离心式压缩机喘振现象与调节方法

离心式压缩机喘振现象与调节方法

一、什么是喘振

喘振是离心式压缩机的一种特有的异常工作现象，归根揭底是由旋转失速引起的，气体的连续性受到破坏，其显著特征是：流量大幅度下降，压缩机出口排气量显著下降；出口压力波动较大，压力表的指针来回摆动；机组发生强烈振动并伴有间断的低沉的吼声，好像人在干咳一般。判断是否发生喘振除了凭人的感觉以外，还可以根据仪表和运行参数配合性能曲线查出。

压缩机发生喘振的原因：由于某些原因导致压缩机入口流量减小，当减小到一定程度时，整个扩压器流道中会产生严重的旋转失速，压缩机出口压力突然下降，当与压缩机出口相连的管网的压力高于压缩机的出口压力时，管网的气流倒流回压缩机，直到管网的压力下降到比压缩机的出口压力低时，压缩机才重新开始向管网排气，此时压缩机恢复到正常状态。当管网压力恢复到正常压力时，如果压缩机入口流量依然小于产生喘振工况的最小流量，压缩机扩压器流道中又产生严重的旋转失速，压缩机出口压力再次下降，管网压力大于压缩机排气压力，管网中的气流再次倒流回压缩机，如此不断循环，压缩机系统中产生了一种周期性的气流喘振现象，这种现象被称之为“喘振”。

二、离心式压缩机特性曲线

对于一定的气体而言，在压缩机转速一定时，每一流量都对应一个压力，把不同流量下对应的每一个压力连成一条曲线，即为压缩机的性能曲线。

如图1所示，对每一种转速，都可以用一条曲线描述压缩机入口流量Q1与压缩比P2/P1的关系（P2、P1分别为压缩机出口绝对压力和入口绝对压力）。

图1为离心式压缩机特性曲线

压缩机特性线是压缩机变动工况性能的图像表示，它清晰地表明了各种工况下的性能、稳定工作范围等，是操作运行、分析变工况性能的重要依据。

（1）转速一定，流量减少，压力比增加，起先增加很快，当流量减少到一定值开始，压比增加的速度放慢，有的压缩机级的特性压比随流量减少甚至还要减少。

（2）流量进一步减少，压缩机的工作会出现不稳定，气流出现脉动，振动加剧，伴随着吼叫声，这个现象称为喘振现象，这个最小流量称为喘振流量。每个转速下都有一个喘振流量，不同转速下喘振流量工况点的连线称为喘振线。在喘振线左侧为非稳定工作区，而右侧为稳定工作区。一般来说，单级工业离心式压缩机的额定转速线下的喘振流量约为额定流量的50%，多级离心式压缩机额定转速下的喘振流量一般为额定流量的70～80%。喘振工况是小流量下的一种压缩机不稳定状况，不仅与压缩机级的设计导致的旋转失速有关，还与外管网有关。

（3）在增大流量时也会有限制，在转速不变的情况下，流量加大到某个最大值时，压比和效率垂直下降，出现所谓“阻塞现象”。阻塞工况也称作最大流量工况，造成这种工况

有两种可能。第一：级中流道中某喉部处气流达到临界状态，这时气体的容积流量已是最大值，在压缩机内流道中某个截面出现声速，任凭压缩机背压再降低，流量也不可能再增加，进一步加大流量成为不可能。第二，流量增加，损失增加太多，流道内并未达到临界状态，即尚未出现“阻塞”工况，但压缩机在偌大的流量下，机内流动损失很大，所能提供的排气压力很小，几乎接近零能头，叶轮对气体做的功仅够用来克服排气管的流动阻力以维持这样大的流量，而不能提高气体的压力，继续增加流量，压缩机将在“膨胀状态”下工作。

（4）转速越高，特性线越陡，这主要是由于转速高，气流马赫数就高。因而流量变化引起的损失增加就大，从而使得特性线变陡。

（5）多级压缩机特性线比单级特性线陡，同理，压缩机段的特性线叠加后得到整机特性线要比段的特性线陡，稳定工作范围小。

三、离心式压缩机的防喘振线

从图1中可见，在转速不变的条件下，随流量的变化，P2/P1有一个最高点，将不同转速下的最高点连接起来可以得到一条曲线，称为喘振线（图中虚线）。虚线左边的阴影部分不是稳定区，称为喘振区，虚线右边为稳定区，称为正常工作区或安全区。

在不同的转速下，最高点的轨迹近似于一条抛物线，经过实验测试及理论分析，如果将P2/P1与Q12/T1标绘，喘振点的轨迹可大体上近似一条直线，因此可写出防喘振控制响应曲线公式如下：P2/P1=a+b（Q12/T1）

式中：P2为压缩机出口压力，P1为压缩机入口压力，Q1为压缩机入口流量，T1为压缩机入口温度，a、b为系数。

如果P2/P1大于[a+b(Q12/T1)]，工况是安全的，如果P2/P1大于[a+b(Q12/T1)]，则工况是危险的。

四、管网特性曲线

所谓管网，一般是指与压缩机连接的进气管路，排气管路以及这些管路上的附件及设备的总称。但对离心式压缩机来说，管网只是指压缩机后面的管路及全部装置。这样规定后，在研究压缩机与其管网的关系时就可以避开压缩机的进气条件将随工况变化的问题，使问题得到简化。图2左侧是压缩机与排气系统中第一个设备相连的示意图，排气管上有调整阀门。

管网特性曲线公式：

P R= Pr+AQ2

式中，P R位压缩机出口压力，Pr为容器中气体压力；Q为管网的体积流量；A为管道阻力计算系数。将上式表示在右侧图上，即为一条二次曲线，它是管网端压与进气量的关系曲线，称为管网性能曲线。管网性能曲线实际上相当于管网的阻力曲线，此曲线的形状与容器的压力及通过管路的阻力有关。

A、当从压缩机到容器的管网很短、阀门全开，因而阻力损失很小时，管网特性曲线几乎是一水平线如线1。

B、当管路很长或阀门关小时，阻力损失增大，管网性能曲线的斜率增加，于是变成线

2所示。阀门开度愈小，曲线变得愈陡，如线3。

C、如果容器中压力下降，则管网性能曲线将向下平移；当Pr为常压时，管网性能曲线就是线4。（比如放空或者开防喘振线）

可见管网的性能曲线是随管网的压力和阻力的变化而变化的。

五、离心式压缩机和管网的联合运行

离心压缩机在使用时，总是和其他设备管道联系起来，和驱动机用传动机构连接起来,构成一个统一的系统。离心式压缩机工作点：把压缩机的性能曲线Pκ-Qj同管路特性曲线Pe-Qj画在同一坐标上，横轴以Qj表示，纵轴以压力P表示，则两曲线的交点A即为压缩机的工作点。下图是离心压缩机工作点示意图（图中用质量流量G代替容积流量），图中线1为压缩机性能曲线，线2为管网性能曲线。

当离心压缩机向管网中输送气体时，如果气体流量和排出压力都相当稳定（即波动甚小），这就是表明压缩机和管网的性能协调，处于稳定操作状态。这个稳定工作点具有两个条件：一是压缩机的排气量等于管网的进气量；二是压缩机提供的排压等于管网需要的端压。所以这个稳定工作点一定是压缩机性能曲线和管网性能曲线交点，因为这个交点符合上述两个相关条件。

离心压缩机究竟在哪个工况下稳定运行，显然不仅取决于离心压缩机本身的性能，而且还取决于管网的特性。改变压缩机运行工况是由于压缩机本身（驱动机根据压缩机的需要随时与之相适应）和管网性能共同决定，因此，压缩机的调节方法原则上讲既可以借助改变压缩机的特性线，又可以借助改变管网的特性线或者两者同时改变来实现。

六、离心式压缩机喘振原因分析

1、喘振的实质

喘振又叫“飞动”，是离心压缩机的实际工作流量到一定程度时，气流进入叶片的方向与叶片进口角度不一致，即冲角i>0，这时在叶片的非工作面产生气体分离（旋转分离）。

当冲角达到某一值时，旋转分离区域联成一片，占据流道。压缩机不再排气，管路中气体就会倒回来，弥补流量不足，经叶轮压缩重新流出。这一股气打出后，流量又没了，气体又倒回来。这样周而复始的改变流向，机器和管线中就会产生“低频高振幅”的压力脉动，并发出如“牛吼叫”般的噪音。这实际上是气流在交替倒流和排气时产生的强大的气流冲击。这种冲击引起机器强烈的振动，如不及时采取措施，将使压缩机遭到严重破坏。这就是“喘振”。

2、由工作曲线分析喘振原因

如图所示，在边界线右侧，由工作点（控制线与压缩机特性曲线交点）变到A点，压缩比P2/P1随流量Q的增加而下降，而在边界线的左侧，由D点变为C点，压缩比P2/P1随流量的增大而增大。假定压缩机在n2转速下工作点对应流量为Q E。如此时有某个干扰使流量减小，由工作点变为B点，压缩比P2/P1将增大，即出口压力P2增大，并且P2能够大于后续管道阻力，这就会使压缩机的流量逐渐增大，并回复到稳定时的流量值Q A。但如果流量继续下降到小于n2转速下的驼峰值Q C，即工作点变为D点，此时压缩比P2/P1不仅不会增大，反而会下降，也即出口压力下降，而与压缩机相连接的出口管路压力在这一瞬间将来不及变，于是就出现瞬间气体从出口管路向压缩机倒流的现象，当管网压力降低到与压缩机出口力相等时倒流停止，由于压缩机还在以原有的速度继续运转，所以压缩机又将压缩机出门倒流回来的气体重新压出，出此时开始向系统输出流量，于是工作点的流量由Q点突变到A点。A点对应的流量Q A﹥工作点，超过了要求的负荷量，管路系统压力被逼高。若能迅速将负荷控制在相应值Q E，系统可以稳定下来，否则将经过A点到工作点到B点到C点到D点。不断重复上述循环，就回发生压缩机喘振。

3、引起喘振的因素

当压缩机的性能曲线与管网性能曲线两者或两者之一发生变化时，交点就要变动，也就是说压缩机的工况将有变化，从而出现变工况操作。离心压缩机的变工况有时并不是在人们有意识的直接控制下（例如调节阀门等）发生的，而是间接地接受到生产系统乃至驱动机的意外干扰而发生。

A、压缩机特性曲线改变

以上5种情况都是因压缩机性能曲线下移而导致喘振的，管网性能并未改变。

（1）流量

从图中可以看出，随着流量的减少，压缩机的出口压力逐渐增大，当达到该转速下最大出口压力时，机组进入喘振区,压缩机出口压力开始减小，流量也随之减小，压缩机发生喘振。从曲线可看出，流量减小是发生喘振的根本原因，在实际生产中尽量避免压缩机在小流量的工况下运行。一般认为，压缩机在最小流量下应低于设计流量60%。

（2）入口压力

如图所示，压缩机的入口压力P1>P2>P3，在压缩机恒压的运行工况下，入口压力越低，工作点驼峰越近，压缩机越容易发生喘振，这也是入口过滤器压差增大时，要及时更换滤网

的原因。丙烯一车间空压机入口导叶限流降压就是此原理。

（3）入口温度

如图所示，恒压恒转速下进行的离心式压缩机在不同入口气体温度时的运行曲线，从曲线上可以看出在恒压运行工况下，气体入口温度越高，越容易发生喘振。因此，对同一台离心式压缩机来说，夏季比冬季更容易发生喘振

（4）转速

透平式驱动的压缩机，往往根据外界不同流量要求而运行在不同转速下，从图可以知道，在外界用气量一定的情况下，转速越高，越容易发生喘振。压缩机突然从高转速跌至低转速时，也会引起喘振。

（5）气体相对分子质量

如图所示，离心压缩机在相同转速、不同相对分子质量下恒压运行的曲线，从曲线中可以看出，在恒压运行条件下，当相对分子质量M=20的气体发生喘振时，相对分子质量为M=25和M=28的气体运行点还远离喘振区。因此，在恒压运行工况下，相对分子质量越小，越容易发生喘振。

B、管网特性曲线改变

某压缩机原在A’点工作，后来因为生产系统出现不稳定，管网中压力大幅度上升，管网性能曲线由2上移到线2’（此时压缩机的性能曲线未变），于是压缩机出现了喘振。

还有一种类似情况就是当把排气管阀门关得太小时，管网性能曲线变陡，一旦使压缩机的工作点落入喘振区，喘振就突然发生。

C、压缩机特性曲线和管网特性曲线同时改变

譬如说在离心压缩机开车过程（升速和升压）和停车过程（降速和降压）中，两种性能曲线都在逐渐变化，改变转速就是改变压缩机性能曲线，使系统中升压或降压就是改变管网性能曲线，只要最终结果是两曲线的交点落在喘振区内，就会突然出现喘振。在操作中必须随时注意使两者协调变化，才能保证压缩机总在稳定工况区内工作。

七、防止喘振的措施

出现喘振的原因是压缩机的流量过小，小于压缩机的最小流量，或者管网的压力高于压缩机所提供的排压，造成气体倒流，产生大幅度的气流脉动。

对流量过小引发的喘振来说，最直接最有效的方法就是打开防喘振控制阀，增加压缩机流量。

压缩机出口压力与管网不匹配引发的喘振，多见于压缩机的开停车操作中。在开车时，应该是先升速后升压；在停车时，应该是先降压后降速。

常用措施：

a、将一部分气体经压缩机出口阀放空。此法浪费大，且只能用于空压机、氮压机、CO2压缩机等无毒性气体。

b、将部分气体由旁路送往压缩机吸入段。广泛采用，多采用带温度调节的防喘振线，并配备防喘振控制系统。

c、转动进口导叶，转动扩压器叶片或者调速等调节方法。

d、设计时尽可能使压缩机有较宽的稳定工作区域，设计先进的防喘振控制系统。

八、离心式压缩机调节方法

网系统联合工作时，一般要求平衡工作点就是压缩机的设计工况点。但是在实际运转中，由于用户的要求可能有变动，例如要求气体的流量或者压力有所增减，这时就需要改变压缩机的性能曲线，移动工作点。这种改变压缩机或管网性能曲线的位置，以适应新的工作要求的方法就叫做调节。

离心压缩机在运行时要适应管网的要求，一般来说管网的要求可以分为三大类：

其一，流量改变但要求气体压力维持不变，满足这类要求的调节常称为定压调节；

其二，压力改变时，流量维持不变，这类调节常称为定量调节；

其三，压力和流量按一定规律变化。

根据用户的要求不同，按调节的任务可分为：

（1）等压力调节：改变压缩机的流量而压力保持不变；

（2）等流量调节：改变压缩机的压力而流量保持不变；

（3）比例调节：保证压力比例不变，或保证所压送的两种气体的体积流量百分比不变。

离心式压缩机调节的方法一般有下列几种：

（1）压缩机出口节流；

（2）压缩机进口节流；

（3）采用可转动的进口导叶；

（4）采用可转动的扩压器叶片；

（5）改变压缩机转速。

目前大型离心式压缩机都采用汽轮机或者变频电机拖动，这样，就可以很方便地满足转速改变的要求。

（1）改变压缩机转速的调节方法，经济性最好，调节范围宽。它最适合由蒸汽汽轮机、燃气轮机、变频电机作原动机的情况。变转速调节并不引起其他附加损失，只是调节后的新工况点不一定是最高效率点导致效率有些降低而已。所以从节能角度考虑，这是一种经济的调节方法。而运用转速调节的方法大都运用在工作点离喘振线还有一定距离时采用。因此，当压缩机工作点在稳定工作区，根据压缩机出口压力，进行适当的转速调节，可以达到节能的目的。

（2）进口节流调节方法，既在压缩机进口管上安装调节阀，通过入口调节阀来调节进气压力。进气压力的降低直接影响到压缩机排气压力，使压缩机性能曲线下移，所以进口调节的结果实际上是改变了压缩机的性能曲线，达到调节流量的目的。和出口节流法相比，进口节流调节的经济性较好，据有关资料介绍，对某压缩机进行测试表明：在流量变化为60～80 %的范围内，进口节流比出口节流节省功率约为4～5%。所以这是一种比较简单而常用的调节方法。但也还是存在一定的节流损失以及工况改变后对压缩机本身效率有影响。进口节流法还有个优点就是：关小进口阀，会使压缩机性能曲线向小流量区移动，因而可使压缩机在更小的流量工况下工作，不易造成喘振。进口节流调节，方法简单，经济性较好，并且具有一定的调节范围，目前转速不变的压缩机、鼓风机经常采用此法调节。

（3）转动进口导叶调节法、调节范围较宽，经济性也不差，但结构比较复杂。

（4）转动扩压器叶片的调节方法，能使压缩机性能曲线平移，扩大稳定工况、减小喘振流量很有效，经济性也好，但比较复杂。适用于压力稳定，流量变化大的变工况。这种方法较少单独使用，而常与其它调节方法联合使用。

（5）出口节流调节，即在压缩机出口安装调节阀，通过调节调节阀的开度，来改变管路性能曲线，改变压缩机的工作点，进行流量调节。出口节流的调节方法是人为的增加出口阻力来调节流量，是不经济的方法，尤其当压缩机性能曲线较陡而且调节的流量（或者压力）又较大时，这种调节方法的缺点更为突出，目前除了风机及小型鼓风机使用外，压缩机很少采用这种调节方法

（6）可以同时采用几种方法调节，互相取长补短，最有效地扩大压缩机稳定工部范围，全面满足用户对变工况的需要。

八、参考文献

[1] 何谦，马志勇．离心式压缩机的防喘振控制[J]．泸天化科技，2005，(1)：18-24．

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