离心式压缩机的喘振原因及预防
(发布时间:2010-1-7 12:47:07 共有1个附件 )
摘 要 离心式压缩机发生喘振时,转子及定子元件经受交变的动应力,级间压力失调引起强烈的振动,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。本文针对喘振的原因和预防措施做了详细论述。
关键词 离心式压缩机 喘振 喘振点 性能曲线 旋转脱离
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。
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,这主要取决于管网的特性曲线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**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**性曲线1右移,压缩机流量达到Qmax 时,出现滞止工况。最小流量与滞止流量之间的流量为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**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的脉动。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,时而有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的关系。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,喘振的频率则愈高,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,或者放火炬阀开得过大,最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(例如瓦斯罐液位、界位失灵),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、离心压缩机性能曲线的分析
Pc 3 η=φ(Qj )
N
1 P=Pa+AQ2
Pcm 4 M
N ’
2 Pc=f (Qj)
Pa
Qmin Qjm Qmax Qj
图2离心压缩机和管网联合工作性能曲线
1. 管**性曲线 2. 压缩机性能曲线 3.效率曲线
1、P=Pa+AQ2 管**性曲线的特点(见图2线1)。
A .关小管网中的闸阀开度,阻力系数A 增大,曲线向左移动,当移动至4的位置,与压缩机性能曲线2交于N 点,压缩机出现“喘振”的不稳定现象。
B .开大闸阀开度,阻力系数A 减小,曲线向右移动与压缩机性能曲线2交于N ’点, 压缩机在N ’点稳定工作。
2、Pc (或ε)=f (Qj) 压力-流量曲线的特点(见图2线2)
A .Pc (或ε)随Qj 的增加而降低。Qj=Qjm时,冲击、分离损失最小,此时压缩机工作最稳定,效率最高,是设计工况点M 。
B .Qj ≤Qmin 时,当流量达到Qmin 时离心压缩机发生喘振现象,压缩机严禁在喘振点N 运行。Qmin 为喘振流量,也叫最小流量。不同转速下的Pc=f (Qj)曲线都有一喘振工况点,各喘振点的连接曲线就是该压缩机喘振边界线,离心压缩机不允许在喘振边界线的左侧工作。
C .Qj ≥Qmax 时,离心压缩机发生滞止现象。Qmax 为滞止流量,也叫最大流量。滞止工况就是当压缩机流量达到Qmax 时,叶轮或叶片扩压器最小截面处的气流速度达到音速,此时流量再也不能增加;或者气流速度虽未达到音速,但叶轮对气体做的功全部用来克服流动损失,气体压力并不升高。
D .喘振流量Qmin 与滞止流量Qmax 之间即为离心压缩机的稳定工况范围。用比值KQ=Qmax/Qmin表示;或者以比值KQ ′=(Qmax-Qmin )/ Qjm表示。比值KQ 、KQ ′越大,压缩机的稳定工况范围越宽。衡量离心压缩机的性能好坏,不仅要求在设计流量下应有最高
的效率,而且要求稳定工况范围要宽。
3、η=φ(Qj )效率-流量曲线的特点(见图2线3)
A .Qj=Qjm(设计流量)时,冲击、分离损失最小,故效率η最高。该工况点为设计工况点。又称最佳工况点。
B .Qj >Qjm 时,随着Qj 的增加,冲击、分离损失与摩擦损失增加的很快,使效率下降的很快,故这段η=φ(Qj )曲线较陡。
C .Qj <Qjm 时,随着Qj 的减少,冲击损失增加,同时相对漏气和轮阻损失增加,使效率下降。
故效率曲线一般为中间(设计工况点附近)高,偏离设计工况点(即Qj >Qjm 或Qj <Qjm 效率低,形成如图1中所示的η=φ(Qj )曲线的形状。所以离心压缩机应在最高效率点(即设计工况点)附近进行工作。
三、典型的喘振事例
例:前郭炼油厂一催化装置的MB-CH 型气压机是七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,压缩机转速的改变是由系统反应的压力信号控制,但在机器发生故障时,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 ,机组出现满负荷时非常多,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,使裂化气体组分发生变化,富气中H2组分高达40%(体积百分比),富气分子量降低到将近35(原设计分子量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
1990年5-6月份,在压缩机出口管路上入容器前打洗涤水,管内径是150mm ,结垢后内径变成30mm ,出口管路阻塞,管路性能曲线上移,工作点进入喘振区域,发生喘振。
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。
四、防止喘振的措施
防止喘振的基本原理是使流量和压力远离喘振点,即保证流量在稳定工况范围内Qmin <Q <Qmax 。压缩机入口的进气量低于机器的喘振流量即Qmin ,必将导致喘振的发生,故一般在管路中考虑防喘振的措施,常用方法有几种:
1.部分气流通过防喘振阀放空
这种防喘振措施的作用原理如图3a 所示。当机器排气量降低到接近喘振点时,经常感受着气量变化的文氏管流量传感器1便传出信号给伺服马达2,使之开始动作而将防喘振放空阀3打开,使部分气流经放空阀放空。因此不论外面需气量是多少,压缩机中流过的气量,总
是大于喘振气量而使压缩机能正常工作。该方法的缺点是,被放空的气体是经过压缩的,浪费了部分压缩功。
2.部分气流经防喘振阀后回吸气管
如图3b 所示,其防喘振作用原理与上述放空法是一样的,区别是将放空的气体接至吸气管循环使用。主要用于有毒,或易燃、易爆的气体管路,以及经济价值较高不宜放空的情况。
3.使机器与供气系统脱开
见图3c ,这种防喘振措施适用于供气系统中有几台机器并联工作,或供气系统的容量很大,因而在一段时间内压缩机停止供气时用户仍能得到所需气量。当压缩机的排气量小到接近喘振点时,流量传感器1发生讯号而使伺服马达2工作,它将反喘振阀3打开。这时压缩机排压便下降到接近于放空的压力,而管路端压Pe 大于Pc ,因此止逆阀4关闭,机器与供气系统脱开。在此同时,由流量传感器1送出的讯号也使伺服马达5工作,进气节流阀6关小到只允许有少量的气流经过机器自反喘振阀3排出,它使机器中的温度不致升高到不允许的数值。采用这种措施时,由于机器与供气系统脱开,同时机器的进气还采取节流措施,故这时机器的功耗大为减小。过一段时间后,因用户不断用气而使供气管路中储气量减小及压力下降,当端压Pe 下降到某个规定的最低允许值Pemin 时,压力传感器7便起作用。它发出讯号使伺服马达2及5动作,将反喘振阀3关闭而使进气节流阀6打开。这时机器的排压便逐步升高,当排压Pc 升高到稍大于Pemin 时,止逆阀4自动被打开,机器又重新接入供气系统中工作。
为了有效地防止喘振,必须控制放空阀,使其流量维持在不小于整定压力所限制的流量,另外在操作中还要有具体办法:
(1)增加反飞动量,开、停工时不放火炬,压缩机入口的气体流量小,这样就要增加反飞动量,开工时还要从稳定系统向分馏系统倒气体补充气体流量,来维持压缩机入口的流量,保证其在规定值内。
(2)加强稳定系统压力的调节,不能超压。
(3)加强对分馏系统油气分离器液位、界位的控制,加强脱水。
(4)加强压缩机出、入口的排凝,决不能让气体带油。
(5)保证汽轮机的蒸汽压力平稳,不低于设计值。
(6)反应压力高时,可打开入口放火炬阀,压缩机出口压力高时,可打开出口放火炬阀,但注意出、入口放火炬阀不能同时打开。
五、小结
由于在生产实践中,我们积累了大量有关喘振的数据和条件,掌握了喘振发生的根本原因,摸索出喘振发生的规律,并因地制宜采取了一系列行之有效的预防措施,另外对机组实行了特护管理办法,杜绝了压缩机喘振现象的发生,为机组长周期安全运行提供了可靠的保障,从而大大降低了检维修费用,提高了经济效益。总之,离心式压缩机组是催化裂化装置的关键设备之一,该设备的良好运行是经济效益和安全生产的保证,因此,在生产过程中一定要加强机组的维护和保养,避免喘振等现象的发生。实践证明,喘振现象是完全可以避免的
离心式压缩机的喘振原因及预防
(发布时间:2010-1-7 12:47:07 共有1个附件 )
摘 要 离心式压缩机发生喘振时,转子及定子元件经受交变的动应力,级间压力失调引起强烈的振动,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。本文针对喘振的原因和预防措施做了详细论述。
关键词 离心式压缩机 喘振 喘振点 性能曲线 旋转脱离
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。
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,这主要取决于管网的特性曲线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**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**性曲线1右移,压缩机流量达到Qmax 时,出现滞止工况。最小流量与滞止流量之间的流量为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**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的脉动。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,时而有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的关系。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,喘振的频率则愈高,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,或者放火炬阀开得过大,最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(例如瓦斯罐液位、界位失灵),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、离心压缩机性能曲线的分析
Pc 3 η=φ(Qj )
N
1 P=Pa+AQ2
Pcm 4 M
N ’
2 Pc=f (Qj)
Pa
Qmin Qjm Qmax Qj
图2离心压缩机和管网联合工作性能曲线
1. 管**性曲线 2. 压缩机性能曲线 3.效率曲线
1、P=Pa+AQ2 管**性曲线的特点(见图2线1)。
A .关小管网中的闸阀开度,阻力系数A 增大,曲线向左移动,当移动至4的位置,与压缩机性能曲线2交于N 点,压缩机出现“喘振”的不稳定现象。
B .开大闸阀开度,阻力系数A 减小,曲线向右移动与压缩机性能曲线2交于N ’点, 压缩机在N ’点稳定工作。
2、Pc (或ε)=f (Qj) 压力-流量曲线的特点(见图2线2)
A .Pc (或ε)随Qj 的增加而降低。Qj=Qjm时,冲击、分离损失最小,此时压缩机工作最稳定,效率最高,是设计工况点M 。
B .Qj ≤Qmin 时,当流量达到Qmin 时离心压缩机发生喘振现象,压缩机严禁在喘振点N 运行。Qmin 为喘振流量,也叫最小流量。不同转速下的Pc=f (Qj)曲线都有一喘振工况点,各喘振点的连接曲线就是该压缩机喘振边界线,离心压缩机不允许在喘振边界线的左侧工作。
C .Qj ≥Qmax 时,离心压缩机发生滞止现象。Qmax 为滞止流量,也叫最大流量。滞止工况就是当压缩机流量达到Qmax 时,叶轮或叶片扩压器最小截面处的气流速度达到音速,此时流量再也不能增加;或者气流速度虽未达到音速,但叶轮对气体做的功全部用来克服流动损失,气体压力并不升高。
D .喘振流量Qmin 与滞止流量Qmax 之间即为离心压缩机的稳定工况范围。用比值KQ=Qmax/Qmin表示;或者以比值KQ ′=(Qmax-Qmin )/ Qjm表示。比值KQ 、KQ ′越大,压缩机的稳定工况范围越宽。衡量离心压缩机的性能好坏,不仅要求在设计流量下应有最高
的效率,而且要求稳定工况范围要宽。
3、η=φ(Qj )效率-流量曲线的特点(见图2线3)
A .Qj=Qjm(设计流量)时,冲击、分离损失最小,故效率η最高。该工况点为设计工况点。又称最佳工况点。
B .Qj >Qjm 时,随着Qj 的增加,冲击、分离损失与摩擦损失增加的很快,使效率下降的很快,故这段η=φ(Qj )曲线较陡。
C .Qj <Qjm 时,随着Qj 的减少,冲击损失增加,同时相对漏气和轮阻损失增加,使效率下降。
故效率曲线一般为中间(设计工况点附近)高,偏离设计工况点(即Qj >Qjm 或Qj <Qjm 效率低,形成如图1中所示的η=φ(Qj )曲线的形状。所以离心压缩机应在最高效率点(即设计工况点)附近进行工作。
三、典型的喘振事例
例:前郭炼油厂一催化装置的MB-CH 型气压机是七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,压缩机转速的改变是由系统反应的压力信号控制,但在机器发生故障时,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 ,机组出现满负荷时非常多,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,使裂化气体组分发生变化,富气中H2组分高达40%(体积百分比),富气分子量降低到将近35(原设计分子量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
1990年5-6月份,在压缩机出口管路上入容器前打洗涤水,管内径是150mm ,结垢后内径变成30mm ,出口管路阻塞,管路性能曲线上移,工作点进入喘振区域,发生喘振。
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。
四、防止喘振的措施
防止喘振的基本原理是使流量和压力远离喘振点,即保证流量在稳定工况范围内Qmin <Q <Qmax 。压缩机入口的进气量低于机器的喘振流量即Qmin ,必将导致喘振的发生,故一般在管路中考虑防喘振的措施,常用方法有几种:
1.部分气流通过防喘振阀放空
这种防喘振措施的作用原理如图3a 所示。当机器排气量降低到接近喘振点时,经常感受着气量变化的文氏管流量传感器1便传出信号给伺服马达2,使之开始动作而将防喘振放空阀3打开,使部分气流经放空阀放空。因此不论外面需气量是多少,压缩机中流过的气量,总
是大于喘振气量而使压缩机能正常工作。该方法的缺点是,被放空的气体是经过压缩的,浪费了部分压缩功。
2.部分气流经防喘振阀后回吸气管
如图3b 所示,其防喘振作用原理与上述放空法是一样的,区别是将放空的气体接至吸气管循环使用。主要用于有毒,或易燃、易爆的气体管路,以及经济价值较高不宜放空的情况。
3.使机器与供气系统脱开
见图3c ,这种防喘振措施适用于供气系统中有几台机器并联工作,或供气系统的容量很大,因而在一段时间内压缩机停止供气时用户仍能得到所需气量。当压缩机的排气量小到接近喘振点时,流量传感器1发生讯号而使伺服马达2工作,它将反喘振阀3打开。这时压缩机排压便下降到接近于放空的压力,而管路端压Pe 大于Pc ,因此止逆阀4关闭,机器与供气系统脱开。在此同时,由流量传感器1送出的讯号也使伺服马达5工作,进气节流阀6关小到只允许有少量的气流经过机器自反喘振阀3排出,它使机器中的温度不致升高到不允许的数值。采用这种措施时,由于机器与供气系统脱开,同时机器的进气还采取节流措施,故这时机器的功耗大为减小。过一段时间后,因用户不断用气而使供气管路中储气量减小及压力下降,当端压Pe 下降到某个规定的最低允许值Pemin 时,压力传感器7便起作用。它发出讯号使伺服马达2及5动作,将反喘振阀3关闭而使进气节流阀6打开。这时机器的排压便逐步升高,当排压Pc 升高到稍大于Pemin 时,止逆阀4自动被打开,机器又重新接入供气系统中工作。
为了有效地防止喘振,必须控制放空阀,使其流量维持在不小于整定压力所限制的流量,另外在操作中还要有具体办法:
(1)增加反飞动量,开、停工时不放火炬,压缩机入口的气体流量小,这样就要增加反飞动量,开工时还要从稳定系统向分馏系统倒气体补充气体流量,来维持压缩机入口的流量,保证其在规定值内。
(2)加强稳定系统压力的调节,不能超压。
(3)加强对分馏系统油气分离器液位、界位的控制,加强脱水。
(4)加强压缩机出、入口的排凝,决不能让气体带油。
(5)保证汽轮机的蒸汽压力平稳,不低于设计值。
(6)反应压力高时,可打开入口放火炬阀,压缩机出口压力高时,可打开出口放火炬阀,但注意出、入口放火炬阀不能同时打开。
五、小结
由于在生产实践中,我们积累了大量有关喘振的数据和条件,掌握了喘振发生的根本原因,摸索出喘振发生的规律,并因地制宜采取了一系列行之有效的预防措施,另外对机组实行了特护管理办法,杜绝了压缩机喘振现象的发生,为机组长周期安全运行提供了可靠的保障,从而大大降低了检维修费用,提高了经济效益。总之,离心式压缩机组是催化裂化装置的关键设备之一,该设备的良好运行是经济效益和安全生产的保证,因此,在生产过程中一定要加强机组的维护和保养,避免喘振等现象的发生。实践证明,喘振现象是完全可以避免的