离心空压机喘振机理及防喘振控制方法的探讨

　　一、引言

　　离心式空压机广泛应用于流量大、功率高、构造相对简单耐用、自动化程度高的工业生产中。但同时离心式空压机组在运行中容易产生喘振故障,喘振的发生往往由于空压机气体流量的减小等原因从而首先发生空压机叶片旋转失速。当空压机运行环境进一步恶化,空压机工作状态就由旋转失速进而发展为喘振,同时机组的空气压力及气体的排出量出现强烈的振荡,而空压机电流亦忽高忽低变化剧烈,并伴随着间歇的很沉闷的气流噪声并发生“哮喘”或吼叫声。轻微的喘振不会损坏空压机,但应当避免空压机在喘振条件下运行,因为过于频繁的喘振会损坏扩压器和叶轮,而严重的喘振会使机组剧烈振动,流量大幅波动,很可能引起烧瓦甚至损坏压缩透平空压机。喘振是由于气体的可压缩性而造成的空压机的固有特性,也是离心式空压机的一种特有现象因此,防喘振成为离心空压机控制系统的一项 重要的任务。在工艺操作过程中,作为离心空压机的保护装置来说,喘振控制是很重要的,因为一旦喘振发生,空压机将处于不安全的工作状态。因此,如果操作中可能使流量下降到离心空压机喘振流量以下,那么就应该设置喘振控制系统。

　　二、离心式空压机发生喘振过程

　　离心式空压机主要由叶轮、扩压器、进气口、出气口、气体冷凝装置等构成。气体先从进气口进入空压机,而后通过叶轮,由叶片的转动使气体获得一定的动能,随后气体沿着空压机扩压器叶珊切线的方向通过气体扩压器,气体分子速度不断减小,气体的动能大部分转变为气体的静压能,而气体的一小部分部分动能转化为热能,当热的高压气体通过冷凝器时,其气体温度降低,从而实现气体一级的正常压缩过程。往往经过一级压缩之后的气体,其压力提高值的约70%是由叶轮完成的,约30%是由扩压器完成的。

　　1.旋转失速。由于某些因素的变换,致使离心空压机内空气流量减少时,会使叶栅的进气冲角变大。一旦冲角增大到一定程度,使离心空压机的部分叶片先产生气体的绕流分离。气流分离后,流动损失增大,从而形成明显气流堵塞或流量减少的区域。这个受阻滞的气流区使周围流动发生偏转,进而使一边相邻叶片进口气流冲角增大,直至造成分离;而另一边相邻叶片进口气流冲角减少,从而形成分离区沿叶栅周向传播。

　　2.喘振。喘振现象即为在空压机流道中,由于工况改变,流量明显减少,出现更为严重的气流脱离,流动情况会大大恶化。这时工作叶轮虽仍在旋转,而对气体做功大都变为能量损失,气流的径向分速度同时也进一步减小,使气流进入扩压器的速度与方向发生变化,气流从叶片背部返回扩压器,而在叶片的凹面形成涡流区。随着涡流区会扩及到整个叶片流道,气体流动受到阻塞,空压机的排气压力很快下降,而此时空压机出口管网的压力高于空压机的排气压力,使气体出现倒流。这样暂时解决了扩压器叶片流道和叶轮中的流量不足问题,使之恢复正常压力,而后把倒流进来的气体压出去,但这又使级中流量减小,继而压力又下降,上面的现象反复发生,这就形成了离心空压机喘振,同时伴随着流量时大时小、压力时高时低。

　　三、影响离心空压机喘振发生的因素

　　离心空压机喘振的发生主要是由于离心空压机内气体流量的明显减少。除此之外,如分子量、温度等也是造成空压机喘振的原因。

　　1.流量:随着气体流量的减小,空压机出口压力逐渐增大,当达到该转速下 大出口压力时,机组开始进入喘振区,继而发生喘振。一般认为,离心空压机工作过程中的实际的 小流量应是设计流量的60%以上。

　　2.气体分子量:在恒压运行工况下,相对分子质量越小,越容易发生喘振。而在恒流量工况下相对分子质量越大,越容易发生喘振。

　　3.入口温度:在恒压运行工况下,气体入口温度越高,越容易发生喘振。因此,对同一台离心式空压机来说,夏季比冬季更容易发生喘振。而在恒流量情况下,气温越低越容易发生喘振。

　　4.叶轮的转速:在外界用气量一定的情况下,转速越高,越容易发生喘振。在外界压力一定的情况下,转速越低越容易发生喘振。

　　5.入口与出口气压差:一般来说,入口与出口气压差越大越容易发生喘振。也就是说入口压力越低,空压机越容易发生喘振,而出口压力越高越容易发生喘振。

　　四、空压机的防喘振控制过程

　　一般认为,离心式空压机的防喘振控制就是当空压机将要发生喘振时,通过调节空压机入口流量或调节空压机出口压力等使空压机的工作点远离喘振区从而使机组在安全条件下工作。而空压机喘振的控制大致都能归入两种:一是等流量控制;二是等压控制。

　　1.等压控制。由于某种因素使空压机出口供气的流量减少,同时出口气体压力升高,气体出口压力升高到一定的程度接近喘振区时。可将空压机叶片的降低转速降低,同时减小入口导叶开度,致使空压机入口流量随之降低,空压机出口压力将逐渐恢复至原来压力值。而由气体流量的降低实现了等压控制这种控制方式为节能控制,没有增加空压机的轴功率,没有浪费更多的能量。但是在系统接近喘振线的情况下按照该控制方案操作具有一定的冒险性,因为出口压力提高到系统接近喘振线时,瞬间的降低转速可以视为恒压条件下,而此时转速降低就更加容易发生喘振,所以要在系统性能曲线离喘振线还有一段距离,而出口流量在不断减少的情况下操作才能保证安全。

　　2.等流量控制。当离心空压机出口流量减小时,空压机出口压力提高,空压机系统的工作点接近于喘振线。为防止喘振的发生,维持入口流量不变,系统将空压机出口处设置的放空阀打开,此时部分气体直接排入大气,从而系统压力降低,系统的工作点回到安全线以内。或者系统打开从空压机出口处返回空压机入口处的防喘振循环阀,使空压机内的部分气体从空压机出口处返回入口处,从而实现气体的打循环,由此使出口入口之间的气体压力差值恢复正常,从而使离心空压机远离喘振线,回复到安全线以内。然而这种控制方法无形中增加了不必要的能量损失,因为将已经压缩的气体排入大气或返回入口管,相当于空压机做的功都转化为热能损失掉。因此此类办法适用于发生喘振时或者即将就要发生喘振时为了防止损毁设备采用的应急方案。

　　五、结语

　　另外运用空压机防喘振的自动控制装置及对于空压机设备的维护也极为重要。例如防喘振控制调节阀的响应灵敏度的提高,以及增加空压机流量测定装置稳定可靠性,运用智能防喘振装置,空压机入口过滤网罩上尘埃的及时清理以及空压机冷凝器内部设备清理等等也是十分重要的。