發(fā)表時(shí)間： 2024-05-06 08:58:43
作者： 石油化工設(shè)備維護(hù)與檢修網(wǎng)
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離心式壓縮機(jī)是一種廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中的流體動(dòng)力機(jī)械設(shè)備，主要用于提高氣體的壓力。它是速度式透平壓縮機(jī)的一種，其工作原理基于離心力對氣體的作用，通過高速旋轉(zhuǎn)的葉輪對氣體進(jìn)行能量傳遞和增壓。以下是對離心式壓縮機(jī)的簡要介紹：
工作原理：離心式壓縮機(jī)的核心部件是葉輪，通常設(shè)計(jì)成徑向或向后傾斜的葉片結(jié)構(gòu)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)或其他驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，吸入的氣體在葉輪入口處獲得動(dòng)能，隨著葉片通道的引導(dǎo)，氣體在離心力作用下沿著徑向方向加速，并在離心力和流道收縮的共同作用下，其速度能轉(zhuǎn)化為壓力能。經(jīng)過葉輪流道后，氣體壓力得到提升，隨后進(jìn)入擴(kuò)壓器（如蝸殼或擴(kuò)散管），在那里氣體速度逐漸降低，而壓力進(jìn)一步升高，最終以較高的壓力排出壓縮機(jī)。
結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：離心式壓縮機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成：
1. 葉輪：高速旋轉(zhuǎn)的部件，其設(shè)計(jì)直接影響壓縮機(jī)的性能和效率。
2. 吸氣室：引導(dǎo)氣體均勻進(jìn)入葉輪，減少進(jìn)口氣流紊亂，提高效率。
3. 擴(kuò)壓器：將葉輪出口的高速氣流逐漸減速、增壓，實(shí)現(xiàn)動(dòng)能到壓力能的轉(zhuǎn)化。
4. 軸承與軸封：支撐轉(zhuǎn)子系統(tǒng)并確保其穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)防止高壓氣體泄漏。
5. 驅(qū)動(dòng)裝置（如電動(dòng)機(jī)）：提供動(dòng)力使葉輪旋轉(zhuǎn)。
6. 殼體與中間冷卻器（如有）：構(gòu)成壓縮機(jī)的主體結(jié)構(gòu)，有時(shí)包含中間冷卻環(huán)節(jié)，用于多級(jí)壓縮時(shí)降低氣體溫度，提高壓縮效率并防止高溫引起的不利影響。
應(yīng)用范圍：離心式壓縮機(jī)因其高效、連續(xù)運(yùn)行及易于維護(hù)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油化工、天然氣輸送、制冷、空分、冶金、電力、制藥等工業(yè)領(lǐng)域，特別適合處理大量、連續(xù)、清潔且相對低粘度的氣體，如空氣、氮?dú)狻⒀鯕狻⒍趸肌⑻烊粴獾取?strong>博特MVR蒸發(fā)系系統(tǒng)采用的離心式水蒸汽壓縮機(jī)就是一種專用于水蒸汽壓縮的離心式壓縮機(jī)。
離心式壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象
喘振是離心式壓縮機(jī)在特定工況下出現(xiàn)的一種嚴(yán)重且危險(xiǎn)的不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，表現(xiàn)為：
· 劇烈振動(dòng)：壓縮機(jī)機(jī)體、管道系統(tǒng)及附屬設(shè)備出現(xiàn)大幅度、周期性的振動(dòng)，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。
· 噪聲增強(qiáng)：發(fā)出類似哮喘病人的喘息聲，異常噪聲顯著增大。
· 壓力與流量大幅波動(dòng)：出口壓力表和流量表指示出現(xiàn)大幅度、無規(guī)則的波動(dòng)，顯示氣體輸送極不穩(wěn)定。
· 能量消耗異常：電機(jī)電流或功率可能突然升高，然后急劇下降，形成周期性的波動(dòng)。
喘振的發(fā)生是由于流體動(dòng)力學(xué)的不穩(wěn)定導(dǎo)致的。當(dāng)離心式壓縮機(jī)的流量減小至某一臨界值時(shí)，氣體在葉輪上的流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生惡化，可能出現(xiàn)“旋轉(zhuǎn)脫離”現(xiàn)象。這會(huì)引發(fā)氣體在壓縮機(jī)內(nèi)部和出口管道中發(fā)生周期性的回流和再加速，造成壓力和流量的劇烈波動(dòng)。喘振不僅嚴(yán)重影響設(shè)備壽命、降低效率，還可能對整個(gè)工藝流程乃至生產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。
喘振的原因
i. 內(nèi)在因素：主要包括壓縮機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特性，如葉輪設(shè)計(jì)、擴(kuò)壓器幾何形狀、進(jìn)口導(dǎo)葉角度調(diào)節(jié)范圍等，這些決定了喘振邊界曲線的位置和喘振區(qū)的大小。
ii. 外在因素：包括但不限于：
A. 流量驟變：如上游供氣不足、下游負(fù)荷突然減小或閥門誤操作等導(dǎo)致通過壓縮機(jī)的氣體流量低于喘振邊界。
B. 管網(wǎng)阻力變化：進(jìn)、排氣管道的阻力增加（如閥門關(guān)閉、濾網(wǎng)堵塞等），使壓縮機(jī)工作點(diǎn)移向喘振區(qū)。
C. 轉(zhuǎn)速偏離設(shè)計(jì)值：由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障、變頻器設(shè)定不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е聣嚎s機(jī)轉(zhuǎn)速偏離最佳工況點(diǎn)。
從離心式壓縮機(jī)的特性曲線入手分析喘振產(chǎn)生的原因及現(xiàn)象：
上圖是離心式壓縮機(jī)的特性曲線，即壓縮機(jī)的出口與人口的絕對壓力之比 p2/p1與進(jìn)口體積流量Q之間的關(guān)系曲線。圖中n是離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，且有n1<n2<n3。由圖可見，對應(yīng)于不同轉(zhuǎn)速n的每一條p2/p1~Q曲線，都有一個(gè)最高點(diǎn)；此點(diǎn)之右，降低壓縮比p2/P1會(huì)使流量增大，即△Q/△(p1/p2)為負(fù)值。在這種情沉下，縮機(jī)有自衡能力，表現(xiàn)在因干擾作用使出口管網(wǎng)的壓力下降時(shí)，壓縮機(jī)能自發(fā)地增大排出量，提高壓力建立新的平衡；此點(diǎn)之左，降低壓縮比，反而使流量減少，即△Q/△(p1/p2)為正值，這樣的對象是不穩(wěn)定的，這時(shí)、如果因干擾作用使出口管網(wǎng)的壓力下降時(shí)，壓縮機(jī)不但不增加輸出流量，反而減少排出量，致使管網(wǎng)壓力進(jìn)一步下降，因此，離心式壓縮機(jī)特性曲線的最高點(diǎn)是壓縮機(jī)能否穩(wěn)定操作的分界點(diǎn)。在上圖連接最高點(diǎn)的虛線是一條表征壓縮機(jī)能否穩(wěn)定操作的極限曲線，在虛線的右側(cè)為正常運(yùn)行區(qū)，在虛線的左側(cè)，即圖中的陰影部分是不穩(wěn)定區(qū)。
對于離心式壓縮機(jī)、若由于壓縮機(jī)的負(fù)荷(即流)減少，使工作點(diǎn)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)，將會(huì)出現(xiàn)一種危害極大的“喘振”現(xiàn)象。
上圖是說明離心式壓縮機(jī)喘振現(xiàn)象的示意圖。圖中QB是在固定轉(zhuǎn)速n的條件下對應(yīng)于最大壓縮比 (p2/p1)B的體積流量，它是壓縮機(jī)能否正常操作的極限流量。設(shè)壓縮機(jī)的工作點(diǎn)原處于正常運(yùn)行區(qū)的點(diǎn)A，由于負(fù)荷減少，工作點(diǎn)將沿著曲線 ABC方向移動(dòng)，在點(diǎn)B處壓縮機(jī)達(dá)到最大壓縮比。若繼續(xù)減小負(fù)荷，則工作點(diǎn)將落到不穩(wěn)定區(qū)，此時(shí)出口壓力減小，但與壓縮機(jī)相連的管路系統(tǒng)在此瞬間的壓力不會(huì)突變，管網(wǎng)壓力反而高于壓縮機(jī)出口壓力，于是發(fā)生氣體倒流現(xiàn)象，工作點(diǎn)迅速下降到C。由于壓縮機(jī)在繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力達(dá)到管路系統(tǒng)壓力后，又開始向管路系統(tǒng)輸送氣體，于是壓縮機(jī)的工作點(diǎn)由點(diǎn)C突變到點(diǎn)D，但此時(shí)的流量 QD>QB，超過了工藝要求的負(fù)荷量，系統(tǒng)壓力被迫升高，工作點(diǎn)又將沿 DAB 曲線下降到C。壓縮機(jī)工作點(diǎn)這種反復(fù)迅速突變的過程，好像工作點(diǎn)在“飛動(dòng)”，所以產(chǎn)生這種現(xiàn)象時(shí)，又被稱作壓縮機(jī)的飛動(dòng)。人們之所以稱它為喘振，是由于出現(xiàn)這一現(xiàn)象時(shí)，由于氣體由壓縮機(jī)忽進(jìn)忽出，使轉(zhuǎn)子受到交變負(fù)荷，機(jī)身發(fā)生振動(dòng)并波及到相連的管線，表現(xiàn)在流量計(jì)和壓力表的指針大幅度擺動(dòng)。如果與機(jī)身相連接的管網(wǎng)容量較小并嚴(yán)密，則可聽到周期性的如同哮喘病人“喘氣”般的噪聲；而當(dāng)管網(wǎng)音量較大，喘振時(shí)會(huì)發(fā)生周期性間斷的吼響聲，并使止逆閥發(fā)出撞擊聲，它將使壓縮機(jī)及所連接的管網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，甚至使壓縮機(jī)遭到破壞。
喘振是離心式壓縮機(jī)所固有的特性，每一臺(tái)離心式壓縮機(jī)都有其一定的喘振區(qū)域。負(fù)荷減小是離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的主要原因；此外，被輸送氣體的吸入狀態(tài)，如溫度、壓力等的變化，也是使壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的因素。一般講，吸入氣體的溫度或壓力越低，壓縮機(jī)越容易進(jìn)入喘振區(qū)。
防喘振控制方案
由上可知，離心式壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振現(xiàn)象的主要原因是由于負(fù)荷降低，排氣量小于極限值QB而引起的，只要使壓縮機(jī)的吸氣量大于或等于在該工況下的極限排氣量即可防止喘振。工業(yè)生產(chǎn)上常用的控制方案有固定極限流量法和可變極限流量法兩種，現(xiàn)簡述如下。
固定極限流量法：對于工作在一定轉(zhuǎn)速下的離心式壓縮機(jī)，都有一個(gè)進(jìn)入喘振區(qū)的極限流量QB， 為了安全起見，規(guī)定一個(gè)壓縮機(jī)吸入流量的最小值Qp，且有 Qp<QB。固定極限流量法防喘振控制的目的就是在當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，始終保證壓縮機(jī)的入口流量Q1不低于Q這值。下圖是一種最簡單的固定極限法防喘振控制方案。
測量點(diǎn)在壓縮機(jī)的吸入管線上，流量控制器的給定值為 Qp，當(dāng)壓縮機(jī)的排氣量因負(fù)荷變小且小于Qp時(shí)，則開大旁路控制閥以加大回流量，保證吸入流量Q1≥Qp，從而避免喘振現(xiàn)象的產(chǎn)生。
速取給定值，勢必在低轉(zhuǎn)速時(shí)給定值偏高，能耗過大；如按低轉(zhuǎn)速取給定值，則在高轉(zhuǎn)速時(shí)本方案結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行安全可靠，投資費(fèi)用較少，但當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，如按高轉(zhuǎn)速仍有因給定值偏低而使壓縮機(jī)產(chǎn)生喘振的危險(xiǎn)。因此，當(dāng)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速不是恒值時(shí)，不宜采用這種控制方案。
