对离心式压缩机防喘振的控制研究

摘 要：针对离心压缩机发生的喘振现象，从喘振的原理和危害进行研究，介绍了固定极限流量法、变极限流量法和变频调速法这三种防喘振的控制方法，并对其进行了分析，最终得出了使用变频器、调节阀和旁路回流三种方法配合使用的最佳控制系统。

关键词：离心式压缩机；防喘振；控制方案

引言

离心式压缩机在石油化工及机械加工领域应用十分广泛，以其流量大、转速高、结构紧凑、运转可靠等优点，在工业生产中一直倍受青睐。但是在离心式压缩机的运行过程中也存在一些缺陷，如易发生喘振现象等。喘振现象会危及压缩机的使用安全，因此在实际生产中，我们要避免喘振工况的发生。

1 离心式压缩机产生喘振的原因分析

下图1为离心式压缩机的工作特性曲线，n1，n2，n3分别代表不同的转速，Q1为压缩机入口流量，P是压力。每一种转速都有一条工况线来描述入口流量与压缩比的关系，压缩比用P2/P1表示，其中P1是入口的绝对压力，P2是出口的绝对压力。

由图1可知：在定转速情况下，随着流量Q1的变化，压缩比P2/P1有极大值。将每一种转速下P2/P1的极大值连接起来得到一条光滑的曲线，这条曲线就成为喘振曲线（即图1中虚线）。虚线的左上半部阴影区域为喘振区，右下半部为正常工作区。工况处于正常工作区的压缩机能够稳定工作[1]。

当压缩机的工作点位于P2/P1极大值的右侧时，减少流量能够提高P2/P1的值，反之，则会降低压缩比。设正常工作的转速为图1中的n2，此时流量为QA，若存在轻微扰动使流量QA减少，则P2/P1值变大，即P2变大，压缩机会增大排出量使之回到稳定流状态。若气体的流量QA继续减小，直至工作点位于喘振区内，此时P2/P1值下降，即P2变小，出口压力P2的减小会使排出量减小，排出量又会导致P2继续减小，如此恶性循环，最终导致管网压力大于压缩机所提供的压力，发生倒流现象。倒流后压缩机又回到正常工作状态，如此反复，就产生了喘振现象。

2 喘振现象造成的危害

当喘振现象发生时，会对压缩机造成许多危害。第一，压缩机的工作状况极不稳定。在喘振工况下，流量、排气压力等参数都出现剧烈的波动，振幅较大而且频率低，若喘振严重，甚至导致气体倒流现象。第二，喘振会使压缩机的密封件受损。喘振发生时伴有强烈的振动和噪音[2]，若不及时采取相应的措施，强烈的振动会导致密封件受损，密封失效。第三，喘振发生后将会使得各零部件的位置发生偏移，间隙值加大或减小，严重的将会使轴变形、发生扭曲等现象，破坏压缩机的安装质量，造成仪表失灵。

3 防喘振控制

3.1 固定极限流量法防喘振

由图1可知，只要使得流量大于喘振区的临界流量就不会产生喘振现象，因此固定极限流量法的原理是在相应转速下使极限流量大于临界流量QP，避免进入喘振区。一般采用闭路循环法控制流量。图2是闭路循环的结构图。FT是利用差压的原理监测入口流量；FC是调节器，接受FT的信号并输出控制信号到旁路调节阀。当FT检测到入口流量降低，则FC的输出信号减弱，调节阀开度增大，促使流量增加。通过这种调节使得入口流量始终大于喘振临界流量，从而防止喘振。为节约能源，入口流量大于临界流量的5-7%。

固定极限流量法一般用在转速固定的条件下，他的优点是控制方案简单、投资少、系统运行可靠安全。闭路循环调节法虽然简单易行，但是它会使得压缩机处于非工况状态下，特别是当转速减小或者增大时。同时由于模拟信号的延迟效应，对非线性的喘振现象不好控制。为了克服这些缺点，现在一般采用对流量、压力和温度三参数控制，使压缩机达到最佳的流量。

3.2 可变极限流量法防喘振

可变极限流量法常用在压缩机流量经常变动的情况下，通过改变压缩机转速的方法使压缩机工况处于喘振区以外。由于压缩机的喘振流量随着转速的变化而变化，所以可以通过改变转速使入口流量高于喘振极限流量[3]。

气体的压缩功见公式（1）：

hpol-多变压缩功；m-多变指数；T1-进气温度；p1、p2-进、排气压力；R-气体常数。

由公式（1）可知，进、排气压力、气体分子量、进气温度都会对压缩功造成影响，使压缩机性能变化。

变极限流量法使压缩机在不同的工况下自动改变FC的设定值，使安全裕量保持定值。如图1，当流量由QP变化到QA时，可以调节转速从n3到n2，使安全裕量保持定值，这样既可防止发生喘振，又可节约能源。

3.3 变频器调速法防喘振

使用变频器也能对压缩机进行调速，其优点是：在压缩机启动时不会对电网造成冲击，同时大大降低了压缩机因变速造成的能耗损失。当压缩机启动时所需负荷最大，PLC接收到相关信号后，输出控制信号使变频器频率增大，实现压缩机的快速启动。运行至正常工况后，压缩机所需负荷降低，PLC输出控制信号使变频器频率降低，从而降低压缩机转速。变频器相对于变速齿轮能够节电20-30%左右。但是当变频器频率过低、压缩机转速过小时能耗反而上升。将变频器与调节阀和变极限流量法配合使用可以获得更好的调节效果。

4 结束语

大型气体离心压缩机在化工企业中居于核心设备的地位，一旦出现故障或者损坏会对企业造成巨大的经济损失。由于喘振的严重危害，防止喘振或抑制喘振是一项长期的研究课题。通过固定极限流量法、变极限流量法和变频调速法防止喘振已经得到了十分广泛的应用。影响喘振的因素很多，还要对喘振的机理进行更加深刻的研究，及早发现喘振的先兆并加以控制才能避免喘振的发生，保证压缩机的长期安全可靠运行。

参考文献

[1]李文华，钟瑞兴.离心压缩机性能预测方案探讨[J].压缩机技术，2007（5）.

[2]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（10）.

[3]何龙，张瑞妍.离心式压缩机防喘振研究[J].压缩机技术，2009（5）.

作者简介：韩强（1982.12-）男，汉族，山东滕州人，助理工程师，学士，研究方向：化工行业动设备。