离心压缩机性能研究

罗 楠* 张世星 郑天一

（1.浙江恒逸工程管理有限公司 2.埃理奥特机械设备维修服务（天津）有限责任公司 3.中国石油大庆炼化公司）

0 引言

离心压缩机是速度型压缩机的一种，具有排量大、效率高、结构简单、易损件少、连续运转周期长等特点，广泛应用于石油化工行业。离心压缩机作为石油化工装置的“心脏”设备，一旦发生故障，会导致装置循环或停工，严重影响石化装置生产安全。通过对离心压缩机性能曲线和喘振特点进行研究分析，提出了离心压缩机操作过程中的注意事项，可为实现离心压缩机安全运行的目标提供技术支撑。

1 离心压缩机性能曲线分类

离心压缩机的各项性能参数不是孤立的、静止的，而是相互联系和相互制约的。对于特定的压缩机，这种联系和制约具有一定的规律，可用曲线表示，即为压缩机的性能曲线。

典型的离心压缩机性能曲线有能量头-流量曲线、排出压力-流量曲线、功率-流量曲线、效率-流量曲线等，下面以某压缩机厂56M91 机型离心压缩机为例，对其性能曲线进行分析。

1.1 能量头-流量曲线

能量头是指单位质量的气体经过离心压缩机压缩后其蕴含的能量与压缩前状态的差值，表示单位质量的气体可以提升的高度。不同转速下离心压缩机能量头-流量曲线如图1 所示。由图1 可知，在离心压缩机的操作区间内能量头和流量成反比，即离心压缩机流量越大，能量头越低。

图1 离心压缩机能量头-流量曲线

1.2 排出压力-流量曲线

离心压缩机的压比和转速固定，随着流量的增加，压缩机的出口压力将增加，当出口压力达到一定程度之后，气体在设备的某处达到当地音速，或者虽然没有达到当地音速，压缩机对气体所做的功全都用来克服流动损失，不能够再增加流量，这个流量的位置所在点就是阻塞点，如图2 所示。而当流量不断减少时，压缩机的出口压力会不断增加直至出口压力不稳定，这个流量所在的位置就是压缩机的喘振点。

图2 离心压缩机排气压力-流量曲线

1.3 功率-流量曲线

1.4 效率-流量曲线

图3 离心压缩机功率-流量曲线

在固定转速条件下，离心压缩机在某一流量下具有效率最高点。这是因为在流量点时，压缩机的冲击损失最小，而随着流量增大或者减小，压缩机的冲击损失都会增加，如图 4 所示。

图4 离心压缩机效率-流量曲线

1.5 离心压缩机性能曲线共同点

离心压缩机性能曲线具有以下共同点：

（1）流量有最大和最小两个极限流量，排出压力也有最大值和最小值；

（2）效率曲线有最高效率点，离开该点的工况效率下降很快；

（3）转速增大时，压缩机的性能曲线向上方移动；

（4）转速增大时，气流马赫数增大，这时流量若偏离设计工况，就会使损失大大增加，性能曲线变陡，使稳定工况范围变窄。

2 离心压缩机喘振和阻塞工况

2.1 喘振机理

离心压缩机的工作原理是利用高速旋转叶轮产生的离心力对气体做功，使气体速度增大，压力升高，高速气体通过设置在叶轮后的弯道和扩压器进一步降速增压，从而使气体部分动能转化为压力能。

当离心压缩机进口流量减小时，叶轮工作面处会产生边界层的分离，导致气体在叶轮处旋转脱落，部分气体未被叶轮做功，压缩机出口压力将降低；如果压缩机进口流量进一步减小，叶轮处的旋转脱离气体团将会堵塞叶道，压缩机出口压力将会显著下降，直至出口压力低于出口管网压力，则出口管网内气体倒流至压缩机，倒流气体补充了压缩机级流量不足，叶轮恢复对气体正常做功，再次把倒流回级内的气体压缩出去，这样叶轮内流量再次减小，出口压力再次下降，管网内气体再次倒灌，如此周而复始，在整个压缩机系统内发生周期性的低频率、大振幅的气流振荡现象，就称为喘振。

2.2 压缩机的阻塞工况（最大流量工况）

离心压缩机流量增大到一定程度时，气流的负冲角较大，叶片做功全部转变为能量损失，压力不再升高，仅用于维持在该流量下气流流动，或者在流道最小截面处出现了声速，边界层分离区急剧扩大，压缩机达到了阻塞工况，此时压力得不到提高，流量不再增大。阻塞流量是一台压缩机在给定速度下能承受的最大流量。阻塞情况通常对压缩机有害，但没有喘振对压缩机伤害大。

2.3 压缩机性能曲线分区

离心压缩机的性能曲线，可分为三个区域，如图5 所示。

喘振线左侧区域为压缩机喘振工况区，压缩机在该区域内运行将发生喘振。阻塞线右侧区域为压缩机阻塞工况区，压缩机在该区域运行将发生阻塞。处于喘振工况和阻塞工况之间的区域，称为稳定工作范围，即压缩机可安全运行的区域。

图5 离心压缩机性能曲线分区

2.4 喘振的后果及判断

离心压缩机发生喘振将会使机组产生剧烈震动，机器噪音增大，甚至损坏离心压缩机组。喘振可以通过以下几个现象识别：（1）转子振动过大；（2）工艺气体排气温度持续超高；（3）出口压力和进口流量出现周期性、大幅度波动；（4）轴向推力快速变化；（5）载荷突然变化；（6）现场机体发出刺耳声音（喘振严重时）。

2.5 喘振的影响因素

离心压缩机运行过程中介质温度、压力、流量等参数均不断变化，所以影响离心压缩机喘振的因素不是唯一的，而往往是几种因素共同作用的结果，下面就压缩机各参数对压缩机喘振的影响进行分析。

2.5.1 转速对压缩机喘振影响

若压缩机的压比不变，提高压缩机的转速，压缩机的入口流量会增大。如果压缩机处于出入口压力稳定的管网情况，而压缩机工作点靠近喘振点时，可以通过提高转速来使工作点远离喘振点，这是确保制冷压缩机机组启动的时候离开喘振区间的常用方式。

2.5.2 压缩机气体组分

压缩机压缩不同组分气体的性能曲线各不相同，从图6 中可以看出：组分分子量增加，曲线向右上方移动；组分分子量减小，曲线向左下方移动。

图6 离心压缩机不同组分气体性能曲线

2.5.3 管网特性

众所周知，离心压缩机的工作点是性能曲线和管网特性曲线的交点，如图7 所示。管网特性曲线是指离心压缩机出口管网的阻力曲线，与管网的容积和阻力有关。改变任意性能曲线就会改变压缩机的实际工作点，若管网阻力增加，管网特性曲线变陡，压缩机实际工作点左移，机组则容易发生喘振。

图7 离心压缩机工作点示意图

2.5.4 压缩机进气状态

离心压缩机进气状态（温度、压力、密度）改变会使压缩机的性能曲线和喘振点发生变化，压缩机对气体的理论能头为：

（1）温度对喘振的影响

对于压缩机指定气体的压缩机来说，假定气体常量R，压缩因子Z和多变指数M为定值， 若压缩机在定转速下运行，压缩机功率P和压缩比r不变，若压缩机进气温度Ts升高，则压缩机理论能头H增大，根据P=H×Q，压缩机入口流量减小，压缩机喘振可能增大，所以压缩机在恒压下运行，气体温度越高，越容易发生喘振。

（2）压力对喘振的影响

对于指定气体的压缩机来说，假定气体常量R，压缩因子Z和多变指数M为定值， 若压缩机在定转速下运行，压缩机功率和入口温度不变，若压缩机进气压力降低，则压缩机压比r 增大，压缩机理论能头H增大，根据P=H×Q，压缩机入口流量减小，压缩机喘振可能增大，所以压缩机进气压力越低，越容易发生喘振。

（3）介质组分对喘振的影响

若压缩机在定转速下运行，压缩机功率、入口温度不变和压缩机压比不变，若压缩机压缩的气体组分变轻（分子量变小），则压缩机气体常数变大，压缩机理论能头H增大，根据P=H×Q，压缩机入口流量减小，压缩机喘振可能增大，所以压缩机压缩气体分子量变小，容易发生喘振。

4 结论

（1）离心压缩机压缩不同气体时的特性曲线并不相同，了解压缩机性能曲线对压缩机的选型和操作有重要意义。

（2）离心压缩机的喘振与管网特性关系密切，管网阻力增大（出口阀节流），越容易发生喘振。

（3）介质分子量增加，给定比率的能头就会成正比减少。

（4）压缩机正常运行时，入口温度升高，越容易发生喘振；入口压力越低，越容易发生喘振；压缩介质变轻（分子量变小），容易发生喘振。

（5）压缩机压比不变的情况下，压缩机转速越低，越容易发生喘振。