發(fā)表時間： 2024-05-06 08:58:43
作者： 石油化工設(shè)備維護與檢修網(wǎng)
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離心式壓縮機是一種廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中的流體動力機械設(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)的葉輪對氣體進行能量傳遞和增壓。以下是對離心式壓縮機的簡要介紹：
工作原理：離心式壓縮機的核心部件是葉輪，通常設(shè)計成徑向或向后傾斜的葉片結(jié)構(gòu)。當(dāng)電動機或其他驅(qū)動裝置帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)時，吸入的氣體在葉輪入口處獲得動能，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，隨后進入擴壓器（如蝸殼或擴散管），在那里氣體速度逐漸降低，而壓力進一步升高，最終以較高的壓力排出壓縮機。
結(jié)構(gòu)特點：離心式壓縮機主要由以下幾個部分組成：
1. 葉輪：高速旋轉(zhuǎn)的部件，其設(shè)計直接影響壓縮機的性能和效率。
2. 吸氣室：引導(dǎo)氣體均勻進入葉輪，減少進口氣流紊亂，提高效率。
3. 擴壓器：將葉輪出口的高速氣流逐漸減速、增壓，實現(xiàn)動能到壓力能的轉(zhuǎn)化。
4. 軸承與軸封：支撐轉(zhuǎn)子系統(tǒng)并確保其穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，同時防止高壓氣體泄漏。
5. 驅(qū)動裝置（如電動機）：提供動力使葉輪旋轉(zhuǎn)。
6. 殼體與中間冷卻器（如有）：構(gòu)成壓縮機的主體結(jié)構(gòu)，有時包含中間冷卻環(huán)節(jié)，用于多級壓縮時降低氣體溫度，提高壓縮效率并防止高溫引起的不利影響。
應(yīng)用范圍：離心式壓縮機因其高效、連續(xù)運行及易于維護等特點，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、氮氣、氧氣、二氧化碳、天然氣等。博特MVR蒸發(fā)系系統(tǒng)采用的離心式水蒸汽壓縮機就是一種專用于水蒸汽壓縮的離心式壓縮機。
離心式壓縮機喘振現(xiàn)象
喘振是離心式壓縮機在特定工況下出現(xiàn)的一種嚴重且危險的不穩(wěn)定運行狀態(tài)，表現(xiàn)為：
· 劇烈振動：壓縮機機體、管道系統(tǒng)及附屬設(shè)備出現(xiàn)大幅度、周期性的振動，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞。
· 噪聲增強：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：出口壓力表和流量表指示出現(xiàn)大幅度、無規(guī)則的波動，顯示氣體輸送極不穩(wěn)定。
· 能量消耗異常：電機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。
喘振的發(fā)生是由于流體動力學(xué)的不穩(wěn)定導(dǎo)致的。當(dāng)離心式壓縮機的流量減小至某一臨界值時，氣體在葉輪上的流動狀態(tài)發(fā)生惡化，可能出現(xiàn)“旋轉(zhuǎn)脫離”現(xiàn)象。這會引發(fā)氣體在壓縮機內(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。喘振不僅嚴重影響設(shè)備壽命、降低效率，還可能對整個工藝流程乃至生產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。
喘振的原因
i. 內(nèi)在因素：主要包括壓縮機本身的結(jié)構(gòu)特性，如葉輪設(shè)計、擴壓器幾何形狀、進口導(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、下游負荷突然減小或閥門誤操作等導(dǎo)致通過壓縮機的氣體流量低于喘振邊界。
B. 管網(wǎng)阻力變化：進、排氣管道的阻力增加（如閥門關(guān)閉、濾網(wǎng)堵塞等），使壓縮機工作點移向喘振區(qū)。
C. 轉(zhuǎn)速偏離設(shè)計值：由于驅(qū)動電機故障、變頻器設(shè)定不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е聣嚎s機轉(zhuǎn)速偏離最佳工況點。
從離心式壓縮機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的特性曲線，即壓縮機的出口與人口的絕對壓力之比 p2/p1與進口體積流量Q之間的關(guān)系曲線。圖中n是離心機的轉(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，都有一個最高點；此點之右，降低壓縮比p2/P1會使流量增大，即△Q/△(p1/p2)為負值。在這種情沉下，縮機有自衡能力，表現(xiàn)在因干擾作用使出口管網(wǎng)的壓力下降時，壓縮機能自發(fā)地增大排出量，提高壓力建立新的平衡；此點之左，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、如果因干擾作用使出口管網(wǎng)的壓力下降時，壓縮機不但不增加輸出流量，反而減少排出量，致使管網(wǎng)壓力進一步下降，因此，離心式壓縮機特性曲線的最高點是壓縮機能否穩(wěn)定操作的分界點。在上圖連接最高點的虛線是一條表征壓縮機能否穩(wěn)定操作的極限曲線，在虛線的右側(cè)為正常運行區(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、若由于壓縮機的負荷(即流)減少，使工作點進入不穩(wěn)定區(qū)，將會出現(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，它是壓縮機能否正常操作的極限流量。設(shè)壓縮機的工作點原處于正常運行區(qū)的點A，由于負荷減少，工作點將沿著曲線 ABC方向移動，在點B處壓縮機達到最大壓縮比。若繼續(xù)減小負荷，則工作點將落到不穩(wěn)定區(qū)，此時出口壓力減小，但與壓縮機相連的管路系統(tǒng)在此瞬間的壓力不會突變，管網(wǎng)壓力反而高于壓縮機出口壓力，于是發(fā)生氣體倒流現(xiàn)象，工作點迅速下降到C。由于壓縮機在繼續(xù)運轉(zhuǎn)，當(dāng)壓縮機出口壓力達到管路系統(tǒng)壓力后，又開始向管路系統(tǒng)輸送氣體，于是壓縮機的工作點由點C突變到點D，但此時的流量 QD>QB，超過了工藝要求的負荷量，系統(tǒng)壓力被迫升高，工作點又將沿 DAB 曲線下降到C。壓縮機工作點這種反復(fù)迅速突變的過程，好像工作點在“飛動”，所以產(chǎn)生這種現(xiàn)象時，又被稱作壓縮機的飛動。人們之所以稱它為喘振，是由于出現(xiàn)這一現(xiàn)象時，由于氣體由壓縮機忽進忽出，使轉(zhuǎn)子受到交變負荷，機身發(fā)生振動并波及到相連的管線，表現(xiàn)在流量計和壓力表的指針大幅度擺動。如果與機身相連接的管網(wǎng)容量較小并嚴密，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，喘振時會發(fā)生周期性間斷的吼響聲，并使止逆閥發(fā)出撞擊聲，它將使壓縮機及所連接的管網(wǎng)系統(tǒng)和設(shè)備發(fā)生強烈振動，甚至使壓縮機遭到破壞。
喘振是離心式壓縮機所固有的特性，每一臺離心式壓縮機都有其一定的喘振區(qū)域。負荷減小是離心式壓縮機產(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，壓縮機越容易進入喘振區(qū)。
防喘振控制方案
由上可知，離心式壓縮機產(chǎn)生喘振現(xiàn)象的主要原因是由于負荷降低，排氣量小于極限值QB而引起的，只要使壓縮機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，都有一個進入喘振區(qū)的極限流量QB， 為了安全起見，規(guī)定一個壓縮機吸入流量的最小值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)負荷變化時，始終保證壓縮機的入口流量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。
測量點在壓縮機的吸入管線上，流量控制器的給定值為 Qp，當(dāng)壓縮機的排氣量因負荷變小且小于Qp時，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)速時本方案結(jié)構(gòu)簡單，運行安全可靠，投資費用較少，但當(dāng)壓縮機的轉(zhuǎn)速變化時，如按高轉(zhuǎn)速仍有因給定值偏低而使壓縮機產(chǎn)生喘振的危險。因此，當(dāng)壓縮機的轉(zhuǎn)速不是恒值時，不宜采用這種控制方案。
