离心式压缩机发生喘振时,转子及定子元件受交变应力,级间压力失调引起的强烈振动,使密封及轴承损坏,甚至发生转子与定子元件相碰、压送的气体外泄、引起爆炸等恶性事故。因此,离心式压缩机严禁在喘振区域内运行。
一、喘振机理
喘振的产生包含两方面因素:内在因素是离心式压缩机中的气流在一定条件下出现“旋转脱离”;外界条件是压缩机管网系统的特性。当外界条件适合内在因素时,便发生喘振。
1. 喘振的内在因素
当在设计工况M点工作时Q=Q设(图1、图2),气流的进气角基本上等于叶轮的进口安装角,气流通畅地进入流道,基本上不出现气流附面层脱离现象,损失也很小。当Q<Q设时,由于气体流量的减少,气流的轴向速度随之减小,冲角i随之增加,气流射向叶片的工作面,而在非工作面上出现气流分离现象。当流量减少到某一程度时,由于叶栅距不相等以及进气气流、叶片几何尺寸不均匀性等原因,气流先在某一个或某几个叶片上产生脱离,形成一个或几个脱离团。脱离团沿圆周方向移动,其移动方向与转子旋转方向相同。这种脱离团的移动现象称之为“旋转脱离”。
2.喘振与管网的关系
离心压缩机的喘振是其本身的固有特性。压缩机是否在喘振工况点附近运行,主要取决于管网的压力流量特性曲线P=Pa+AQ2。图2为离心压缩机和管网联合工作性能曲线。交点M为稳定工况点,当出气管路中的闸阀关小到一定程度时,管道中的阻力系数A增大,管网特性曲线左移到图2中曲线4的位置时,与压缩机性能曲线2交于N点,压缩机出现喘振工况,N点即为喘振点。相反闸阀开大时,管道中的阻力系数A减小,管网特性曲线1右移,压缩机流量达到Qmax时,出现滞止工况。小流量与滞止流量之间的流量为信然离心压缩机的稳定工况范围。
3.喘振的产生
从图2可以看出,由于管网阻力的增加,管网特性曲线左移,致使压缩机工况点向小流量偏移。压缩机的流量Qj减少,气体进入叶轮和叶片扩压器的正冲角i增加,附面层分离区扩大,产生相对于叶轮旋转方向的“旋转脱离”,使叶轮前后压力产生强烈脉动。发生旋转脱离时在叶轮的凹面形成涡流区,当流量减小到Qmin时,上述的正冲角i增加得更大,涡流区扩大到整个叶片流道,气流受到阻塞,压缩机出口压力突然下降,而管网中气体压力并不同时下降,这时,管网中压力P1大于压缩机出口压力P2,因而管网中气体倒流向压缩机,直至管网中压力下降到低于压缩机出口压力时才停止倒流。这时压缩机又开始向管网压送气体,使管网中的气体压力再次升高至P1时,压缩机的流量 Qj 减少到 Qmin,出口压力突然降到P2,P1 > P2后,管网中气体又倒流向压缩机。如此周而复始地进行,压缩机时而有气流输出,时而气体由管路倒灌入机器,产生周期性气流脉动,出现喘振。喘振过程中参数变化的频率和幅度的大小与管网容量有很大关系。管网的容量相当于整个系统的基本谐振器。管网的容量愈大,喘振的频率愈低,振幅愈大;管网的容量愈小,喘振的频率愈高,振幅愈小。由此可知,发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,归纳为以下几个方面:
(1)压缩机出口压力升高,系统压力大于出口压力,使气体流量降到喘振流量。稳定系统的压力高,造成压缩机出口憋压,气体倒流入压缩机,造成机内气体低流量。
(2)入口流量低于规定值,反飞动调节阀失灵。在一定转数和一定气体密度下,能维持一定压力,当开、停机时气体流量少,或者放空阀开得过大,容易引起压缩机入口流量低。
(3)气体密度变化,在一定转数下,离心力下降,引起出口压力及排量下降,通常误认为是抽空现象。
(4)分馏系统操作不稳致使压缩机入口气体带油,液体组分进入机体。
(5)汽轮机的蒸汽压力低或质量差(温度低),机组出现满负荷,转速下降。
(6)调速系统失灵,辅助系统故障,真空效率下降,机组不能额定做功。
二、典型的喘振事例
例:前炼油厂一催化装置的信然XR型3级串联水平中分离心式气体压缩机。
1.由转速变化引起的喘振
正常情况下,压缩机转速的改变由系统反应的压力信号控制,但机器发生故障时,压力信号不能使汽轮机转速自由调节。某年冬季,由于蒸汽量不足,蒸汽管网压力低,汽轮机用蒸汽经常出现0.7~0. 8MPa,机组出现满负荷状况非常多,转速上不去,有时只达到给定信号的80%~90%,常出现喘振。
2.气体分子量减小引起喘振
催化装置试验采用掺炼渣油,20天后由于渣油中重金属含量高,引起催化剂中毒,使裂化气体组成发生变化,富气中H2组分高达40%(体积百分比),富气分子量降低到35(原设计分子量是50)。分子量降低后,压缩机发生喘振。
3.压缩机出口管线节流引起喘振
在压缩机出口管路上入容器前打洗涤水,管内径是
4.入口节流(进口压力低)导致压缩机喘振。
一次,由于压缩机前油气分离罐破沫网脱落,被吸入压缩机入口管,形成节流,进口压力低,导致喘振。
三、防止喘振的措施
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