浅谈离心压缩机工作原理特点及问题处理方法

文摘 2024-11-15 17:42 河北

离心式压缩机是一种广泛应用在工业领域中的流体动力机械设备，主要用于提高气体的压力。它是速度式透平压缩机的一种，其工作原理基于离心力对气体的作用，通过高速旋转的叶轮对气体进行能量传递和增压。以下是对离心式压缩机的简要介绍：

工作原理：离心式压缩机的核心部件是叶轮，通常设计成径向或向后倾斜的叶片结构。当电动机或其他驱动装置带动叶轮高速旋转时，吸入的气体在叶轮入口处获得动能，随着叶片通道的引导，气体在离心力作用下沿着径向方向加速，并在离心力和流道收缩的共同作用下，其速度能转化为压力能。经过叶轮流道后，气体压力得到提升，随后进入扩压器（如蜗壳或扩散管），在那里气体速度逐渐降低，而压力进一步升高，最终以较高的压力排出压缩机。

结构特点：离心式压缩机主要由以下几个部分组成：

1. 叶轮：高速旋转的部件，其设计直接影响压缩机的性能和效率。

2. 吸气室：引导气体均匀进入叶轮，减少进口气流紊乱，提高效率。

3. 扩压器：将叶轮出口的高速气流逐渐减速、增压，实现动能到压力能的转化。

4. 轴承与轴封：支撑转子系统并确保其稳定运转，同时防止高压气体泄漏。

5. 驱动装置（如电动机）：提供动力使叶轮旋转。

6. 壳体与中间冷却器（如有）：构成压缩机的主体结构，有时包含中间冷却环节，用于多级压缩时降低气体温度，提高压缩效率并防止高温引起的不利影响。

应用范围：离心式压缩机因其高效、连续运行及易于维护等特点，广泛应用于石油化工、天然气输送、制冷、空分、冶金、电力、制药等工业领域，特别适合处理大量、连续、清洁且相对低粘度的气体，如空气、氮气、氧气、二氧化碳、天然气等。博特MVR蒸发系系统采用的离心式水蒸汽压缩机就是一种专用于水蒸汽压缩的离心式压缩机。

离心式压缩机喘振现象

喘振是离心式压缩机在特定工况下出现的一种严重且危险的不稳定运行状态，表现为：

剧烈振动：压缩机机体、管道系统及附属设备出现大幅度、周期性的振动，可能导致设备损坏。

噪声增强：发出类似哮喘病人的喘息声，异常噪声显著增大。

压力与流量大幅波动：出口压力表和流量表指示出现大幅度、无规则的波动，显示气体输送极不稳定。

能量消耗异常：电机电流或功率可能突然升高，然后急剧下降，形成周期性的波动。

喘振的发生是由于流体动力学的不稳定导致的。当离心式压缩机的流量减小至某一临界值时，气体在叶轮上的流动状态发生恶化，可能出现“旋转脱离”现象。这会引发气体在压缩机内部和出口管道中发生周期性的回流和再加速，造成压力和流量的剧烈波动。喘振不仅严重影响设备寿命、降低效率，还可能对整个工艺流程乃至生产安全构成威胁。

喘振的原因

内在因素：主要包括压缩机本身的结构特性，如叶轮设计、扩压器几何形状、进口导叶角度调节范围等，这些决定了喘振边界曲线的位置和喘振区的大小。

外在因素：包括但不限于：

流量骤变：如上游供气不足、下游负荷突然减小或阀门误操作等导致通过压缩机的气体流量低于喘振边界。

管网阻力变化：进、排气管道的阻力增加（如阀门关闭、滤网堵塞等），使压缩机工作点移向喘振区。

转速偏离设计值：由于驱动电机故障、变频器设定不当等原因导致压缩机转速偏离最佳工况点。

从离心式压缩机的特性曲线入手分析喘振产生的原因及现象：

上图是离心式压缩机的特性曲线，即压缩机的出口与人口的绝对压力之比 p2/p1与进口体积流量Q之间的关系曲线。图中n是离心机的转速，且有n1<n2<n3。由图可见，对应于不同转速n的每一条p2/p1~Q曲线，都有一个最高点；此点之右，降低压缩比p2/P1会使流量增大，即△Q/△(p1/p2)为负值。在这种情沉下，缩机有自衡能力，表现在因干扰作用使出口管网的压力下降时，压缩机能自发地增大排出量，提高压力建立新的平衡；此点之左，降低压缩比，反而使流量减少，即△Q/△(p1/p2)为正值，这样的对象是不稳定的，这时、如果因干扰作用使出口管网的压力下降时，压缩机不但不增加输出流量，反而减少排出量，致使管网压力进一步下降，因此，离心式压缩机特性曲线的最高点是压缩机能否稳定操作的分界点。在上图连接最高点的虚线是一条表征压缩机能否稳定操作的极限曲线，在虚线的右侧为正常运行区，在虚线的左侧，即图中的阴影部分是不稳定区。

对于离心式压缩机、若由于压缩机的负荷(即流)减少，使工作点进入不稳定区，将会出现一种危害极大的“喘振”现象。

上图是说明离心式压缩机喘振现象的示意图。图中QB是在固定转速n的条件下对应于最大压缩比 (p2/p1)B的体积流量，它是压缩机能否正常操作的极限流量。设压缩机的工作点原处于正常运行区的点A，由于负荷减少，工作点将沿着曲线 ABC方向移动，在点B处压缩机达到最大压缩比。若继续减小负荷，则工作点将落到不稳定区，此时出口压力减小，但与压缩机相连的管路系统在此瞬间的压力不会突变，管网压力反而高于压缩机出口压力，于是发生气体倒流现象，工作点迅速下降到C。由于压缩机在继续运转，当压缩机出口压力达到管路系统压力后，又开始向管路系统输送气体，于是压缩机的工作点由点C突变到点D，但此时的流量 QD>QB，超过了工艺要求的负荷量，系统压力被迫升高，工作点又将沿 DAB 曲线下降到C。压缩机工作点这种反复迅速突变的过程，好像工作点在“飞动”，所以产生这种现象时，又被称作压缩机的飞动。人们之所以称它为喘振，是由于出现这一现象时，由于气体由压缩机忽进忽出，使转子受到交变负荷，机身发生振动并波及到相连的管线，表现在流量计和压力表的指针大幅度摆动。如果与机身相连接的管网容量较小并严密，则可听到周期性的如同哮喘病人“喘气”般的噪声；而当管网音量较大，喘振时会发生周期性间断的吼响声，并使止逆阀发出撞击声，它将使压缩机及所连接的管网系统和设备发生强烈振动，甚至使压缩机遭到破坏。

喘振是离心式压缩机所固有的特性，每一台离心式压缩机都有其一定的喘振区域。负荷减小是离心式压缩机产生喘振的主要原因；此外，被输送气体的吸人状态，如温度、压力等的变化，也是使压缩机产生喘振的因素。一般讲，吸人气体的温度或压力越低，压缩机越容易进入喘振区。

防喘振控制方案

由上可知，离心式压缩机产生喘振现象的主要原因是由于负荷降低，排气量小于极限值QB而引起的，只要使压缩机的吸气量大于或等于在该工况下的极限排气量即可防止喘振。工业生产上常用的控制方案有固定极限流量法和可变极限流量法两种，现简述如下。

固定极限流量法：对于工作在一定转速下的离心式压缩机，都有一个进入喘振区的极限流量QB，为了安全起见，规定一个压缩机吸入流量的最小值Qp，且有 Qp<QB。固定极限流量法防喘振控制的目的就是在当负荷变化时，始终保证压缩机的入口流量Q1不低于Q这值。下图是一种最简单的固定极限法防喘振控制方案。

测量点在压缩机的吸入管线上，流量控制器的给定值为 Qp，当压缩机的排气量因负荷变小且小于Qp时，则开大旁路控制阀以加大回流量，保证吸入流量Q1≥Qp，从而避免喘振现象的产生。

速取给定值，势必在低转速时给定值偏高，能耗过大；如按低转速取给定值，则在高转速时本方案结构简单，运行安全可靠，投资费用较少，但当压缩机的转速变化时，如按高转速仍有因给定值偏低而使压缩机产生喘振的危险。因此，当压缩机的转速不是恒值时，不宜采用这种控制方案。

可变极限流量法：

来源：金波水处理技术

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5NDkxNTUyNQ==&mid=2649228808&idx=1&sn=b3c5b8c70abdaecb10569aee1872cb0c

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