流量，m3/h ；

B — 摩擦损失系数。

图3 离心压缩机性能曲线Fig.3 Centrifugal compressor performance curve

即压缩机运行中的流量，要大于喘振流量 ，这是压缩机保持稳定运行的先决条件。

如果压缩机入口的进气量低于机器的喘振流量 ，必将导致喘振的发生，而在生产实践中可以通过以下的措施来防止喘振的发生。

3.1 压力调节

压缩机在高于设定压力的条件下工作时，可通过进口导叶节流的方式维持出口压力，或打开防喘振调节阀将部分压力放空；也可加装旁通管，采用旁通回流的方法，使排出压力保持在设定的压力下，使其流量维持在所限定的最低流量之内。

3.2 变频器调速

压缩机在开始运行时，负荷最大，传感器把所测量的数据传至 PLC（可编程控制器），PLC经过PID运算输出运行频率到变频器，控制变频器，随着压缩机的运行，PLC根据压差与流量的降低发出信号，控制变频器降低电源频率，从而降低了运行中压缩机的转速，避免了压缩机的喘振，并减少了不必要的能量损失［7］。

3.3 合理控制防喘振安全裕度

根据离心压缩机性能曲线，见图 3，在喘振线右侧采用了一条防喘振线作为防喘振调节器的给定值曲线，它与喘振线之间的这 的区域是压缩机的安全边界，称为安全裕度。它是在一定工作转速下，正常流量与该转速下喘振流量之比值，一般要求安全裕度 。当压缩机工作点到达防喘振线时，防喘振调节阀打开，以使工作点右移进入安全区，从而避免喘振的发生［8］。

3.4 改变离心压缩机的参数

在结构参数选择上，如采用后弯式叶片的叶轮，无叶扩压器，叶轮叶片进口边适当加厚等；在设计时采用导叶可调机构，以便在需要时，将部分气流从叶轮出口引入到叶轮入口，通过改变叶轮入口气流的预旋，来抑制喘振的发生。

3.5 设置报警仪表

在离心压缩机的进口安装流量、温度监视仪表，出口安装压力监视仪表，一旦压缩机已接近喘振工况区时能及时发出报警，以提前采取措施，防患于未然。

4 结束语

综上所述，一旦喘振发生，离心式压缩机将处于危险的工作状态，所以要结合压缩机与管网联合工作性能曲线，使工况点要尽量远离喘振区，以保证机组的正常运行。因此，现场操作人员对喘振的机理及故障特征要有深入的定性认识，并能在生产实践中采取相应的措施，降低喘振发生的频率，从而提高离心式压缩机运行的稳定性。

［1］ 王书敏. 离心式压缩机技术问答．海底输油管道传热模拟计算[M].北京：中国石化出版社，1995．

［2］ 高慎琴. 化工机器[M]．北京：化学工业出版社，1992．

［3］ 黄志坚. 机械设备振动故障检测与诊断[M]. 北京：化学工业出版社，2010．

［4］ 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，2009，4(10)：257-258．

［5］ [美] 埃利.尼森费尔得. 离心式压缩机操作与控制原理[M]. 北京：机械工业出版社，1988.

［6］ 黎飞龙. 离心式压缩机防喘振技术分析[J]. 内江科技，2009，5(5)：73-74．

［7］庞琳. 离心压缩机喘振的预防及解决措施[J]. 中国高新技术企业，2010，8(22)：82-84．

［8］ 何龙，张瑞妍. 离心式压缩机防喘振研究[J]．压缩机技术，2009，10(5)：14-16．

Causes and Control Measures of the Centrifugal Compressor Surge

TANG Yu1，SHI Cheng-jiang1，WU Hua-yuan2
（1. Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China；2. Fushun Petrochemical Company, Liaoning Fushun 113001，China）

The centrifugal compressor is a kind of blade rotary compressor, under the function of the high-speed rotating impeller and the pressure expansion of the diffuser, medium gas pressure is increased, and its safe operation has important significance for the industrial production. In this paper, forming mechanism and causes of the centrifugal compressor surge were discussed，and control measures were put forward, which can lay a foundation for on-line monitoring and control of the centrifugal compressor surge.

Centrifugal compressor; Surge; Pipeline network; Performance curve; Control measures

TQ 051

A

1671-0460（2012）09-0992-03

2012-03-28

唐宇（1986-），男，辽宁锦州人，硕士研究生，研究方向：从事过程装备监测与控制技术方面的研究工作。E-mail：ticky19860124@163.com。