研究离心式压缩机产生喘振现象的原因

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论文摘要

  离心式压缩机广泛应用在石化、冶炼、动力等多种领域,其特点是结构简单、排气量大、性能稳定,实用性很强,并为相关行业带来了良好的经济效益。但是离心式压缩机在工作当中,具有喘振的固有特性,喘振对离心压缩机的危害较大,严重的甚至会引发瘫痪离心式压缩机运行。其导致的常见事故有弯曲转轴、损坏轴承、破坏密封能力、削弱压缩机的稳定均衡能力、断裂隔板等方面,而科学分析引起喘振的故障原因,对于寻求完善可靠的改进防范措施就显得尤为重要,离心式压缩机的喘振分析也成为业内的热门课题。
  
  1、离心式压缩机喘振故障的原因分析
  
  运行过程中其喘振的发生具体有如下几大原因:
  (1)系统气压超过额定压力:当系统运转的内压超过压缩机规定的压力限值时,这时容易形成背压条件,导致出口的通道不畅,降低流量总量,严重的还会引发气压倒吸的现象发生。一旦运行当中气流发生较大变化,并且未能及时校正,由于气源供应不足,破坏了离心压缩机稳定平衡的工作状态,发生喘振的几率就会相应提升。
  (2)操作不当:在日常的操作当中,经常需要经行升压、升速、降速调节,一旦升速、升压过于急剧,或者是降速没有预先降压,都会破坏工作的均匀稳定环境,导致倒吸现象的发生,从而造成喘振。
  (3)缺乏自动防喘措施:由于工作环境的不可预知性,很多剧变的因素都会引发喘振,如压力升高迅速、波动剧烈、人工调节难以及时响应等,自动防喘设备的投放可以很好的弥补这些不足,并且在实际应用中得到广泛的认可。
  (4)零件的工作性能缺陷:当密封圈的密封性能不好,对中安装不到位,零件脱落或损坏的条件下,气流供应受阻或各环节之间的串气,都会导致喘振。
  (5)运行环境的改变:为了减少喘振发生的可能,相关研究人员制定出了离心式压缩机的性能曲线,在具体的操作当中,要改变压力、流量等工况条件,操作人员未参考这些性能曲线时,很容易使离心压缩机的工况落入喘振区域,引发故障。
  (6)介质状态发生变化:在运行当中,气体的入口压力、温度、成份都会发生一定的改变,这些因素会对流量造成影响,而流量的改变即是离心式压缩机发生喘振的一大因素。一般而言,当机械转速不变时,喘振的流量会随着进气的压力升高而增加;当机械转速和压力都稳定时,温度的急剧升高会引发喘振;当机械转速、出入压力稳定时,气体成份的锐减也会对流量造成影响,引发喘振。
  (7)流量小于额定值:在一定的转速条件下,流量具有波动在某一范围内时,则不会发生喘振,而一旦低于该限值时,即所谓的喘振流量,会使离心式压缩机的稳定性显着降低,导致喘振。
  
  2、离心式压缩机的喘振故障特征
  
  常见的离心压缩机的喘振特征一般分为如下三类:
  (1)周期性的气流异响:发生喘振时,可以凭工作人员的听觉发现问题,一般会出现周期性的异响,而当该种异响过于轻微或为环境中的其他因素掩盖时,还可以通过仪器并查阅设备性能参数加以确定。
  (2)设备剧烈振动:此类喘振特征比较容易观察出来,由于设备或当中的零部件出现明显的工作失衡,运行状态急剧改变,振动非常强烈,易于观察。
  (3)周期性的流量波动:流量波动是造成喘振的一大因素,并且其周期性的波动可以通过仪器指针的摆动程度来加以判断,一般通过观察法就可以发现问题。
  
  3、离心式压缩机的性能曲线
  
  3.1性能曲线
  作为离心压缩机喘振分析的重要参考指标,具体有三大类的分析曲线:
  (1)气流流量的效率与设备进入容量有很大关系,具体关联公式可表示为G=W(Q);(2)出口气压和设备进入容量的关系一般表示为P=f(Q);(3)设备的运行功率和设备进入容量的关系曲线一般表示为,N=T(Q)。
  出口气压与设备进入容量的关系性能曲线对压缩机的喘振影响很大,首先对P=f(Q)性能曲线进行分析。
  在石油化工行业中常用到的催化裂解气体压缩机,功率一般在800kW左右,其性能曲线如下图。
图1:P(压力)-Q(流量)性能曲线
  从中不难得出以下结论:
  (1)当气流流量逐渐升高时,最终的气压随之会相应的下降,同理,一旦流量减少时,出口气压会随之升高。
  (2)离心式压缩机的均衡的工作状态并不是只有一种情况,而是含有多种可能性,其均衡工作的区间分布在如图所示的工作范围内。不难分析出,各种因素相互影压缩机的工作状态,在该面积区域内的工况条件是稳定的,一旦超出范围,稳定状态会受到破坏,形成喘振。
  图2的直线所表示的即为喘振线,出现在喘振线上的流量交点即为喘振流量,由上图可以清晰的得到,离心式压缩机的正常工作,离不开压力、流量、转速等适度的相互结合,一旦其中任何一个因素出现异常,都不能保证离心式压缩机的有效运行。
  3.2性能曲线的影响因素
  (1)进气状态的影响
  在离心压缩机的内部,叶轮的高速旋转必然会使气体产生径向的离心运动,动能会随之增加。在运动的过程中,气体密度大的部分有向外的运动趋势,但由于腔体的限制,气体以挤压的方式存在,无疑会增大气压。不但得出这一结论:
  任何增大气体密度或使单位体积内的气体质量增加的因素都会使P-f曲线上移,同理,密度减小或单位体积内的质量减少都会使P-f曲线下移。在日常的生产环境中,常见的影响气体状态的因素主要包含温度、压力、成份炼等方面。在保证其他因素不变的情况下,温度低、压力大、密度大的任何一种环境下,都会引起出口排气的气压升高。
  (2)转速的影响
  由于压缩机的工作方式是离心原理,根据物理离心原理可知,当绕着轴做圆周运动的转速上升时,离心力会随之增加,气体在容积内的压力也会随着增加,给性能曲线带来的变化即是曲线上移,同理,转速下降,带来的则是性能曲线下移的结果。并且因为离心力公式:F=mv2/r=mrw2F-离心力,r-圆周半径,v-运行速度,w-转速可知离心力与速度成二次正比,与转速也是成二次正比的关系。
  
  4、案例分析
  
  本文的具体案例以从日本引进的MB-CH型催化裂解气体压缩机为典型进行阐述:
  4.1转速失控引发的喘振故障
  在离心压缩机的运行当中,由信号来控制转轴的转速,但是如果设备出现问题时,不能对信号做出及时正确的响应,就会导致转速调节功能失灵,引发喘振故障。在以往比较典型的喘振故障有:1980年,由于蒸汽质量差,产生的信号所需的条件不足,蒸汽的压力值平均处于0.75MPa,机组在额定功率的状态下工作,当时转速达不到标准要求,相差多至20%,引发的喘振故障比较常见;1983年,机组的系统配合不协调,转速、功率都达不到指标要求,导致转速失控,发生喘振现象。
  4.2进口气压低引发的喘振故障
  1980年,由于离心压缩机的零部件卡在进口处,导致进气口气压较低,发生喘振故障。一般离心式压缩机的工作环境比较恶劣,机械主机或当中的零部件会发生脱落、损坏,产生的部件碎片会留在设备当中,但由于不处于部件本身的工作位置,会对其他的工作环节造成影响,特别是对气流气压的影响较大,该类喘振故障在日常的生产应用也比较常见。
  4.3气体状态引发的喘振故障
  在1981年,由于设备的生产实验需要,生产产品中引入了炼渣油,但由于该产品中含有重金属,致使气体状态发生改变,产生大量的氢气,由于氢气的相对分子量很小,对气体的成份单位质量有所降低,导致性能曲线脱离正常工作的范围,引发了喘振现象。
  
  5、发生喘振的规律
  
  结合日常工作生产,具体总结出了如下喘振规律:
  (1)管网的性能曲线会随着压缩机性能曲线的变化而变化,一般情况下,当管网不畅、压力增加时都会引发喘振现象,并且此类喘振有其自身的特征。
  (2)当压缩机的性能曲线发生变化时,管网的性能可能不会变化,.转轴转速、温度、气压和气体状态发生改变时,可能引发喘振故障,但这些因素并不一定会引发喘振。
  (3)压缩机与管网性能曲线同时变化,并且当两者同时发生变化时,喘振的几率更大。
  
  6、结语
  
  在日常的生产中,喘振很难避免,并且对正常的工作运行也会产生消极的影响,但具体分析离心压缩机喘振故障的形成原因,对生产人员的相关知识进行培训,以便他们在生产现场可以根据具体情况做及时合理的调节,尽量将喘振的消极后果降到最低。喘振虽然是离心压缩机的固有特性,但随着科技的进步和该行业对喘振故障分析的研究深入,业内人士正在积极寻找优化、合理的应对预防方案,相关课题的研究也一直作为离心式压缩机的重点研究方向。
  
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