離心式壓縮機喘振預測新方法研究

張丹丹

(上海河圖工程股份有限公司 武漢分公司,湖北 武漢 430070)

離心式壓縮機是工藝設備中最為關鍵的一類[1],由于離心式壓縮機對氣體的流量、溫度以及壓力的變化比較敏感,所以在運行中容易發生喘振問題[2-4]。喘振會導致壓縮機機組劇烈震動,導致流量波動幅度過大,如果不能及時有效地采取預防措施加以控制,會造成壓縮機內部零件的損壞,嚴重時有可能導致壓縮機燒瓦甚至發生氣體爆炸事故[5-6]。因此,有效地預防和控制離心式壓縮機的喘振問題變得尤其重要。

1 離心式壓縮機系統

離心式壓縮機系統的組成包括: 吸入洗滌器、離心式壓縮機、二次冷卻器、排放洗滌器等,離心式壓縮機系統工作流程如圖1所示。在該流程中,為避免壓縮機受到喘振的影響采用了防喘振控制器,在入口和出口均安裝了隔斷閥和止回閥,以起到隔離和防止回流的作用。

圖1 離心式壓縮機系統工作流程示意

2 離心式壓縮機防喘振措施

目前,離心式壓縮機防喘振的措施有很多[7-9],在眾多防喘振措施中,將慣性數作為評價喘振嚴重程度的判斷依據是一種極為簡單且實用的方法[10-12]。該方法通過推導用于描述慣性數的方程,可以判斷緊急制動期間壓縮系統的穩定性。慣性數R的計算如式(1)所示:

(1)

式中:I——轉動慣量,kg·m2;n——壓縮機轉速,rad/s;P——喘振時壓縮機的輸出功率,W;t——壓縮機預沖程時間,s。

研究發現,當壓縮機的R低于30時,現有的防喘振系統難以預防喘振的發生;當R高于100時,現有的防喘振系統可實現防喘振的功能。雖然采用R判斷方法簡單實用,但是其準確性有待進一步提高。因此,本文重點探究慣性數方程中涉及的關鍵參數和其他對喘振有影響的設計參數,包括防喘振控制管路流量、防喘振控制閥沖程時間等,目的是為壓縮機運行過程提供更為精準的防喘振保護措施,并預測緊急制動期間的壓縮機喘振程度。

3 影響喘振的參數分析

從壓縮機固有參數、壓縮系統參數和防喘振參數三個方面出發,分析影響離心式壓縮機工作過程中發生喘振的情況。壓縮機固有參數主要是轉動慣量;壓縮系統參數主要包括排放量和壓縮機預沖程時間;防喘振參數主要包括防喘振控制管路流量和防喘振控制閥沖程時間。通過單因素分析,即保證其他參數值為基準值,改變其中某個參數的值,并采用Aspen HYSYS軟件進行壓力計算,壓縮機單因素分析參數設定見表1所列。以壓力波動相對幅度為參數在某一設定值下的計算壓力值與在基準值條件下的計算壓力值的比值為例,基于單因素分析的壓力波動相對幅度變化特征如圖2所示。由圖2可知,在一定范圍內,壓力波動相對幅度的程度會隨轉動慣量、防喘振控制管路流量的增大而降低,卻隨排放量、壓縮機預沖程時間和防喘振控制閥沖程時間的增大而增大。壓力波動相對幅度越大,喘振發生的可能性和程度越高。因此,轉動慣量、防喘振控制管路流量與喘振敏感性呈負相關,而排放量、壓縮機預沖程時間和防喘振控制閥沖程時間與喘振敏感性呈正相關。

表1 壓縮機單因素分析參數設定

圖2 基于單因素分析的壓力波動相對幅度變化特征示意

4 喘振敏感系數的設立與驗證

4.1 喘振敏感系數

以單因素分析為依據,調整式(1)中的參數組合,保持P不變,將排放量、壓縮機預沖程時間、防喘振控制閥沖程時間等正相關參數作為分子,將轉動慣量、防喘振控制管路流量等負相關參數作為分母,形成一個新的參數,即喘振敏感系數S。S計算如式(2)所示:

(2)

式中:qV——防喘振控制管路體積流量;t1——防喘振控制閥沖程時間;V——排放量。

4.2 喘振區域識別與結果驗證

通過調整I,V,t,qV,t1幾個變量,可以改變S的值,采用Aspen HYSYS軟件模擬各參數對R和S的影響,可以得到離心式壓縮機的喘振情況,如圖3所示。通過圖3分析,可以看出當S>400時,有明顯喘振現象。當R為25～100時,存在喘振現象。因此,可以將圖3中的區域分為安全區和非安全區,當S<400,110400,R>300或R<110時,為非安全區。

圖3 基于喘振敏感系數與慣性數相結合的喘振特性示意

根據文獻[13-14]提供的實際測試數據,通過計算R和S,結合圖3判斷離心式壓縮機工作狀態是否處于喘振區域。通過分析對比可知,所計算的R和S都處于非安全區域,與測試結果一致。

5 結束語

通過分析慣性數方程中涉及的關鍵參數和其他對喘振有影響的設計參數,新設立了S,并采用Aspen HYSYS軟件模擬了各參數對S和R的影響,基于所得的結果可以用于識別離心式壓縮機運行時的喘振區域和安全區域。本文所計算的結果與文獻分析結果進行了驗證對比,確保了計算結果的準確性。該方法可以在早期設計階段為工程師提供更為準確的快速判斷依據。