离心式压缩机喘振现象与调节方法

1、离心式压缩机喘振现象与调节方法一、什么是喘振喘振是离心式压缩机的一种特有的异常工作现象，归根揭底是由旋转失速引起的，气体 的连续性受到破坏，其显著特征是：流量大幅度下降，压缩机出口排气量显著下降；出口压 力波动较大，压力表的指针来回摆动；机组发生强烈振动并伴有间断的低沉的吼声，好像人 在干咳一般。判断是否发生喘振除了凭人的感觉以外，还可以根据仪表和运行参数配合性能 曲线查出。压缩机发生喘振的原因：由于某些原因导致压缩机入口流量减小，当减小到一定程度时， 整个扩压器流道中会产生严重的旋转失速，压缩机出口压力突然下降，当与压缩机出口相连 的管网的压力高于压缩机的出口压力时，管网的气流倒流回压缩机，

2、直到管网的压力下降到 比压缩机的出口压力低时，压缩机才重新开始向管网排气，此时压缩机恢复到正常状态。当 管网压力恢复到正常压力时，如果压缩机入口流量依然小于产生喘振工况的最小流量，压缩 机扩压器流道中又产生严重的旋转失速，压缩机出口压力再次下降，管网压力大于压缩机排 气压力，管网中的气流再次倒流回压缩机，如此不断循环，压缩机系统中产生了一种周期性 的气流喘振现象，这种现象被称之为“喘振”。二、离心式压缩机特性曲线对于一定的气体而言，在压缩机转速一定时，每一流量都对应一个压力，把不同流量下 对应的每一个压力连成一条曲线，即为压缩机的性能曲线。如图1所示，对每一种转速，都可以用一条曲线描述压缩机入

3、口流量Q1与压缩比P2/P1 的关系（P2、P1分别为压缩机出口绝对压力和入口绝对压力）。图1为离心式压缩机特性曲线压缩机特性线是压缩机变动工况性能的图像表示，它清晰地表明了各种工况下的性能、 稳定工作范围等，是操作运行、分析变工况性能的重要依据。（1）转速一定，流量减少，压力比增加，起先增加很快，当流量减少到一定值开始， 压比增加的速度放慢，有的压缩机级的特性压比随流量减少甚至还要减少。（2）流量进一步减少，压缩机的工作会出现不稳定，气流出现脉动，振动加剧，伴随 着吼叫声，这个现象称为喘振现象，这个最小流量称为喘振流量。每个转速下都有一个喘振 流量，不同转速下喘振流量工况点的连线称为喘振线。

4、在喘振线左侧为非稳定工作区，而右 侧为稳定工作区。一般来说，单级工业离心式压缩机的额定转速线下的喘振流量约为额定流 量的50%，多级离心式压缩机额定转速下的喘振流量一般为额定流量的7080%。喘振工 况是小流量下的一种压缩机不稳定状况，不仅与压缩机级的设计导致的旋转失速有关，还与 外管网有关。（3）在增大流量时也会有限制，在转速不变的情况下，流量加大到某个最大值时，压 比和效率垂直下降，出现所谓“阻塞现象”。阻塞工况也称作最大流量工况，造成这种工况有两种可能。第一：级中流道中某喉部处气流达到临界状态，这时气体的容积流量已是最大 值，在压缩机内流道中某个截面出现声速，任凭压缩机背压再降低，流量也

5、不可能再增加， 进一步加大流量成为不可能。第二，流量增加，损失增加太多，流道内并未达到临界状态， 即尚未出现“阻塞”工况，但压缩机在偌大的流量下，机内流动损失很大，所能提供的排气压 力很小，几乎接近零能头，叶轮对气体做的功仅够用来克服排气管的流动阻力以维持这样大 的流量，而不能提高气体的压力，继续增加流量，压缩机将在“膨胀状态”下工作。（4）转速越高，特性线越陡，这主要是由于转速高，气流马赫数就高。因而流量变化 引起的损失增加就大，从而使得特性线变陡。（5）多级压缩机特性线比单级特性线陡，同理，压缩机段的特性线叠加后得到整机特 性线要比段的特性线陡，稳定工作范围小。三、离心式压缩机的防喘振线从

6、图1中可见，在转速不变的条件下，随流量的变化，P2/P1有一个最高点，将不同转 速下的最高点连接起来可以得到一条曲线，称为喘振线（图中虚线）。虚线左边的阴影部分 不是稳定区，称为喘振区，虚线右边为稳定区，称为正常工作区或安全区。在不同的转速下，最高点的轨迹近似于一条抛物线，经过实验测试及理论分析，如果将 P2/P1与Q12/T1标绘，喘振点的轨迹可大体上近似一条直线，因此可写出防喘振控制响应曲 线公式如下：P2/P1=a+b（Q12/T1）式中：P2为压缩机出口压力，P1为压缩机入口压力，Q1为压缩机入口流量，T1为压缩 机入口温度，a、b为系数。如果P2/P1大于a+b（Q12/T1），X况

7、是安全的，如果P2/P1大于a+b（Q12/T1），则工况是危 险的。四、管网特性曲线所谓管网，一般是指与压缩机连接的进气管路，排气管路以及这些管路上的附件及设备 的总称。但对离心式压缩机来说，管网只是指压缩机后面的管路及全部装置。这样规定后， 在研究压缩机与其管网的关系时就可以避开压缩机的进气条件将随工况变化的问题，使问题 得到简化。图2左侧是压缩机与排气系统中第一个设备相连的示意图，排气管上有调整阀门。P=Pr+AQP=Pr_4v Fr/饰 /管网特性曲线公式：PR= Pr+AQ2式中，PR位压缩机出口压力，Pr为容器中气体压力；Q为管网的体积流量；A为管道 阻力计算系数。将上式表示在右侧

8、图上，即为一条二次曲线，它是管网端压与进气量的关系 曲线，称为管网性能曲线。管网性能曲线实际上相当于管网的阻力曲线，此曲线的形状与容 器的压力及通过管路的阻力有关。A、当从压缩机到容器的管网很短、阀门全开，因而阻力损失很小时，管网特性曲线几 乎是一水平线如线1。B、当管路很长或阀门关小时，阻力损失增大，管网性能曲线的斜率增加，于是变成线2所示。阀门开度愈小，曲线变得愈陡，如线3。C、如果容器中压力下降，则管网性能曲线将向下平移；当Pr为常压时，管网性能曲 线就是线4。（比如放空或者开防喘振线）可见管网的性能曲线是随管网的压力和阻力的变化而变化的。五、离心式压缩机和管网的联合运行离心压缩机在使用

9、时，总是和其他设备管道联系起来，和驱动机用传动机构连接起来, 构成一个统一的系统。离心式压缩机工作点：把压缩机的性能曲线PK-Qj同管路特性曲线 Pe-Qj画在同一坐标上，横轴以Qj表示，纵轴以压力P表示，则两曲线的交点A即为压缩 机的工作点。下图是离心压缩机工作点示意图（图中用质量流量G代替容积流量），图中线 1为压缩机性能曲线，线2为管网性能曲线。当离心压缩机向管网中输送气体时，如果气体流量和排出压力都相当稳定（即波动甚 小），这就是表明压缩机和管网的性能协调，处于稳定操作状态。这个稳定工作点具有两个 条件:一是压缩机的排气量等于管网的进气量;二是压缩机提供的排压等于管网需要的端压。 所以

10、这个稳定工作点一定是压缩机性能曲线和管网性能曲线交点，因为这个交点符合上述两 个相关条件。离心压缩机究竟在哪个工况下稳定运行，显然不仅取决于离心压缩机本身的性能，而且 还取决于管网的特性。改变压缩机运行工况是由于压缩机本身（驱动机根据压缩机的需要随 时与之相适应）和管网性能共同决定，因此，压缩机的调节方法原则上讲既可以借助改变压 缩机的特性线，又可以借助改变管网的特性线或者两者同时改变来实现。六、离心式压缩机喘振原因分析1、喘振的实质喘振又叫“飞动”，是离心压缩机的实际工作流量到一定程度时，气流进入叶片的方向与 叶片进口角度不一致，即冲角i0，这时在叶片的非工作面产生气体分离（旋转分离）。（a

11、）心（b）0（c） iH作点，超过了要求的负荷量，管路系统压力被逼高。若能 迅速将负荷控制在相应值Qe，系统可以稳定下来，否则将经过A点到工作点到B点到C点 到D点。不断重复上述循环，就回发生压缩机喘振。3、引起喘振的因素当压缩机的性能曲线与管网性能曲线两者或两者之一发生变化时，交点就要变动，也就 是说压缩机的工况将有变化，从而出现变工况操作。离心压缩机的变工况有时并不是在人们 有意识的直接控制下(例如调节阀门等)发生的，而是间接地接受到生产系统乃至驱动机的 意外干扰而发生。A、压缩机特性曲线改变以上5种情况都是因压缩机性能曲线下移而导致喘振的，管网性能并未改变。流量从图中可以看出，随着流量的

12、减少，压缩机的出口压力逐渐增大，当达到该转速下最大 出口压力时，机组进入喘振区，压缩机出口压力开始减小，流量也随之减小，压缩机发生喘 振。从曲线可看出，流量减小是发生喘振的根本原因，在实际生产中尽量避免压缩机在小流 量的工况下运行。一般认为，压缩机在最小流量下应低于设计流量60%。入口压力如图所示，压缩机的入口压力P1P2P3，在压缩机恒压的运行工况下，入口压力越低， 工作点驼峰越近，压缩机越容易发生喘振，这也是入口过滤器压差增大时，要及时更换滤网的原因。丙烯一车间空压机入口导叶限流降压就是此原理。（3）入口温度如图所示，恒压恒转速下进行的离心式压缩机在不同入口气体温度时的运行曲线，从曲 线上

13、可以看出在恒压运行工况下，气体入口温度越高，越容易发生喘振。因此，对同一台离心式压缩机来说，夏季比冬季更容易发生喘振（4）转速透平式驱动的压缩机，往往根据外界不同流量要求而运行在不同转速下，从图可以知道， 在外界用气量一定的情况下，转速越高，越容易发生喘振。压缩机突然从高转速跌至低转速时，也会引起喘振。（5）气体相对分子质量如图所示，离心压缩机在相同转速、不同相对分子质量下恒压运行的曲线，从曲线中可 以看出，在恒压运行条件下，当相对分子质量M=20的气体发生喘振时，相对分子质量为 M=25和M=28的气体运行点还远离喘振区。因此，在恒压运行工况下，相对分子质量越小， 越容易发生喘振。B、管网特

14、性曲线改变某压缩机原在A点工作，后来因为生产系统出现不稳定，管网中压力大幅度上升，管 网性能曲线由2上移到线2（此时压缩机的性能曲线未变），于是压缩机出现了喘振。还有一种类似情况就是当把排气管阀门关得太小时，管网性能曲线变陡，一旦使压缩机 的工作点落入喘振区，喘振就突然发生。C、压缩机特性曲线和管网特性曲线同时改变譬如说在离心压缩机开车过程（升速和升压）和停车过程（降速和降压）中，两种性能 曲线都在逐渐变化，改变转速就是改变压缩机性能曲线，使系统中升压或降压就是改变管网 性能曲线，只要最终结果是两曲线的交点落在喘振区内，就会突然出现喘振。在操作中必须 随时注意使两者协调变化，才能保证压缩机总在

15、稳定工况区内工作。七、防止喘振的措施出现喘振的原因是压缩机的流量过小，小于压缩机的最小流量，或者管网的压力高于压 缩机所提供的排压，造成气体倒流，产生大幅度的气流脉动。对流量过小引发的喘振来说，最直接最有效的方法就是打开防喘振控制阀，增加压缩机 流量。压缩机出口压力与管网不匹配引发的喘振，多见于压缩机的开停车操作中。在开车时， 应该是先升速后升压；在停车时，应该是先降压后降速。常用措施：a、将一部分气体经压缩机出口阀放空。此法浪费大，且只能用于空压机、氮压机、CO2 压缩机等无毒性气体。b、将部分气体由旁路送往压缩机吸入段。广泛采用，多采用带温度调节的防喘振线， 并配备防喘振控制系统。c、转动

16、进口导叶，转动扩压器叶片或者调速等调节方法。d、设计时尽可能使压缩机有较宽的稳定工作区域，设计先进的防喘振控制系统。八、离心式压缩机调节方法网系统联合工作时，一般要求平衡工作点就是压缩机的设计工况点。但是在实际运转中， 由于用户的要求可能有变动，例如要求气体的流量或者压力有所增减，这时就需要改变压缩 机的性能曲线，移动工作点。这种改变压缩机或管网性能曲线的位置，以适应新的工作要求 的方法就叫做调节。离心压缩机在运行时要适应管网的要求，一般来说管网的要求可以分为三大类：其一，流量改变但要求气体压力维持不变，满足这类要求的调节常称为定压调节；其二，压力改变时，流量维持不变，这类调节常称为定量调节；

17、其三，压力和流量按一定规律变化。根据用户的要求不同，按调节的任务可分为：（1）等压力调节：改变压缩机的流量而压力保持不变；（2）等流量调节：改变压缩机的压力而流量保持不变；（3）比例调节：保证压力比例不变，或保证所压送的两种气体的体积流量百分比不变。离心式压缩机调节的方法一般有下列几种：（1）压缩机出口节流；（2）压缩机进口节流；（3）采用可转动的进口导叶；（4）采用可转动的扩压器叶片；改变压缩机转速。目前大型离心式压缩机都采用汽轮机或者变频电机拖动，这样，就可以很方便地满足转 速改变的要求。改变压缩机转速的调节方法，经济性最好，调节范围宽。它最适合由蒸汽汽轮机、 燃气轮机、变频电机作原动机的

18、情况。变转速调节并不引起其他附加损失，只是调节后的新 工况点不一定是最高效率点导致效率有些降低而已。所以从节能角度考虑，这是一种经济的 调节方法。而运用转速调节的方法大都运用在工作点离喘振线还有一定距离时采用。因此， 当压缩机工作点在稳定工作区，根据压缩机出口压力，进行适当的转速调节，可以达到节能 的目的。进口节流调节方法，既在压缩机进口管上安装调节阀，通过入口调节阀来调节进 气压力。进气压力的降低直接影响到压缩机排气压力，使压缩机性能曲线下移，所以进口调 节的结果实际上是改变了压缩机的性能曲线，达到调节流量的目的。和出口节流法相比，进 口节流调节的经济性较好，据有关资料介绍，对某压缩机进行测试表明：在流量变化为60 80 %的范围内，进口节流比出口节流节省功率约为45%。所以