离心压缩机喘振以及防喘过程的分析

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1 压缩机组工程概述西气东输站场有罗斯-罗伊斯(R011s-- Royce简称罗罗)公司和美国通用电气(简称GE)公 司生 产的两种航改 型燃 气轮机机组。在西气东输燃气轮机机组中，燃气轮机的主要作用是使气体的动能转化为机械能 ，带动离心式压缩机 。离心压缩机的主要作用 是 ，将上游 来的低 压天然 气进行升压分输至下游用户。

2 压缩机的喘振分析研究 压缩 机 ，可 以先从 压缩 机内部 的非定 常流动 入手 ，对研 究研究压 缩机有很大帮助。压缩机拥有比较复杂的工作稳定性 ，基本分 为利用 失速和喘振 原理的 气动非稳定性和利用颤振原理的气弹非稳定性。逐步减小压缩机或者压缩机系统流量，将促使压缩机改变工作地点，如果越过喘振 或者时 速线 ，压缩 机的工 作将会发 生不稳定情况。压缩机的不稳定现象我们主要研究其中的气动不稳定现象，研究结果将这种现 象 总 结成旋 转 失速 和喘 振 两种 情况。下面 我们对压缩 机的喘 振进行分 析和讨论。

2.1喘振的原理喘振的产生；压缩机在运转过程中，流量不断减 少，小到最小流量界 限时 ，就会在压缩机流道中出现严重的气体介质涡动，流 动严重 恶化 ，使 压缩 机 出 口压力突 然大幅度下 降。由于压缩 机总是 和管 网系统联合工作的 ，这时管网中的压力并不马上降低，因而管网中的气流就会倒流向压缩机，直到管网中的压力降至压缩机出口压力时倒流才停 止。压缩机 又开始 向管 网供气 ，压缩机的流量又增大，恢复正常工作，但当管网中的 压力恢 复到原来 的压力时 ，压缩机流量又减小，系统中的气体又产生倒流，如此周而 复始 ，产生周期性 气体振荡现象 就称 为喘 振。

它是-种周期性的现象，它能在压缩机机械部件上产生很大应力。压缩机必须防 止喘振 ，决不 允许压缩机 在喘振情 况下运 行 。

2.2喘振产生的原因造成离 心压缩 机喘振 的 原因涉 及到 ：工艺专业、仪表白控专业及部分设备专业等 知识 ，其复 杂程度不 是我们-篇 论文就可 以阐述的 。我们压 气站为联动设 备为透平 驱动离心 压缩机 系统 ，涉及 的知 识就更多。如果放开来，足可以写上-本书，所以我 们在这里只 能提供大概的思路 。

(1)各段吸入流量严重不足 ，导致喘振 ；(2)某段的吸入口压力过低导致喘振I(3)由于段间发生堵塞，造成实际吸入不足导致喘振；(4)离心机设备内部转子或扩压孔道中有液体的羁留导致喘振，(5)压缩机的末段出口下游压力高于压缩机出口导致喘振 I(6)压缩机某段吸入少量液体；(7)在开车过 程 中操 作不 当，如打 开末段 出 口大 阀和关闭防喘振 阀不匹配等原 因。

由设备本 身原因引起的压缩机 喘振 的条件比较少，可能的原因大多为错误的检修所致 。

3 压缩机防喘过程分析流量 与转 速成正 比关 系 ，多变 压缩 能量头与转速 平方成正比关 系， ×NHpK2 xN正篱 仁 -- 德酗税瀚 - - 懑缩机避霈r Ir 矗P 压缩机非 滞--' 骞腔囵 -叶 p积圈 1 喘振的产生原理×(H K3( ) (1)K1、K2、K3为常 数 ， 为 多变 压缩 能量头 ， 为流量，N 为压缩机转速 。

在石油化工生产中，在工艺条件波动的情况下，压缩机进气温度、压力、气体组分 的变化都会 引起压缩机性能曲线 及喘振点的变化 。压 缩机提供给 气体 的能量或压缩功可用如下公式来描述 ：- ( ) -·式中，Hp为多变压缩能量头 ；"为多变指数 ； 为温度 ， 为气体常数 83 14l为气体分子量 ， 为出 口压力， 为进 口压力t Z为压缩因子。由(1)和(2)式得到：( ) -· ㈤由于 ：√ ㈩式中， 为入I：1流量计压差· 为流量计流量系数 ，由孔板尺寸决定 ； 为压缩机： 土 RZT由(4)和(5)式得到 ：Qs：8由(3)和(6)式得到如下公式：pQ图2 压缩机特性曲线示意围(6)科技资讯 SCIENCE＆ TECHNOL0GY INFORMATION 95 ：赤( -·l由于是小压 比，因此 ：P 兰lm(p-1由此得 到 ：( ]l( 啦-t ㈦矧 毒 设： ÷ 为常数]×P×以及- 得到Qs与 的关系 ，为2次平方关系。

S得到 压比和流 量的关系曲线 ，如图2所示 ，为喘振曲线I Ⅱ 。压Qs0，言 l。

S图3是压缩机特性图，该图体现了压缩机内部不稳定的工作原理。压缩机动态过程 中的-些关 键因素 ，像 喘振 边界线以及速度线等 都在 该 图上有体 现 ，该 图表现 出该系统 中的工作点如果在传真线的左边部分 ，压缩 系统工作 出现不 稳定状态的 压力和进 口流量关 系。

在我们实际的压气站，-般不会考虑喘振线右侧的实际特性曲线，因为-旦到喘振 线左侧 ，会 引起压缩机停机 。因此我们- 般不会 看到压缩机的3次S型 曲线 ，我们蓬只考虑如图3所示的曲线。我们在实际的压缩机 中，都会有防喘振 系统 ，防喘振 系统在压缩 机特性 曲线中 ，设置喘振线的右边 的防喘振线来反映防喘 系统的控制过程 。

压缩机以恒速在稳定点m上运行 。由于工艺突然 波动 ，工艺的流 量v从m点减到r点。然而 ，压缩机按 照对速度的设定继续提供气流并且工 艺阻力增加 ，同时操 作点沿曲线向n点移动(流量减少，压力比增加)。

在该点n上 ，喘振控制系统开始打开防喘阀 ，以防止流量降至喘振线 ，控制器继续打开防喘 阀，直到减 少到 的工艺流量v1和通过防喘 阀的 流量 总计达到最小流量v2，p /这是随着出口压力 的变化(压力比 )，由来 自控 制线的设定 点决 定的。如果压缩机速度设 定不变 ，新的操作 点n将稳定下来并 由喘振 控制器保持。

从 工艺的观 点来看 ，压缩机这 时理论上在不稳定区域的第r点上运行，因为工艺仅处 理了流量v3，但 事实上压缩机在控制线上的第n点上运行，而且通过防喘阀使流量平衡(v2 V1)依然处于稳定区域。为 了确保压缩机不能进入 不稳定区域 ，必须给 对喘振 线保 持-定 的安 全界 限(防喘 阀打 开的位置界限)。

这个控制器的输 入信号是压缩机的现场信 号∝ 制器能够控制以下各部分 。

当压缩机 启动 时 ，防喘振 控制 阀应 该处于最大 开度的位置 。作 为控 制系统的独立部分 ，防 喘振 控制 阀被 强制 维持打开状态 ，直到启动过程结束 。

在启 动过程结 束时 ，控制器开 始对 回流阀进行控制，控制器发出的控制信号斜坡上升到达控制位置，在这个位置上控制器开始控 制阀的动作 。通 过对速度的调节以及入 1：3截流阀的调 节 ，来实现性能 图上的工作范围 ，并以此 来改变压缩机 的出 13/ 。

囊 4、 穗./ 定-/ 蓬路撬爨图3 压缩机特性曲线示意图96 科技资讯 SCIENCE ＆ TECHNOLOGY INFORMATION工 业 技 术压力以及体积流量使压缩机的工作 曲线根据图的曲线变化[5。

根据 图3，我们 分析防喘振控 制过程 ，共有4种状况 。

工作点在喘振 线上方，PLC对防喘振 阀的控制信号为100%，防喘振阀全开，电磁阀失 电。

工作点在喘振线下方，PLC对防喘振 阀的控制信号为100%，防喘振阀不全开 ，电磁阀带 电。

工作点 由2向3移 动过程 中，当在防喘振线 上时 ，PLC对防喘振 阀的 控制信号开始由100%逐渐递减 ，直至防喘振阀全关为止；此过程 ，电磁阀始终带 电。

工作点 由3向2移动过程 中，当在防喘振 线上时 ，PLC对防喘振 阀的控制信号开始由O%逐渐递增 ；当在喘振线上时，防喘振阀的控制信号刚好为100%；此时 ，电磁阀恰好失 电。

4 结语当压缩机发生 喘振时 ，采认 理的手段消 除压缩 机 的不稳 定工 作是非 常 重要的。-般说来 ，喘振可以通过运 用控制系统阻止压缩 系统 工作点进入 不稳 定区(喘振线的左部)，来避免其中失 喘振 严重破坏压缩机的稳定性 。防止离心压缩机喘振 ，对操作人 员的要求主要-条是操作从员应了解压缩机 的工作原理 ，随时注意机 器所在的工况位 置 ；熟悉各种监测 系统 和调节控制系统的操作 ，使机器不致进入喘振 区。