化工自动化及仪表 第４４卷 离心式压缩机喘振原因分析与预防措施 许治勇 李 瑛 吴章炜 卢 欢 刘延博 （上海理工大学） 摘 要 深入解析并探究了喘振产生的多种原因，描述了影响离心式压缩机喘振发生的多种因素，并提 出了相应的防范措施，使离心式压缩机工况点始终保持在稳定工况范围内。 关键词 离心式压缩机喘振原因分析预防措施 中图分类号ＴＨ４５２ 文献标识码 Ｂ 文章编号 １０００—３９３２（２０１７）０５－０５０４－０４ 离心式压缩机工作的基本原理是叶轮高速旋 常严重的气流“脱离现象” ，气动损失增大，叶 轮末端口处产生负压区，导致叶轮后面部件正压 转时不停地将制冷剂气体吸进，又不停地将它沿 叶轮半径方向甩出去，使气体的压力和速度都得 到增大。由叶轮甩出来的气体再进入流道截面面 积渐渐增大的扩压器，气体通过扩压器时速度得 气流沿反方阿“倒灌”，倒回到叶轮内，增大了叶 轮流道内的混合流量，叶轮恢复正常工作。若此 时压缩机的工况点仍处于喘振点，气流的这种 “倒灌”仍会持续发生。这就是导致压缩机发生 喘振的内因 。 到降低，而压力得到提高。此过程中，气体在前进 时，使绝大部分动能又转化为静压能。由此可见， 叶轮和扩压器是完成离心式压缩机升压过程的核 心部件。 事实上，这是气流在交替倒流时产生的强烈 冲击的结果。这种冲击造成机器强烈的振动，若 不采取保护措施，将造成压缩机严重的损坏，这就 是“喘振” 。 １．２ 外因 喘振是离心式压缩机反常的、不稳定的、不平 衡的运行状态，对压缩机具有很大的危害，不仅会 影响机组的工作效率，而且会损害压缩机的使用 年限。在正常工况条件下运行一段时间后，离心 式压缩机的工况会慢慢移向喘振区域。因此，在 在喘振过程中喘振幅度大小和频率高低与管 网容量的大小息息相关。由相关资料可知，管网 的容量和喘振的振幅成正比关系，和喘振的频率 成反比关系 。 管网由与压缩机一起工作的设备、装置、容 现实生产中，深入研究喘振原因，分析喘振机理， 并对压缩机采取相应的预防措施，对压缩机长期 安全运行具有一定的现实意义。 １ 喘振的原因 引起离心式压缩机喘振的原因有两方面：压 量、阀及管道等部件构成 。例如高炉、空分设 备、催化裂化装置的再生塔、烧结机、污水净化池 缩机叶轮中的气流在非工作面产生的“旋转脱 离”，是发生喘振的内在原因；而发生喘振的外部 条件是与压缩机一起工作的管网系统的参数和特 性。外部条件满足于内在原因时，压缩机就会发 生非正常的现象——喘振。 １．１ 内因 等装置及其与压缩机相连接的管道、阀、消音器及 过滤器等。 在管网容量很小的情况下，其工况点在压缩 机的左右支时，叶轮中产生的旋转脱离并不一定 引发喘振。这是因为管网容量很小，压缩机流量 一发生变化，管网能够及时响应，相应的流量和压 图１为小容量管网系统的离心式压缩机特性 当离心式压缩机的实际工作流量小到一定极 限时，导致气流方向发生变化，在叶轮进口处产生 力也能及时跟随变化。 很大的正冲角，使叶轮叶片上的非工作面产生非 曲线。其中Ａ点为原始正常工况点。假设流量突 作者简介：许治勇（１９８９－），硕士研究生，从事制冷和低温工程的研究，ｘｕｚｈｉｙｏｎｇ＿ｊｏｂ＠１６３．ｃｏｍ。 第５期 许治勇等．离心式压缩机喘振原因分析与预防措施 ５０５ 然发生变化，减少了ＡＱ，致使压缩机的工作点Ａ 和管网的工作点Ａ分别移至 点和Ｃ点。波动 后，压缩机的排气压力ｐ 和管网阻力ｐ。存在一 定的压差。正是这压差（△ｐ＝Ｐ 一Ｐ ）迫使气体 流量加快从压缩机流向管网。结果同时增大了压 缩机和管网的流量，使两者的工作点逐渐回到正 常工况点Ａ。同理，工况点位于左支时（见图１中 的Ａ 点），同样具有上述结果。 压力ｐ Ｑ ’Ｑ一’ Ｑ Ｑ一 流量Ｑ 图１ 小容量管网系统的离心式压缩机特性曲线 在管网具有一定容量的情况下，工况点在压 缩机的左支时，叶轮中产生的旋转脱离才能导致 喘振发生。这是管网容量大的缘故，进入管网的 流量相对于管网而言只发生了细微变化，并不能 立即引起管网中压力的反映。 图２为大容量管网系统离心式压缩机的特性 曲线。工况点在性能曲线的左支时，图２中Ａ点 为正常工况点。若调节压缩机出口节流阀门来减 小流量，管网特性曲线发生变化由位置１上移到 位置２。此刻，压缩机排气的流量和排气压力都 相对减小。而管网的容量很大，并未引起压力的 及时变化，结果造成管网的压力超过压缩机的排 气压力，进一步导致压缩机的流量降低。当管网 中的流量大到一定程度时，开始形成由容器向压 缩机的反向输送气体，压缩机的流量经历了从有 到无，又从无到有的过程。此过程中，压缩机的工 作点由Ａ 经Ｂ点跳至ｃ点。此刻，管网容器处于 双重任务状态，既要向外输送气体，又要向压缩机 输回气体。结果导致容器的压力和流量下降，沿 图２中的曲线２，由Ａ 点一Ｆ点；对应压缩机出口 压力也一起下降，其工作点到达Ｄ点。此时，倒 流还在继续，容器中的压力仍可以继续下降。可 是，压缩机工作点到达了最低点．Ｄ，压力无法再继 续下降，最终，压缩机的出口压力有可能大于容器 的压力，则倒流不再发生。此时，压缩机又重新恢 复正常，开始向容器输送气体，其工作点由Ｄ点 跳至层点，Ｅ点的工作流量很大，容器中增加的流 量大于容器减少的流量，容器开始存流量。于是， 压缩机的背压和管网容器中的压力开始慢慢上 升，压缩机的工作点Ｅ和管网的工作点Ｆ分别向 点Ａ和Ａ 移动。当压缩机的工作点到达Ａ点后， 容器中增加的流量仍大于容器减少的流量，所以 容器内的压力仍继续升高，但此时压缩机的工作 点达到了最高点，压力无法再继续升高。结果，形 成容器中的压力超过压缩机的排气压力，倒流再 次形成。如此周期地来回循环，造成整个压缩机 连续发生喘振现象 。 一ｌ 流量Ｑ 图２ 大容量管网系统的离心式压缩机特性曲线 ２喘振的影响因素 ２．１压缩机性能 结构参数因素。离心式压缩机内部结构设计 对喘振起到很大的影响，因为它影响到压缩机性 能曲线的变化，从而可能引起喘振。压缩机内部 结构设计涉及到叶轮和扩压器的气动布局、叶轮 的叶片数、扩压器的结构及导叶的开度等。 进气状态的影响。叶轮的工作原理是离心原 理，根据物理离心力公式： ２ Ｆ： ＝ｍⅢ。 ｒ 式中 ，——离心力； ｍ——气体质量； ｒ——圆周半径； ——运行速度； ——转速。 在叶轮高速旋转的过程中，密度大的气体有 更大的向外运动的离心力，但由于叶轮流道结构 设计的限制，气体在腔体内挤压，又会增大气压。 ５０６ 化工自动化及仪表 第４４卷 因此得出结论：任意增大气体密度或增加单位体 积内气体质量的因素都会使ｐ－Ｑ曲线上移；同理， 气体密度减小或单位体积内的气体质量减少都会 使Ｐ—Ｑ曲线下移 。在现实生产环境中，温度、压 力及成分等是能够影响气体状态的因素。 转速的影响。根据离心力公式可知，离心力 与速度的平方成正比的关系，与转速的平方也是 成正比的关系，所以当增大转速Ｗ时，离心力将 会增加，气体在容积内的压力也会增加，使压缩机 性能曲线向上移动；同理，当减小转速Ｗ时，离心 力减小，气体在容积内的压力会有所减小，使压缩 机性能曲线向下移动。 ２．２管路性能 某压缩机原在正常工作点，之后因某种原因， 系统发生波动，导致管网中压力增大很多，促使管 网性能曲线上移（假如压缩机的性能曲线未发变 化），结果会导致压缩机出现喘振 。 ２．３气体分子质量 相关实验证明，离心式压缩机在相同转速、恒 压运行的情况下，气体分子质量越小，就越容易发 生喘振；相反，气体分子质量越大，就越难发生喘 振。 ２．４综合因素 当某种原因导致两种性能曲线同时出现波动 时，无论过程怎么样，只要工况点落在喘振区内， 喘振就会发生 。如在离心式压缩机升速、升压 过程和降速、降压过程中，改变转速就是改变压缩 机性能曲线，改变系统压力就是改变管网性能曲 线，两种性能曲线都在变化。因此在现实操作中， 可联合调节两种性能曲线的变化，使压缩机在稳 定工况区内正常工作。 ３防喘振措施 ３．１ 结构设计上防喘振 在压缩机结构设计上，可以采用如下方法： ａ．采用电磁阀控制导叶的开度 ，进而控 制流量始终处于喘振流量的最小值之上，阻止工 况进入喘振区； ｂ．改变压缩机的设计导致的与旋转失速有 关的叶轮叶面曲度； Ｃ．改变叶轮叶片数量，使进入叶轮的气流重复； ｄ．增加压缩机级间密封度，减少级间窜压的 可能性； ｅ．运用可变扩压器，在工况发生变化时通过 减小扩压器排气流道截面积来间接改变气体速率 大小进而防止喘振； ｆ．可变扩压器不仅能显著改善机组喘振点， 而且降低机组在满负荷和部分负荷的振动。 ３．２调节工况防喘振 工况的调节是在不引起机组喘振的情况下， 满足用户基本要求，并保证机组运行效率良好的 一种操作方法… 。调节方法有以下几种： ａ．离心式压缩机出口节流调节。通过调节 压缩机出口节流阀门开度来改善管网系统特性， 以满足工艺流程对流量或压力的要求，从而防止 喘振的发生。 ｂ．离心式压缩机进口节流调节。通过调节 进口节流阀门的开度来改善压缩机性能特性，以 满足管网对流量或压力的要求，从而防止喘振的 发生。 ｃ．离心式压缩机的变扩压器叶片角度调节。 通过调节扩压器叶片的进口安装角，从而改变叶 片扩压器的进口冲角，使压缩机性能曲线左右偏 移，改变压缩机的性能，满足管网的各项要求，从 而避免喘振的发生。 ｄ．离心式压缩机的变转速调节。调节转速 进而改变压缩机的性能曲线，使工况点处于正常 工作区，防止喘振的发生。 ｅ．热气旁通调节，即等流量控制法。在机组 进入喘振工况之前时，通过及时打开热气旁通阀 来调节工况，使机组避免进入喘振区，进而保护机 组。通过热气旁通阀把冷凝器和蒸发器串通，使 冷凝器中的高压气体能够及时转移到蒸发器中， 冷凝器的压力得到降低，蒸发器的压力得到提高， 进而使压缩机的压头得到降低，压缩机的流量得 到增加，达到改善压缩机工况防止喘振的效果。 ４ 结束语 针对离心式压缩机喘振原因，进行了深入的 分析和研究，并给出了影响离心式压缩机喘振发 生的各种因素，最后根据对应的影响因素，进行相 应的工况调节来防止喘振的发生，使离心式压缩 机始终保持在稳定工况范围内，保证了压缩机的 长期安全运行。 参 考 文 献 ［１］ 唐善华，薛献忠．离心式压缩机喘振问题分析［Ｊ］． 油气储运，２００４，２３（１）：３６～３８． （下转第５１１页） 第５期 张 尊等．采用主站跟踪法实现触摸屏与￥７－４００冗余系统的连接 ５１ １ １ 。需要注意的是，由于是冗余设计，两个ＣＰＵ 的ＭＰＩ地址都为２，但是同一时间只有一个ＣＰＵ ＣＰＵ对应的连接即可。由于触摸屏与冗余ＣＰＵ 的自动切换是由￥７－４００Ｈ程序和继电器得失电来 实现的，因此触摸屏不需要特别组态。但是需要 在连接参数选项中，将“扩展插槽”和“机架”设置 为空，如图５所示。 的ＭＰＩ口接入网络，因此不存在地址冲突情况。 ３．３触摸屏通信组态 ０ ０ ０ ０ ０ 在触摸屏通信组态中，只需建立一个与冗余 ～ Ｉ ｅ旰ａ∞ ————习 ＨＭＩ翻 Ｂ阻甜ｒａｔｅ 《 ＿—— 扣ｔ ｓｔａｔｉｏｎ ａｄｄｒｅｓｓ（ Ｅ ） ｍｅｇ Ｅｘｐａｎ￣－ｉ ｓｂｔ Ａ曲∞ｓｃｅｓｓ ｐｏ¨『一ｇ茏 网ｌ ｓ 囱ｃ ｏ￣ｔａｈｏｎ 囱Ｏｒ ｍａ￣ｅｒ ｏｎｔｈｅ ｂｕｓ ｆ广 图５ 触摸屏连接参数设定 ４ 结束语 理方法［Ｊ］．化工自动化及仪表，２０１ １，３８（６）：７６８～ 采用主站跟踪法，通过始终选择连接主ＣＰＵ ７７０・ 的方法，使触摸屏与￥７－４００Ｈ的连接能在冗余系 统中自动切换。该方法实现简单，在主ＣＰＵ运行 出现 障时，随着 系统的切换， 速 ［２］孟磊，邹志云，赵丹丹，等・基于ＰＬＣ和触摸屏的电 加热水浴温度控制系统设计［Ｊ］・石油化工自动化， ０１５［３］ ２，５１（３）：３，， 将通信连接切换到另一ＣＰＵ上。但是主站跟踪 法也有局限性，由于它与￥７－４００Ｈ冗余站之间只有一路连接，当触摸屏与￥７－４００Ｈ之间的网络线 路出现故障时，不能实现有效的自动切换，因此该 马宁强张琦？ 于ＰＬｃ网络通信的喷射腐蚀 ．机控制系统的研究［Ｊ］化工自动化及仪表，２０ｌ３， ４０（８）１０２５～ｌ０２８． ：［４］ 张利平张武军，郑望．西门子ＲＳ４８５中继器在风机 控制系统中的应用［Ｊ］．工业仪表－ｑ自动化装置， ，方法常用于触摸屏仅作为显示面板或仅有少量可 调变量输入的应用中。 参 考 文 献 ［１］ 钱芝忠．￣ｒｌ－Ｉ－￥７－４００Ｈ ＰＬｃ的几种故障分析及处 ２０１４，（３）：８８～８９． ［５］ 张磊，范维浩．ＭＰＩ网络技术在水厂中的应用［Ｊ］． 计算技术与自动化，２００２，２１（４）：４０～４３． （收稿日期：２０ｌ６一ｌ１—２２，修回日期：２０１６—１２—１８） （上接第５０６页） 荐保志．离心式压缩机喘振分析及解决措施［Ｊ］．中 ［８］ 徐惠敏．基于模糊控制的离心式压缩机防喘振控制 系统的研究［Ｄ］．杭州：浙江工业大学，２００７． 小企业管理与科技，２００９，（４）：２５８． 张涵．化工机器［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００５． 西安交通大学透平压缩机教研室．离心式压缩机原 理［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８０：１８５～１８６． ［９］ 蒋跃．气压机喘振线探讨［Ｊ］．化工自动化及仪表， ２００２，２９（１）：３４～３７． ［１０］ 侯国安，周凯．离心式压缩机喘振原因分析及防喘 振措施［Ｊ］．石油和化工设备，２０１５，１８（９）：６２～ ６５． 朱报祯，郭涛．离心压缩机［Ｍ］．西安：西安交通大 学出版社，１９８９：１７５～ｌ７８． 俞金寿．工业过程先进控制（Ｍ］．北京：中国石化出 版社，２００２：１２９～ｌ４１． ［１１］ 王志清．透平压缩机的调节运行与振动［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，１９９６：４６～４９． 万鹤鸣．浅谈离心式压缩机喘振故障分析［Ｊ］．化学 工程与装备，２０１４，（１）：１０７～１０９． （收稿日期：２０１６－１ １—２０，修回日期：２０１７４３３—１０）