離心式壓縮機的喘振及預防

tags: 壓縮 壓縮機    時間:2014-03-11 13:29:20
離心式壓縮機的喘振及預防簡介
           離心式壓縮機發生喘振時,轉子及定子元件受交變應力,級間壓力失調引起的強烈振動,……
離心式壓縮機的喘振及預防正文
           離心式壓縮機發生喘振時,轉子及定子元件受交變應力,級間壓力失調引起的強烈振動,使密封及軸承損壞,甚至發生轉子與定子元件相碰、壓送的氣體外泄、引起爆炸等惡性事故。因此,離心式壓縮機嚴禁在喘振區域內運行。
        一、喘振機理
        喘振的產生包含兩方面因素:內在因素是離心式壓縮機中的氣流在一定條件下出現「旋轉脫離」;外界條件是壓縮機管網系統的特性。當外界條件適合內在因素時,便發生喘振。
        1. 喘振的內在因素


       

        當在設計工況M點工作時Q=Q(圖1、圖2),氣流的進氣角基本上等於葉輪的進口安裝角,氣流通暢地進入流道,基本上不出現氣流附面層脫離現象,損失也很小。當Q<Q時,由於氣體流量的減少,氣流的軸向速度隨之減小,沖角i隨之增加,氣流射向葉片的工作面,而在非工作面上出現氣流分離現象。當流量減少到某一程度時,由於葉柵距不相等以及進氣氣流、葉片幾何尺寸不均勻性等原因,氣流先在某一個或某幾個葉片上產生脫離,形成一個或幾個脫離團。脫離團沿圓周方向移動,其移動方向與轉子旋轉方向相同。這種脫離團的移動現象稱之為「旋轉脫離」。
        2.喘振與管網的關係
        離心壓縮機的喘振是其本身的固有特性。壓縮機是否在喘振工況點附近運行,主要取決於管網的壓力流量特性曲線P=Pa+AQ2。圖2為離心壓縮機和管網聯合工作性能曲線。交點M為穩定工況點,當出氣管路中的閘閥關小到一定程度時,管道中的阻力係數A增大,管網特性曲線左移到圖2中曲線4的位置時,與壓縮機性能曲線2交於N點,壓縮機出現喘振工況,N點即為喘振點。相反閘閥開大時,管道中的阻力係數A減小,管網特性曲線1右移,壓縮機流量達到Qmax時,出現滯止工況。最小流量與滯止流量之間的流量為離心壓縮機的穩定工況範圍。
        3.喘振的產生
        從圖2可以看出,由於管網阻力的增加,管網特性曲線左移,致使壓縮機工況點向小流量偏移。壓縮機的流量Qj減少,氣體進入葉輪和葉片擴壓器的正沖角i增加,附面層分離區擴大,產生相對於葉輪旋轉方向的「旋轉脫離」,使葉輪前後壓力產生強烈脈動。發生旋轉脫離時在葉輪的凹面形成渦流區,當流量減小到Qmin時,上述的正沖角i增加得更大,渦流區擴大到整個葉片流道,氣流受到阻塞,壓縮機出口壓力突然下降,而管網中氣體壓力並不同時下降,這時,管網中壓力P1大於壓縮機出口壓力P2,因而管網中氣體倒流向壓縮機,直至管網中壓力下降到低於壓縮機出口壓力時才停止倒流。這時壓縮機又開始向管網壓送氣體,使管網中的氣體壓力再次升高至P1時,壓縮機的流量 Qj 減少到 Qmin,出口壓力突然降到P2,P1 > P2后,管網中氣體又倒流向壓縮機。如此周而復始地進行,壓縮機時而有氣流輸出,時而氣體由管路倒灌入機器,產生周期性氣流脈動,出現喘振。喘振過程中參數變化的頻率和幅度的大小與管網容量有很大關係。管網的容量相當於整個系統的基本諧振器。管網的容量愈大,喘振的頻率愈低,振幅愈大;管網的容量愈小,喘振的頻率愈高,振幅愈小。由此可知,發生喘振的根本原因就是低流量,在操作中造成低流量的因素很多,歸納為以下幾個方面:
        (1)壓縮機出口壓力升高,系統壓力大於出口壓力,使氣體流量降到喘振流量。穩定系統的壓力高,造成壓縮機出口憋壓,氣體倒流入壓縮機,造成機內氣體低流量。
        (2)入口流量低於規定值,反飛動調節閥失靈。在一定轉數和一定氣體密度下,能維持一定壓力,當開、停機時氣體流量少,或者放空閥開得過大,最容易引起壓縮機入口流量低。
        (3)氣體密度變化,在一定轉數下,離心力下降,引起出口壓力及排量下降,通常誤認為是抽空現象。
        (4)分餾系統操作不穩致使壓縮機入口氣體帶油,液體組分進入機體。
        (5)汽輪機的蒸汽壓力低或質量差(溫度低),機組出現滿負荷,轉速下降。
        (6)調速系統失靈,輔助系統故障,真空效率下降,機組不能額定做功。
        二、典型的喘振事例
        例:前郭煉油廠一催化裝置的MB-CH型7級串聯水平中分離心式氣體壓縮機。
        1.由轉速變化引起的喘振
        正常情況下,壓縮機轉速的改變由系統反應的壓力信號控制,但機器發生故障時,壓力信號不能使汽輪機轉速自由調節。某年冬季,由於蒸汽量不足,蒸汽管網壓力低,汽輪機用蒸汽經常出現0.7~0. 8MPa,機組出現滿負荷狀況非常多,轉速上不去,有時只達到給定信號的80%~90%,常出現喘振。
        2.氣體分子量減小引起喘振
        催化裝置試驗採用摻煉渣油,20天後由於渣油中重金屬含量高,引起催化劑中毒,使裂化氣體組成發生變化,富氣中H2組分高達40%(體積百分比),富氣分子量降低到35(原設計分子量是50)。分子量降低后,壓縮機發生喘振。
        3.壓縮機出口管線節流引起喘振
        在壓縮機出口管路上入容器前打洗滌水,管內徑是150mm,結垢后內徑變成30mm,出口管路阻塞,管路性能曲線上移,工作點進入喘振區域,發生喘振。
        4.入口節流(進口壓力低)導致壓縮機喘振。
        一次,由於壓縮機前油氣分離罐破沫網脫落,被吸入壓縮機入口管,形成節流,進口壓力低,導致喘振。
        三、防止喘振的措施
        防止喘振的基本原理是使流量和壓力遠離喘振點,即保證流量在穩定工況範圍內Qmin <Q<Qmax。壓縮機入口的進氣量低於機器的喘振流量即Qmin,必將導致喘振的發生,故一般的管路中考慮防喘振的措施,常用方法有幾種:
        1.部分氣流通過防喘振閥放空
        這種防喘振措施如圖3a實線部分。當機器排氣量降低到接近喘振點時,經常感受著氣流量變化的文氏管流量感測器便傳出信號給伺服馬達,使之動作將防喘振放空閥打開,使部分氣流放空。因此不論外面需氣量是多少,壓縮機中流過的氣量,總是大於喘振流量而使壓縮機正常工作。該方法的缺點是,放空的氣體是經過壓縮的,浪費了部分壓縮功。
        2.部分氣流經防喘振閥后回吸氣管
        如圖3a虛線所示,其防喘振作用原理與上述放空法是一樣的,區別是將放空氣體接至吸氣管循環使用。主要用於有毒,或易燃、易爆的氣體管路,以及經濟價值較高不宜放空的情況。
        3.使機器與供氣系統脫開

        見圖3b,適用於供氣系統中有幾台機器並聯工作,或供氣系統的容量很大,因而在一段時間內壓縮機停止供氣時用戶仍能得到所需氣量。當壓縮機的排氣量小到接近喘振點時,流量感測器發出信號使伺服馬達1工作,將放空閥打開。這時壓縮機壓力下降到接近於放空壓力,而管路端壓Pe > Pc,因此止逆閥關閉,機器與供氣系統脫開。與此同時,由流量感測器送出的信號也使伺服馬達2工作,進氣節流閥關小到只允許有少量的氣流經過機器自放空閥排出,作用是使機器的溫度不致過分升高。這種措施,機器的功耗大為減小。過一段時間后,因用戶不斷用氣而使供氣管路中儲氣量減小及壓力下降,當端壓Pe下降到某個規定的值時,壓力感測器發出信號使伺服馬達1、2動作,將放空閥關閉,使進氣節流閥打開。這時機器壓力逐步升高,當Pc>Pemin 時,止逆閥自動打開,機器又重新接入供氣系統中工作。
        為了有效地防止喘振,必須控制放空閥,使其流量維持在不小於整定壓力所限制的流量,另外操作中還要有具體辦法:
        (1)增加反飛動量,開、停機時不放空,壓縮機入口的富氣量小,開工時要從穩定系統向分餾系統導氣補充入口氣量,保證其在規定值內。(2)加強穩定系統壓力的調節,不能超壓。(3)加強對分餾系統油氣分離器液位、界位的控制,加強脫水。(4)加強壓縮機出、入口的排凝,決不能讓氣體帶油。(5)保證汽輪機的蒸汽壓力平穩,不低於設計值。(6)反應壓力高時,可打開入口放空閥,壓縮機出口壓力高時,可打開出口放空閥。但出入口放空閥不能同時打開。         

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