【壓縮機(jī)網(wǎng)】一、引言
氯氣壓縮機(jī)作為氯堿行業(yè)氯氣處理系統(tǒng)中核心設(shè)備之一，被廣泛應(yīng)用于氯氣的壓縮及輸送過程。大型離心式透平壓縮機(jī)一臺即可滿足年產(chǎn)25-30萬噸折百燒堿所產(chǎn)氯氣的壓縮及輸送任務(wù)。國產(chǎn)氯氣壓縮機(jī)正常情況下配備有備用機(jī)組，西門子及日本神鋼生產(chǎn)的氯氣壓縮機(jī)正常情況下不配備備機(jī)。在實際運(yùn)行過程中，氯氣壓縮機(jī)常常會出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，這不僅會影響設(shè)備的正常運(yùn)行，還會對設(shè)備造成嚴(yán)重的損害。因此，對氯氣壓縮機(jī)喘振的原因、危害及解決辦法進(jìn)行研究，具有重要的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值。
二、氯氣壓縮機(jī)的喘振簡介
對于離心式壓縮機(jī)來說，“喘振”是所有故障中危險性最大、最值得重視的特有故障。一般發(fā)生在壓縮機(jī)組較長時間處于不穩(wěn)定的工況條件下運(yùn)行的結(jié)果。
2.1“喘振”現(xiàn)象介紹
從“物理”的角度看，“喘振”是一種低頻率、高振幅的氣流壓力脈沖，這種具有一定能量的氣流脈沖的產(chǎn)生是由于氣流在壓縮機(jī)的“葉片擴(kuò)壓器”“流道”或者葉輪的葉道中發(fā)生了較為嚴(yán)重的邊界層分離和二次渦流現(xiàn)象，擴(kuò)及了整個壓縮機(jī)的“流道”。由于氣流的速度較大（葉輪出口處的氣流線速度為200米/秒），而輸送介質(zhì)氯氣又是屬于重氣體，因此氣流的沖擊損失急劇增加，同時氣流的有效工作能頭隨著氣體輸送量的減少而下降，氣流的阻力也隨之增加。正常情況下，氯氣壓縮機(jī)出口與下游工序之間的管道上設(shè)置有氯氣止回閥，如果機(jī)組出口的“止回閥門”有效，就會出現(xiàn)壓縮機(jī)的排氣會出現(xiàn)時有時無的跡象。如果機(jī)組出口的“止回閥門”失效，那么壓縮機(jī)出口將會發(fā)生時而向氯氣管網(wǎng)排氣，時而氯氣管網(wǎng)中的氣流倒灌入壓縮機(jī)“流道”的現(xiàn)象，氣流如此有節(jié)奏地周而復(fù)始的改變流向，便使壓縮機(jī)的氣流脈沖形成。這種強(qiáng)烈的氣流脈沖使得氯氣離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子與固定元件發(fā)生急劇地摩擦，從而機(jī)組發(fā)出巨大的轟鳴聲和嚴(yán)重的噪音。由于氣流的沖擊摩擦以及機(jī)械元件摩擦作用，再加上壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的高速度運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的撓度影響，機(jī)身會劇烈的振動。在這種氯氣離心式壓縮機(jī)所特有的不穩(wěn)定跳動的工況條件下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，若不采取措施予以制止，少則數(shù)秒鐘，多則數(shù)分鐘，整臺機(jī)器就會被全部毀壞，所謂的機(jī)毀人亡，這是不容忽視的故障。如果這個時候采取緊急停機(jī)措施，這一臺機(jī)器再也開不起來，因為轉(zhuǎn)子與固定元件全都粘在一起，轉(zhuǎn)不動了，也得報廢。
2.2“喘振”工況介紹
“喘振”是離心式壓縮機(jī)在不穩(wěn)定工況條件下運(yùn)行而發(fā)生的，那么一旦壓縮機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工況區(qū)域下運(yùn)行就必然會發(fā)生“喘振”嗎？回答是否定的。因為“喘振”的發(fā)生不具有突發(fā)性，而是有一個能量積聚的過程（或者稱為工況改變過程），我們完全可以從一些控制的技術(shù)參數(shù)變化中發(fā)現(xiàn)它發(fā)生的可能性，由此采取必要的措施防止“喘振”發(fā)生；或者說已經(jīng)有“喘振”發(fā)生的前兆出現(xiàn)，及時采取應(yīng)急措施去消除影響，使工況條件改變，轉(zhuǎn)危為安。
在下面的壓縮機(jī)工作點原理中，將介紹壓縮機(jī)的性能曲線與氯氣管路的特性曲線的相交點就是壓縮機(jī)的工作點。并且工作點是處在壓縮機(jī)性能曲線的負(fù)斜率段（壓力與流量的性能曲線），也就是所謂的穩(wěn)定工況區(qū)域內(nèi)。一旦發(fā)生工作點的偏離也會自動返回到原來的出發(fā)點，這是離心式壓縮機(jī)的明顯特點。但是“喘振工況”與壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況是截然不同的，它有兩個特點：
（1）氯氣離心式壓縮機(jī)組的性能曲線（壓力或者能頭與流量的性能曲線）在“喘振”工況條件下大多數(shù)呈現(xiàn)駝峰狀（即中間高、兩頭低），并在氣流量不為零處有個最高點，也就是性能曲線是一條有正、負(fù)兩個斜率段的曲線，不像穩(wěn)定工況條件下的壓縮機(jī)性能曲線的工作點始終處在負(fù)斜率段。“喘振”工況的工作點往往在性能曲線的正斜率段（氣流量小的那一段）。
?。?）壓縮機(jī)的輸送介質(zhì)為可壓縮的重氣體，并且與壓縮機(jī)相連的管路容積較大，完全具備積蓄和釋放能量的作用，這就為形成氣流的脈沖提供了方便。
從“喘振”工況的特性曲線可以看到，性能曲線的最高點S的左側(cè)為正斜率段（不穩(wěn)定工作區(qū)），右側(cè)為負(fù)斜率段（穩(wěn)定工作區(qū)），工作點W卻正好在不穩(wěn)定工作區(qū)?？梢宰C明的是發(fā)生壓縮機(jī)“喘振”時，通過壓縮機(jī)的是最小流量，而這時的氯氣管網(wǎng)中的“端壓”卻是很高的。一般壓縮機(jī)輸出的氯氣流量與管網(wǎng)中的氯氣用量應(yīng)該是相匹配、平衡的，供氣與用氣不會發(fā)生不平衡的矛盾。但是一旦某個用氣部門發(fā)生故障，減少了用氣量或者停止用氣，這樣管網(wǎng)中的氣流量就會積聚起來，使得管網(wǎng)中的氯氣“端壓”上升，一旦超過了壓縮機(jī)出口的排出壓力，壓縮機(jī)排氣就發(fā)生困難。壓縮機(jī)為了達(dá)到排氣的目的，必然會減少進(jìn)壓縮機(jī)的流量，就使壓縮機(jī)進(jìn)入了“喘振工況”。當(dāng)進(jìn)壓縮機(jī)的氣體流量達(dá)到了最小值時，機(jī)內(nèi)就發(fā)生了邊界層的分離和二次渦流，使得阻力大增，沖擊損失劇增。由于氯氣管網(wǎng)中積蓄能量的能力比較大，一旦釋放與積存就會產(chǎn)生氣流的脈動。
對于壓縮機(jī)來說，氣體的進(jìn)口流量減少到壓縮機(jī)無法維持規(guī)定的排出壓力時，也會發(fā)生波動。因此設(shè)計者著眼于防止壓縮機(jī)組進(jìn)入小流量、高端壓的不穩(wěn)定工況的出現(xiàn)。及時補(bǔ)充氣量和及時降低機(jī)組出口的“端壓”是防止“喘振”發(fā)生的根本途徑。
三、氯氣壓縮機(jī)喘振的原因
（1）流量過小
氯氣壓縮機(jī)在小流量工況下運(yùn)行時，由于進(jìn)氣流速過低，氣體在壓縮機(jī)內(nèi)部容易形成漩渦和回流，導(dǎo)致氣流的不穩(wěn)定，從而引發(fā)喘振現(xiàn)象。
（2）壓力波動
當(dāng)氯氣壓縮機(jī)出口壓力或管網(wǎng)壓力發(fā)生劇烈波動時，會導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部氣流的紊亂，進(jìn)而引發(fā)喘振。
（3）壓縮機(jī)內(nèi)部故障
如轉(zhuǎn)子不平衡、軸承損壞、密封失效等內(nèi)部故障，會導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，從而引發(fā)喘振。
（4）溫度過低
氯氣中間冷卻器冬季時，冷卻水溫度控制過低，過低的氯氣溫度會導(dǎo)致流量計算值發(fā)生偏離，防喘控制系統(tǒng)認(rèn)為流量嚴(yán)重偏離喘振控制線，導(dǎo)致防喘控制閥不停地不受控制地開關(guān)，致使出口壓力波動頻繁。當(dāng)單位時間內(nèi)壓力波動的速度達(dá)到一定的值時，會引發(fā)喘振。
四、氯氣壓縮機(jī)喘振的危害
（5）參數(shù)設(shè)置
氯氣壓縮機(jī)PLC控制器是氯氣壓縮機(jī)的大腦，PLC內(nèi)部關(guān)于參數(shù)的設(shè)置，對PLC而言起著關(guān)鍵性的判斷作用，比如正常流量和進(jìn)氣流量的判定，氯氣出口溫度、出口壓力的取樣反饋時間設(shè)置、出口流量的設(shè)置和進(jìn)口溫度及吸氣壓力的設(shè)置。
在PLC控制系統(tǒng)，現(xiàn)場采集的四個參數(shù)參與防喘控制器內(nèi)部的邏輯計算，如我司氯氣壓縮機(jī)分別是進(jìn)口的吸氣壓力PT2451、氯氣壓縮機(jī)出口的流量FT2459、出口排氣壓力PT2459、出口排氣溫度TISA2459。
參數(shù)在設(shè)置時，選取合適的采集時間非常重要，過度的縮小采集時間間隔反而不利于防喘控制閥動作，類似于PID控制原理，較小的采集時間間隔在發(fā)生壓力輕微波動時，PLC會引起較大的壓差/時間“斜率”判斷，造成頻繁發(fā)出喘振報警，達(dá)到一定次數(shù)自動停車。在原始設(shè)置中，采集時間由0.05s修改為0.08s，解決了此類頻繁觸發(fā)防喘報警的“誤報”問題。
?。?）設(shè)備損壞
這一點能夠很好地理解，氯氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的，正常情況下，一般達(dá)到10000～12000RPM，動平衡對其非常重要，從拆卸的轉(zhuǎn)子來看，轉(zhuǎn)子上焊接的一些“補(bǔ)丁”就是反復(fù)測試過程中廠商焊接上去用于解決動平衡問題的。
在《氯氣壓縮機(jī)中間冷卻器泄漏原因分析與對策措施》中我們講過，當(dāng)氯氣中水分或者硫酸霧未能處理合格，達(dá)不到氯氣壓縮機(jī)運(yùn)行要求時，會造成氯氣冷卻器設(shè)備的穿孔漏水，氯氣壓縮機(jī)葉輪的含水性腐蝕沖刷，氯氣中硫酸霧在葉輪上沉積，特別是進(jìn)口導(dǎo)葉閥行星控制齒輪上附著沉積，造成動平衡被破壞、失穩(wěn)。由于氯氣含水處理不當(dāng)導(dǎo)致的葉輪腐蝕，在初始階段會表現(xiàn)為隨著進(jìn)口導(dǎo)葉閥的開大，氯氣進(jìn)口壓力無法有效控制下降，氯氣壓縮機(jī)吸氣能力下降較快，同時水分檢測儀監(jiān)控的數(shù)據(jù)有上升趨勢。這種情況下，就一定要首先排除是否是氯氣含水超標(biāo)的問題，否則會造成氯氣壓縮機(jī)在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)子均勻沖刷腐蝕，徹底失去功能而報廢，這種過程往往較快。國內(nèi)曾有一家公司發(fā)生此類情況，氯氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在一周內(nèi)發(fā)生因含水超標(biāo)沖刷腐蝕報廢。
發(fā)生機(jī)械性損壞，可能造成的直接后果就是氯氣壓縮機(jī)上幾十個監(jiān)控參數(shù)會發(fā)生數(shù)據(jù)的漂移偏向異常，比如監(jiān)控氯氣壓縮機(jī)振動的X、Y方向的測振儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)子軸向水平方向串動的數(shù)據(jù)、異常磨損造成的油溫的升高、齒輪箱回油溫度的升高、油站過濾器的磨損雜質(zhì)堵塞等等。必須要注意的是，均勻腐蝕有時候并不會造成數(shù)據(jù)的嚴(yán)重偏移讓氯氣壓縮機(jī)自動觸發(fā)連鎖值停車。振動和位移參數(shù)觸發(fā)的停車只是為了防止機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重的震動，杜絕發(fā)生機(jī)毀人亡的事故發(fā)生。
機(jī)組發(fā)生損壞并不必然導(dǎo)致喘振，但嚴(yán)重的喘振往往會導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部部件的強(qiáng)烈振動，進(jìn)而引發(fā)軸承、密封等部件的損壞，縮短設(shè)備的使用壽命。喘振現(xiàn)象會使壓縮機(jī)的運(yùn)行效率降低，增加能耗，降低生產(chǎn)效率。
喘振現(xiàn)象嚴(yán)重時，如果是可燃?xì)怏w等，可能導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部發(fā)生壓縮部爆炸、解體等安全事故，對人員和設(shè)備造成嚴(yán)重的威脅；氯氣壓縮機(jī)如果發(fā)生解體事故，不但可能會造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故，還有很大概率造成環(huán)境污染事故。
五、氯氣壓縮機(jī)喘振的基本原理介紹
5.1高速運(yùn)轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速原理
氯氣離心式壓縮機(jī)同其他高速回轉(zhuǎn)機(jī)械一樣會產(chǎn)生一種常見的機(jī)械運(yùn)動——振動。其中防止系統(tǒng)產(chǎn)生共振是個十分重要的問題。下面介紹一下有關(guān)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象及振動原理。
對高速回轉(zhuǎn)的氯氣離心式壓縮機(jī)來講，轉(zhuǎn)子受材質(zhì)以及加工技術(shù)等因素的影響，不可能做到“絕對的平衡”；因此在“軸心”與“質(zhì)心”之間總有一個“偏心距”存在。在高速回轉(zhuǎn)之時，整個系統(tǒng)受到周期性的離心干擾作用而會產(chǎn)生振動。這時如果作用于轉(zhuǎn)軸的外來干擾力的頻率（即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速）恰好與轉(zhuǎn)子的固有頻率相等或是相近的話，系統(tǒng)就會發(fā)生共振，出現(xiàn)劇烈的振動現(xiàn)象，這就是所謂的臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象。所以臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象實質(zhì)上就是共振現(xiàn)象。發(fā)生共振時的主軸轉(zhuǎn)速稱為軸的臨界轉(zhuǎn)速，數(shù)值上常常就是轉(zhuǎn)子的固有頻率。
一般來說，低速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，不會產(chǎn)生臨界轉(zhuǎn)速問題；因為轉(zhuǎn)子的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。而臨界轉(zhuǎn)速問題主要是轉(zhuǎn)軸的橫向彎曲振動問題和扭轉(zhuǎn)振動問題。一般情況下，機(jī)械系統(tǒng)的彎曲振動頻率總是低于扭轉(zhuǎn)振動頻率，所以在提高機(jī)械的轉(zhuǎn)速時，首先遇到的是彎曲振動頻率。另外還會有“自激振動”現(xiàn)象，它是由摩擦、材料內(nèi)摩擦以及軸承中的油膜作用而引起的。這是在振動系統(tǒng)本身產(chǎn)生的“非線性激振力”作用下所引起的“自振”。要說明轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象，我們就要回顧一下有關(guān)振動的基本概念。
[1]振動頻率（frequency of vibrating）、周期（period）、振幅（amplitude）
任何一個物體都有一定的質(zhì)量和彈性，當(dāng)受到一種干擾、擾動或者按照一定的節(jié)奏的擾動持續(xù)作用下，就會作往復(fù)運(yùn)動，這就是振動的緣由。
例如：彈簧秤吊著重物，如果用手將重物往下拉一下，然后突然松開的話，重物隨同彈簧一起上下作著往復(fù)運(yùn)動，這就是振動。從平衡位置開始往復(fù)一次回到原來位置的時間，稱為周期。在單位時間內(nèi)往復(fù)的次數(shù)，稱為頻率。振動時物體離開原來位置所能達(dá)到的最大位移，稱為振幅。
[2]自由振動（free vibrating）
一個振動系統(tǒng)只受到初始的干擾后產(chǎn)生的振動稱為自由振動。在振動過程中，不受干擾力的作用。以彈簧秤為例：手拉一下就是初始干擾，在干擾消失之后，彈簧振動就由彈簧與物體（重物）組成的振動系統(tǒng)進(jìn)行了。這樣的振動就稱為自由振動。
[3]強(qiáng)迫振動（force vibrancy）
另外還有一種振動形式，就是振動系統(tǒng)的振動過程中始終受到一個周期性干擾力的作用，這種振動稱為強(qiáng)迫振動。顯然這種振動的頻率是和干擾力的頻率是一致的。對于氯氣離心式壓縮機(jī)組來說，轉(zhuǎn)子的干擾力有氣流的沖擊、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子同心度不準(zhǔn)的作用力（以上均為外來的干擾力）。另外轉(zhuǎn)子的不平衡產(chǎn)生的內(nèi)部離心力，這些干擾力都是周期性的作用于轉(zhuǎn)軸上。以單級壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子為例：
由于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量m不平衡和偏心e所產(chǎn)生的離心力為：
Pc=meω2
式中：pc——離心力；
m——質(zhì)量（不平衡）；
e——偏心；
α——離心力和水平方向x軸的夾角，
α=ωt；
ω——角速度；
t——時間；
在水平方向x軸上的離心分力：pcx=meω2 cosα
在垂直方向y軸上的離心分力：pcy=meω2 sinα
pcx=meω2 cosωt；pcy=meω2 sinωt；
這就說明轉(zhuǎn)子的偏心和不平衡質(zhì)量的存在，使得主軸的徑向和軸向產(chǎn)生了兩個周期性變化的干擾力，這個干擾力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，干擾力的圓頻率就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角速度。干擾力迫使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生橫向的強(qiáng)迫彎曲振動。這樣的振動是壓縮機(jī)最為常見的問題，也就是主軸的臨界轉(zhuǎn)速問題。其實質(zhì)上就是使機(jī)械發(fā)生共振時的轉(zhuǎn)速。
實驗研究表明，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)子的固有頻率nc大致相等時，就會出現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子的振幅將隨之急劇地增長。（n/nc=1）從理論上來講，振動的振幅可以達(dá)到無窮大，由于實際上存在著阻尼，因此振幅不會無限制的增長；可是也已經(jīng)達(dá)到了非常大的數(shù)值了，足以引起主軸轉(zhuǎn)子的嚴(yán)重破壞。
轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速往往不止一個，它是與系統(tǒng)的自由度數(shù)目有關(guān)的。一般來說，一個轉(zhuǎn)軸帶有一個自由度系統(tǒng)，它就存在一個臨界轉(zhuǎn)速；兩個轉(zhuǎn)子就帶有兩個臨界轉(zhuǎn)速。對于帶有三個以上的轉(zhuǎn)子的壓縮機(jī)，就具有三個以上的臨界轉(zhuǎn)速和振型。以上純系忽略轉(zhuǎn)軸本身的質(zhì)量，將轉(zhuǎn)子看作為一個集中載荷，即轉(zhuǎn)子的重量大大高于轉(zhuǎn)軸的重量。從理論上來說。不帶轉(zhuǎn)子的軸具有無限多個自由度，也就是具有無限多個臨界轉(zhuǎn)速。但是工程上具有實際應(yīng)用價值的是最小的幾個臨界轉(zhuǎn)速。
一般來講，機(jī)械的工作轉(zhuǎn)速（由原動機(jī)或齒輪變速確定）是給定的，因此設(shè)計過程中需要先算出轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速，尤其是它的一、二階臨界轉(zhuǎn)速，以判斷轉(zhuǎn)子運(yùn)行是否在安全操作的范圍之內(nèi)。
5.2氯氣離心式壓縮機(jī)性能曲線
氯氣壓縮機(jī)的性能曲線可以直觀地看出氯氣壓縮機(jī)的出口壓力、進(jìn)口導(dǎo)葉閥開度所表征對應(yīng)的當(dāng)前狀況；防喘控制線直觀地指出了當(dāng)前所需最小氯氣流量，低于該值可能會引發(fā)喘振。
[1]壓縮機(jī)性能曲線的涵義
氯氣離心式壓縮機(jī)的性能曲線又稱“特性曲線”（speciality curve），它真實反映機(jī)組運(yùn)行時工況的變化。因為即使在恒定的轉(zhuǎn)速情況下，壓縮機(jī)的容積流量不可能是個“定值”，這就是“透平式”壓縮機(jī)與“容積式”壓縮機(jī)所不同之處。壓縮機(jī)的容積流量是隨著氯氣管網(wǎng)中壓力（背壓或稱為管網(wǎng)端壓）的不同而改變，也是隨著機(jī)器效率、功率的變化而改變。
為了真實反映機(jī)組運(yùn)行中工況條件變動以后機(jī)組性能的變化情況，通常把機(jī)組在不同流量流通情況下，機(jī)組的排出壓力（或壓力升高比）、功率和壓縮機(jī)效率的變化關(guān)系用曲線形式直觀表現(xiàn)出來，這些曲線就稱為機(jī)組或“級”的性能曲線。一般可以認(rèn)為整臺機(jī)組的性能曲線決定于每一級的性能曲線。性能曲線的橫坐標(biāo)通常用壓縮機(jī)的進(jìn)口容積流量作參數(shù)（此舉是便于不同機(jī)組的等同比較）；而對應(yīng)的縱坐標(biāo)則為機(jī)組的排氣壓力（絕對壓力）或者壓力升高比，這類“特性曲線”稱為“壓力曲線”。如果縱坐標(biāo)采用壓縮機(jī)的軸功率的話，就稱為“功率曲線”；也可以是壓縮機(jī)或者各級的效率，就稱為“效率曲線”。每一條曲線都對應(yīng)一個固定的轉(zhuǎn)速。
有了這樣的性能曲線，就可以根據(jù)客戶的要求，選配相應(yīng)的壓縮機(jī)，并且可以選配電動機(jī)。在壓縮機(jī)的運(yùn)行過程中，可以根據(jù)機(jī)組在管網(wǎng)的工況條件去分析機(jī)組的工作狀態(tài)，確認(rèn)其在安全、高效區(qū)工作，是否達(dá)到壓縮機(jī)設(shè)計工況的運(yùn)行點。
一般壓縮機(jī)的特性曲線是由制造機(jī)組的廠家依據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理繪制，所提供的技術(shù)說明都提供這樣的特性曲線，以供使用時參考。
[2]壓縮機(jī)性能曲線的特點
氯氣離心式壓縮機(jī)的性能曲線是多種類的，盡管有的壓縮機(jī)所標(biāo)的銘牌參數(shù)相同，諸如：轉(zhuǎn)速、排出壓力、進(jìn)機(jī)流量、軸功率等都相同，但是繪制出來的性能曲線卻有不同。下面把壓縮機(jī)性能曲線的特點分析一下。
?。?）決定性能曲線形狀的因素
在看壓縮機(jī)性能曲線時，就會發(fā)現(xiàn)曲線的形狀各異，曲線的曲率半徑大小也不一樣，這究竟是什么道理呢？為此我們只能從壓縮機(jī)的多變能頭hpol與“進(jìn)機(jī)流量”之間的關(guān)系分析起。多級壓縮機(jī)是由許多“級”組成的，每一級壓縮以后，氣流的壓力升高比并不是很高。如果不計氣體重度變化的話，我們用計算壓縮液體的靜壓頭所需要的能量頭方式近似計算壓縮機(jī)的多變壓縮能頭。
單位重量的氣體壓頭升高所需的能量：
hpol=（pK-pj）/γ
氣體的壓力升高比：
ε=1+γ/pj·hpol
由此可見，壓力升高比與流量的關(guān)系是和“多變能頭”與流量的關(guān)系相當(dāng)?shù)?。對于“后彎式”葉輪的壓縮機(jī)來說，多變壓縮能頭hpol與壓縮機(jī)的進(jìn)氣流量呈一次方關(guān)系（葉輪的幾何尺寸和圓周速度都為常數(shù)），就是隨著氣體的流通量增大而下降的直線AB。但是它忽略了流動過程中的“流道”損失部分。實際上由于“流道”中的氣流摩擦、沖擊等流動損失存在，氣體所得的多變壓縮能頭還需要從理論的壓縮能頭中減去這部分損失的能量。而氣體的流動損失和液體的流動損失一樣，都是和流量的平方成正比的，因此將理論能頭AB先減去流動損失成為A′B′，兩者之差就是流動損失值。另外，還要減去沖擊損失值（當(dāng)然沖擊損失只有在設(shè)計工況條件時才是最小的，而當(dāng)工況條件偏離設(shè)計工況時都要增加）；因此再從A′B′中減去沖擊損失Σhsh部分便得到A″B″曲線。（兩頭低、中間高的駝峰狀曲線）這就是hpol與流量的關(guān)系曲線。而壓力升高比形狀與其差不多。所以上述原因也就決定了壓力升高比與流量間的關(guān)系。通過上述分析可以得出結(jié)論：決定壓縮機(jī)性能曲線的形狀主要因素是葉輪對氣體作功的特性和氣體流動過程中損失的特性。
?。?）轉(zhuǎn)速增加對性能曲線的影響
上面已經(jīng)知道壓縮機(jī)性能曲線是由多變壓縮能頭hpol（葉輪對氣體作功的特性）和流動過程損失的特性Σhhyd決定的，因此凡是影響到氣體流動過程損失的因素自然會影響到壓縮機(jī)的性能曲線。而壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速影響是最為明顯的。因為壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速變化直接影響到氣流的圓周速度。
u2=πD2n/60
而理論壓縮能頭hth與圓周速度的平方成正比，也是與轉(zhuǎn)速的平方成正比。
hth=Ψu2·u22/g
當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加時，一方面機(jī)組的壓縮比（ε）及出口壓力（pK）將顯著增加；另一方面，使氣體流動的馬赫數(shù)M增加（這是氣流速度增大所致），就會使氣體流動的損失增加，使得穩(wěn)定工況范圍縮小；在相同流量的變動范圍內(nèi)，流動損失增加得更多，為此性能曲線將變得“更陡”。
從不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下性能曲線的示意圖中可以看出，當(dāng)氣體流量大到某一數(shù)值之后，性能曲線甚至接近垂直形狀。這是因為轉(zhuǎn)速增大、氣流的馬赫數(shù)也已相當(dāng)大；如果再稍微增加流量的話，就使馬赫數(shù)達(dá)到最大值，已經(jīng)是堵塞工況了，再增大流量已經(jīng)不可能了。
?。?）“級數(shù)”對壓縮機(jī)性能曲線的影響
在壓縮機(jī)的運(yùn)行過程中，前一級的工況條件改變總要引起下一級工況條件的更大程度的改變。譬如：前一級的進(jìn)口容積流量增加了5%，對于離心泵或者鼓風(fēng)機(jī)來說，該級的出口容積流量也增加相同的量。然而對于氯氣離心式壓縮機(jī)來說就不同了。因為隨著氣體流量的增加，級的出口壓力要低于原來值，會引起出口氣體的重度減少，使得該級出口的氣體容積流量或稱進(jìn)入下一級的氣體容積流量增加幅度遠(yuǎn)大于5%。由此就會引起下一級工況發(fā)生更大的變化，使得沖擊損失和流動損失增加更多些。對于多級的離心式壓縮機(jī)來說，它的各級特性曲線相似，如果串接以后，整臺機(jī)組的特性曲線顯然要比單級的特性曲線顯得“更陡”一些。在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高的情況下，每一級的壓力升高比也越高；那么前一級的工況條件的變化引起下一級工況條件的變化程度越大，使得損失增加更多，這樣的話，性能曲線更為陡。
?。?）最大流量和最小流量的限制
一般氯氣離心式壓縮機(jī)的管網(wǎng)設(shè)置中包括機(jī)組的出口閥C（去分配臺）、排氣閥A（去除害塔）以及機(jī)組回流閥B（去機(jī)組進(jìn)口）。如果打開排氣閥門A的話，使管網(wǎng)中的阻力大為減少；機(jī)組的排氣量增加，排氣壓力（主機(jī)出口排出壓力）降低。當(dāng)排氣流量增加到一定程度時，排氣壓力下降非?？?，性能曲線幾乎是垂直下降。有兩種情況要關(guān)注：
·由于在壓縮機(jī)的“流道”某個截面處，氣流速度相當(dāng)高，首先達(dá)到音速。此時的氣體流量已經(jīng)達(dá)到臨界流量（w=a），氣流的馬赫數(shù)M=1，再降低管網(wǎng)中的氣流壓力已經(jīng)不能使流量再增加了。從而氣流的流量也已經(jīng)達(dá)到了最大值Qmax，這時再增加流量已經(jīng)成為不可能，就是所謂的堵塞工況。于是排氣壓力下降很快，表現(xiàn)在性能曲線圖上曲線呈直線下降趨勢。
·另外，雖然氣流速度未達(dá)到音速，但是由于進(jìn)氣流量增加，流動損失和沖擊損失增加很快，使得壓縮機(jī)所消耗的功全部用于克服損失，幾乎沒有能力提高氣體的壓力，因此再增加流量亦是不可能了。如果壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，那么偏離設(shè)計工況使損失增加越快，因此達(dá)到最大流量的可能性越大，造成性能曲線越發(fā)陡峭。實際上壓縮機(jī)的特性曲線是受到了最大流量的限制。
如果“關(guān)小”或關(guān)閉排氣閥A去增加管網(wǎng)阻力，壓縮機(jī)的排氣量就會減少，排氣壓力相應(yīng)有所增加。但是當(dāng)排氣量減少到一定程度時，排氣壓力就會出現(xiàn)波動，使得進(jìn)壓縮機(jī)的氣體流量也大幅度波動，機(jī)組進(jìn)入了“喘振”工況。一旦發(fā)生“喘振”，壓縮機(jī)就出現(xiàn)最小流量（這就是“喘振”工況下的排氣量）。主機(jī)受到最小流量的限制，如果主機(jī)轉(zhuǎn)速提高，特性曲線就向增大流量方向移動，所以最小流量極限也向增大流量方向移動。
由此可見，壓縮機(jī)有最大流量和最小流量的限制，再加上轉(zhuǎn)速的限制就構(gòu)成了離心式壓縮機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。這個范圍越大，說明壓縮機(jī)的特性越好。
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【壓縮機(jī)網(wǎng)】一、引言
氯氣壓縮機(jī)作為氯堿行業(yè)氯氣處理系統(tǒng)中核心設(shè)備之一，被廣泛應(yīng)用于氯氣的壓縮及輸送過程。大型離心式透平壓縮機(jī)一臺即可滿足年產(chǎn)25-30萬噸折百燒堿所產(chǎn)氯氣的壓縮及輸送任務(wù)。國產(chǎn)氯氣壓縮機(jī)正常情況下配備有備用機(jī)組，西門子及日本神鋼生產(chǎn)的氯氣壓縮機(jī)正常情況下不配備備機(jī)。在實際運(yùn)行過程中，氯氣壓縮機(jī)常常會出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，這不僅會影響設(shè)備的正常運(yùn)行，還會對設(shè)備造成嚴(yán)重的損害。因此，對氯氣壓縮機(jī)喘振的原因、危害及解決辦法進(jìn)行研究，具有重要的現(xiàn)實意義和工程應(yīng)用價值。
二、氯氣壓縮機(jī)的喘振簡介
對于離心式壓縮機(jī)來說，“喘振”是所有故障中危險性最大、最值得重視的特有故障。一般發(fā)生在壓縮機(jī)組較長時間處于不穩(wěn)定的工況條件下運(yùn)行的結(jié)果。
2.1“喘振”現(xiàn)象介紹
從“物理”的角度看，“喘振”是一種低頻率、高振幅的氣流壓力脈沖，這種具有一定能量的氣流脈沖的產(chǎn)生是由于氣流在壓縮機(jī)的“葉片擴(kuò)壓器”“流道”或者葉輪的葉道中發(fā)生了較為嚴(yán)重的邊界層分離和二次渦流現(xiàn)象，擴(kuò)及了整個壓縮機(jī)的“流道”。由于氣流的速度較大（葉輪出口處的氣流線速度為200米/秒），而輸送介質(zhì)氯氣又是屬于重氣體，因此氣流的沖擊損失急劇增加，同時氣流的有效工作能頭隨著氣體輸送量的減少而下降，氣流的阻力也隨之增加。正常情況下，氯氣壓縮機(jī)出口與下游工序之間的管道上設(shè)置有氯氣止回閥，如果機(jī)組出口的“止回閥門”有效，就會出現(xiàn)壓縮機(jī)的排氣會出現(xiàn)時有時無的跡象。如果機(jī)組出口的“止回閥門”失效，那么壓縮機(jī)出口將會發(fā)生時而向氯氣管網(wǎng)排氣，時而氯氣管網(wǎng)中的氣流倒灌入壓縮機(jī)“流道”的現(xiàn)象，氣流如此有節(jié)奏地周而復(fù)始的改變流向，便使壓縮機(jī)的氣流脈沖形成。這種強(qiáng)烈的氣流脈沖使得氯氣離心式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子與固定元件發(fā)生急劇地摩擦，從而機(jī)組發(fā)出巨大的轟鳴聲和嚴(yán)重的噪音。由于氣流的沖擊摩擦以及機(jī)械元件摩擦作用，再加上壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的高速度運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的撓度影響，機(jī)身會劇烈的振動。在這種氯氣離心式壓縮機(jī)所特有的不穩(wěn)定跳動的工況條件下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，若不采取措施予以制止，少則數(shù)秒鐘，多則數(shù)分鐘，整臺機(jī)器就會被全部毀壞，所謂的機(jī)毀人亡，這是不容忽視的故障。如果這個時候采取緊急停機(jī)措施，這一臺機(jī)器再也開不起來，因為轉(zhuǎn)子與固定元件全都粘在一起，轉(zhuǎn)不動了，也得報廢。
2.2“喘振”工況介紹
“喘振”是離心式壓縮機(jī)在不穩(wěn)定工況條件下運(yùn)行而發(fā)生的，那么一旦壓縮機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定工況區(qū)域下運(yùn)行就必然會發(fā)生“喘振”嗎？回答是否定的。因為“喘振”的發(fā)生不具有突發(fā)性，而是有一個能量積聚的過程（或者稱為工況改變過程），我們完全可以從一些控制的技術(shù)參數(shù)變化中發(fā)現(xiàn)它發(fā)生的可能性，由此采取必要的措施防止“喘振”發(fā)生；或者說已經(jīng)有“喘振”發(fā)生的前兆出現(xiàn)，及時采取應(yīng)急措施去消除影響，使工況條件改變，轉(zhuǎn)危為安。
在下面的壓縮機(jī)工作點原理中，將介紹壓縮機(jī)的性能曲線與氯氣管路的特性曲線的相交點就是壓縮機(jī)的工作點。并且工作點是處在壓縮機(jī)性能曲線的負(fù)斜率段（壓力與流量的性能曲線），也就是所謂的穩(wěn)定工況區(qū)域內(nèi)。一旦發(fā)生工作點的偏離也會自動返回到原來的出發(fā)點，這是離心式壓縮機(jī)的明顯特點。但是“喘振工況”與壓縮機(jī)的穩(wěn)定工況是截然不同的，它有兩個特點：
（1）氯氣離心式壓縮機(jī)組的性能曲線（壓力或者能頭與流量的性能曲線）在“喘振”工況條件下大多數(shù)呈現(xiàn)駝峰狀（即中間高、兩頭低），并在氣流量不為零處有個最高點，也就是性能曲線是一條有正、負(fù)兩個斜率段的曲線，不像穩(wěn)定工況條件下的壓縮機(jī)性能曲線的工作點始終處在負(fù)斜率段。“喘振”工況的工作點往往在性能曲線的正斜率段（氣流量小的那一段）。
?。?）壓縮機(jī)的輸送介質(zhì)為可壓縮的重氣體，并且與壓縮機(jī)相連的管路容積較大，完全具備積蓄和釋放能量的作用，這就為形成氣流的脈沖提供了方便。
從“喘振”工況的特性曲線可以看到，性能曲線的最高點S的左側(cè)為正斜率段（不穩(wěn)定工作區(qū)），右側(cè)為負(fù)斜率段（穩(wěn)定工作區(qū)），工作點W卻正好在不穩(wěn)定工作區(qū)?？梢宰C明的是發(fā)生壓縮機(jī)“喘振”時，通過壓縮機(jī)的是最小流量，而這時的氯氣管網(wǎng)中的“端壓”卻是很高的。一般壓縮機(jī)輸出的氯氣流量與管網(wǎng)中的氯氣用量應(yīng)該是相匹配、平衡的，供氣與用氣不會發(fā)生不平衡的矛盾。但是一旦某個用氣部門發(fā)生故障，減少了用氣量或者停止用氣，這樣管網(wǎng)中的氣流量就會積聚起來，使得管網(wǎng)中的氯氣“端壓”上升，一旦超過了壓縮機(jī)出口的排出壓力，壓縮機(jī)排氣就發(fā)生困難。壓縮機(jī)為了達(dá)到排氣的目的，必然會減少進(jìn)壓縮機(jī)的流量，就使壓縮機(jī)進(jìn)入了“喘振工況”。當(dāng)進(jìn)壓縮機(jī)的氣體流量達(dá)到了最小值時，機(jī)內(nèi)就發(fā)生了邊界層的分離和二次渦流，使得阻力大增，沖擊損失劇增。由于氯氣管網(wǎng)中積蓄能量的能力比較大，一旦釋放與積存就會產(chǎn)生氣流的脈動。
對于壓縮機(jī)來說，氣體的進(jìn)口流量減少到壓縮機(jī)無法維持規(guī)定的排出壓力時，也會發(fā)生波動。因此設(shè)計者著眼于防止壓縮機(jī)組進(jìn)入小流量、高端壓的不穩(wěn)定工況的出現(xiàn)。及時補(bǔ)充氣量和及時降低機(jī)組出口的“端壓”是防止“喘振”發(fā)生的根本途徑。
三、氯氣壓縮機(jī)喘振的原因
（1）流量過小
氯氣壓縮機(jī)在小流量工況下運(yùn)行時，由于進(jìn)氣流速過低，氣體在壓縮機(jī)內(nèi)部容易形成漩渦和回流，導(dǎo)致氣流的不穩(wěn)定，從而引發(fā)喘振現(xiàn)象。
（2）壓力波動
當(dāng)氯氣壓縮機(jī)出口壓力或管網(wǎng)壓力發(fā)生劇烈波動時，會導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部氣流的紊亂，進(jìn)而引發(fā)喘振。
（3）壓縮機(jī)內(nèi)部故障
如轉(zhuǎn)子不平衡、軸承損壞、密封失效等內(nèi)部故障，會導(dǎo)致壓縮機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，從而引發(fā)喘振。
（4）溫度過低
氯氣中間冷卻器冬季時，冷卻水溫度控制過低，過低的氯氣溫度會導(dǎo)致流量計算值發(fā)生偏離，防喘控制系統(tǒng)認(rèn)為流量嚴(yán)重偏離喘振控制線，導(dǎo)致防喘控制閥不停地不受控制地開關(guān)，致使出口壓力波動頻繁。當(dāng)單位時間內(nèi)壓力波動的速度達(dá)到一定的值時，會引發(fā)喘振。
四、氯氣壓縮機(jī)喘振的危害
（5）參數(shù)設(shè)置
氯氣壓縮機(jī)PLC控制器是氯氣壓縮機(jī)的大腦，PLC內(nèi)部關(guān)于參數(shù)的設(shè)置，對PLC而言起著關(guān)鍵性的判斷作用，比如正常流量和進(jìn)氣流量的判定，氯氣出口溫度、出口壓力的取樣反饋時間設(shè)置、出口流量的設(shè)置和進(jìn)口溫度及吸氣壓力的設(shè)置。
在PLC控制系統(tǒng)，現(xiàn)場采集的四個參數(shù)參與防喘控制器內(nèi)部的邏輯計算，如我司氯氣壓縮機(jī)分別是進(jìn)口的吸氣壓力PT2451、氯氣壓縮機(jī)出口的流量FT2459、出口排氣壓力PT2459、出口排氣溫度TISA2459。
參數(shù)在設(shè)置時，選取合適的采集時間非常重要，過度的縮小采集時間間隔反而不利于防喘控制閥動作，類似于PID控制原理，較小的采集時間間隔在發(fā)生壓力輕微波動時，PLC會引起較大的壓差/時間“斜率”判斷，造成頻繁發(fā)出喘振報警，達(dá)到一定次數(shù)自動停車。在原始設(shè)置中，采集時間由0.05s修改為0.08s，解決了此類頻繁觸發(fā)防喘報警的“誤報”問題。
?。?）設(shè)備損壞
這一點能夠很好地理解，氯氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的，正常情況下，一般達(dá)到10000～12000RPM，動平衡對其非常重要，從拆卸的轉(zhuǎn)子來看，轉(zhuǎn)子上焊接的一些“補(bǔ)丁”就是反復(fù)測試過程中廠商焊接上去用于解決動平衡問題的。
在《氯氣壓縮機(jī)中間冷卻器泄漏原因分析與對策措施》中我們講過，當(dāng)氯氣中水分或者硫酸霧未能處理合格，達(dá)不到氯氣壓縮機(jī)運(yùn)行要求時，會造成氯氣冷卻器設(shè)備的穿孔漏水，氯氣壓縮機(jī)葉輪的含水性腐蝕沖刷，氯氣中硫酸霧在葉輪上沉積，特別是進(jìn)口導(dǎo)葉閥行星控制齒輪上附著沉積，造成動平衡被破壞、失穩(wěn)。由于氯氣含水處理不當(dāng)導(dǎo)致的葉輪腐蝕，在初始階段會表現(xiàn)為隨著進(jìn)口導(dǎo)葉閥的開大，氯氣進(jìn)口壓力無法有效控制下降，氯氣壓縮機(jī)吸氣能力下降較快，同時水分檢測儀監(jiān)控的數(shù)據(jù)有上升趨勢。這種情況下，就一定要首先排除是否是氯氣含水超標(biāo)的問題，否則會造成氯氣壓縮機(jī)在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)子均勻沖刷腐蝕，徹底失去功能而報廢，這種過程往往較快。國內(nèi)曾有一家公司發(fā)生此類情況，氯氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在一周內(nèi)發(fā)生因含水超標(biāo)沖刷腐蝕報廢。
發(fā)生機(jī)械性損壞，可能造成的直接后果就是氯氣壓縮機(jī)上幾十個監(jiān)控參數(shù)會發(fā)生數(shù)據(jù)的漂移偏向異常，比如監(jiān)控氯氣壓縮機(jī)振動的X、Y方向的測振儀監(jiān)測的數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)子軸向水平方向串動的數(shù)據(jù)、異常磨損造成的油溫的升高、齒輪箱回油溫度的升高、油站過濾器的磨損雜質(zhì)堵塞等等。必須要注意的是，均勻腐蝕有時候并不會造成數(shù)據(jù)的嚴(yán)重偏移讓氯氣壓縮機(jī)自動觸發(fā)連鎖值停車。振動和位移參數(shù)觸發(fā)的停車只是為了防止機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重的震動，杜絕發(fā)生機(jī)毀人亡的事故發(fā)生。
機(jī)組發(fā)生損壞并不必然導(dǎo)致喘振，但嚴(yán)重的喘振往往會導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部部件的強(qiáng)烈振動，進(jìn)而引發(fā)軸承、密封等部件的損壞，縮短設(shè)備的使用壽命。喘振現(xiàn)象會使壓縮機(jī)的運(yùn)行效率降低，增加能耗，降低生產(chǎn)效率。
喘振現(xiàn)象嚴(yán)重時，如果是可燃?xì)怏w等，可能導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部發(fā)生壓縮部爆炸、解體等安全事故，對人員和設(shè)備造成嚴(yán)重的威脅；氯氣壓縮機(jī)如果發(fā)生解體事故，不但可能會造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故，還有很大概率造成環(huán)境污染事故。
五、氯氣壓縮機(jī)喘振的基本原理介紹
5.1高速運(yùn)轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速原理
氯氣離心式壓縮機(jī)同其他高速回轉(zhuǎn)機(jī)械一樣會產(chǎn)生一種常見的機(jī)械運(yùn)動——振動。其中防止系統(tǒng)產(chǎn)生共振是個十分重要的問題。下面介紹一下有關(guān)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象及振動原理。
對高速回轉(zhuǎn)的氯氣離心式壓縮機(jī)來講，轉(zhuǎn)子受材質(zhì)以及加工技術(shù)等因素的影響，不可能做到“絕對的平衡”；因此在“軸心”與“質(zhì)心”之間總有一個“偏心距”存在。在高速回轉(zhuǎn)之時，整個系統(tǒng)受到周期性的離心干擾作用而會產(chǎn)生振動。這時如果作用于轉(zhuǎn)軸的外來干擾力的頻率（即轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速）恰好與轉(zhuǎn)子的固有頻率相等或是相近的話，系統(tǒng)就會發(fā)生共振，出現(xiàn)劇烈的振動現(xiàn)象，這就是所謂的臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象。所以臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象實質(zhì)上就是共振現(xiàn)象。發(fā)生共振時的主軸轉(zhuǎn)速稱為軸的臨界轉(zhuǎn)速，數(shù)值上常常就是轉(zhuǎn)子的固有頻率。
一般來說，低速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械，不會產(chǎn)生臨界轉(zhuǎn)速問題；因為轉(zhuǎn)子的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。而臨界轉(zhuǎn)速問題主要是轉(zhuǎn)軸的橫向彎曲振動問題和扭轉(zhuǎn)振動問題。一般情況下，機(jī)械系統(tǒng)的彎曲振動頻率總是低于扭轉(zhuǎn)振動頻率，所以在提高機(jī)械的轉(zhuǎn)速時，首先遇到的是彎曲振動頻率。另外還會有“自激振動”現(xiàn)象，它是由摩擦、材料內(nèi)摩擦以及軸承中的油膜作用而引起的。這是在振動系統(tǒng)本身產(chǎn)生的“非線性激振力”作用下所引起的“自振”。要說明轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速現(xiàn)象，我們就要回顧一下有關(guān)振動的基本概念。
[1]振動頻率（frequency of vibrating）、周期（period）、振幅（amplitude）
任何一個物體都有一定的質(zhì)量和彈性，當(dāng)受到一種干擾、擾動或者按照一定的節(jié)奏的擾動持續(xù)作用下，就會作往復(fù)運(yùn)動，這就是振動的緣由。
例如：彈簧秤吊著重物，如果用手將重物往下拉一下，然后突然松開的話，重物隨同彈簧一起上下作著往復(fù)運(yùn)動，這就是振動。從平衡位置開始往復(fù)一次回到原來位置的時間，稱為周期。在單位時間內(nèi)往復(fù)的次數(shù)，稱為頻率。振動時物體離開原來位置所能達(dá)到的最大位移，稱為振幅。
[2]自由振動（free vibrating）
一個振動系統(tǒng)只受到初始的干擾后產(chǎn)生的振動稱為自由振動。在振動過程中，不受干擾力的作用。以彈簧秤為例：手拉一下就是初始干擾，在干擾消失之后，彈簧振動就由彈簧與物體（重物）組成的振動系統(tǒng)進(jìn)行了。這樣的振動就稱為自由振動。
[3]強(qiáng)迫振動（force vibrancy）
另外還有一種振動形式，就是振動系統(tǒng)的振動過程中始終受到一個周期性干擾力的作用，這種振動稱為強(qiáng)迫振動。顯然這種振動的頻率是和干擾力的頻率是一致的。對于氯氣離心式壓縮機(jī)組來說，轉(zhuǎn)子的干擾力有氣流的沖擊、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子同心度不準(zhǔn)的作用力（以上均為外來的干擾力）。另外轉(zhuǎn)子的不平衡產(chǎn)生的內(nèi)部離心力，這些干擾力都是周期性的作用于轉(zhuǎn)軸上。以單級壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子為例：
由于轉(zhuǎn)子的質(zhì)量m不平衡和偏心e所產(chǎn)生的離心力為：
Pc=meω2
式中：pc——離心力；
m——質(zhì)量（不平衡）；
e——偏心；
α——離心力和水平方向x軸的夾角，
α=ωt；
ω——角速度；
t——時間；
在水平方向x軸上的離心分力：pcx=meω2 cosα
在垂直方向y軸上的離心分力：pcy=meω2 sinα
pcx=meω2 cosωt；pcy=meω2 sinωt；
這就說明轉(zhuǎn)子的偏心和不平衡質(zhì)量的存在，使得主軸的徑向和軸向產(chǎn)生了兩個周期性變化的干擾力，這個干擾力與轉(zhuǎn)速的平方成正比，干擾力的圓頻率就是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角速度。干擾力迫使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生橫向的強(qiáng)迫彎曲振動。這樣的振動是壓縮機(jī)最為常見的問題，也就是主軸的臨界轉(zhuǎn)速問題。其實質(zhì)上就是使機(jī)械發(fā)生共振時的轉(zhuǎn)速。
實驗研究表明，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)子的固有頻率nc大致相等時，就會出現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子的振幅將隨之急劇地增長。（n/nc=1）從理論上來講，振動的振幅可以達(dá)到無窮大，由于實際上存在著阻尼，因此振幅不會無限制的增長；可是也已經(jīng)達(dá)到了非常大的數(shù)值了，足以引起主軸轉(zhuǎn)子的嚴(yán)重破壞。
轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速往往不止一個，它是與系統(tǒng)的自由度數(shù)目有關(guān)的。一般來說，一個轉(zhuǎn)軸帶有一個自由度系統(tǒng)，它就存在一個臨界轉(zhuǎn)速；兩個轉(zhuǎn)子就帶有兩個臨界轉(zhuǎn)速。對于帶有三個以上的轉(zhuǎn)子的壓縮機(jī)，就具有三個以上的臨界轉(zhuǎn)速和振型。以上純系忽略轉(zhuǎn)軸本身的質(zhì)量，將轉(zhuǎn)子看作為一個集中載荷，即轉(zhuǎn)子的重量大大高于轉(zhuǎn)軸的重量。從理論上來說。不帶轉(zhuǎn)子的軸具有無限多個自由度，也就是具有無限多個臨界轉(zhuǎn)速。但是工程上具有實際應(yīng)用價值的是最小的幾個臨界轉(zhuǎn)速。
一般來講，機(jī)械的工作轉(zhuǎn)速（由原動機(jī)或齒輪變速確定）是給定的，因此設(shè)計過程中需要先算出轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速，尤其是它的一、二階臨界轉(zhuǎn)速，以判斷轉(zhuǎn)子運(yùn)行是否在安全操作的范圍之內(nèi)。
5.2氯氣離心式壓縮機(jī)性能曲線
氯氣壓縮機(jī)的性能曲線可以直觀地看出氯氣壓縮機(jī)的出口壓力、進(jìn)口導(dǎo)葉閥開度所表征對應(yīng)的當(dāng)前狀況；防喘控制線直觀地指出了當(dāng)前所需最小氯氣流量，低于該值可能會引發(fā)喘振。
[1]壓縮機(jī)性能曲線的涵義
氯氣離心式壓縮機(jī)的性能曲線又稱“特性曲線”（speciality curve），它真實反映機(jī)組運(yùn)行時工況的變化。因為即使在恒定的轉(zhuǎn)速情況下，壓縮機(jī)的容積流量不可能是個“定值”，這就是“透平式”壓縮機(jī)與“容積式”壓縮機(jī)所不同之處。壓縮機(jī)的容積流量是隨著氯氣管網(wǎng)中壓力（背壓或稱為管網(wǎng)端壓）的不同而改變，也是隨著機(jī)器效率、功率的變化而改變。
為了真實反映機(jī)組運(yùn)行中工況條件變動以后機(jī)組性能的變化情況，通常把機(jī)組在不同流量流通情況下，機(jī)組的排出壓力（或壓力升高比）、功率和壓縮機(jī)效率的變化關(guān)系用曲線形式直觀表現(xiàn)出來，這些曲線就稱為機(jī)組或“級”的性能曲線。一般可以認(rèn)為整臺機(jī)組的性能曲線決定于每一級的性能曲線。性能曲線的橫坐標(biāo)通常用壓縮機(jī)的進(jìn)口容積流量作參數(shù)（此舉是便于不同機(jī)組的等同比較）；而對應(yīng)的縱坐標(biāo)則為機(jī)組的排氣壓力（絕對壓力）或者壓力升高比，這類“特性曲線”稱為“壓力曲線”。如果縱坐標(biāo)采用壓縮機(jī)的軸功率的話，就稱為“功率曲線”；也可以是壓縮機(jī)或者各級的效率，就稱為“效率曲線”。每一條曲線都對應(yīng)一個固定的轉(zhuǎn)速。
有了這樣的性能曲線，就可以根據(jù)客戶的要求，選配相應(yīng)的壓縮機(jī)，并且可以選配電動機(jī)。在壓縮機(jī)的運(yùn)行過程中，可以根據(jù)機(jī)組在管網(wǎng)的工況條件去分析機(jī)組的工作狀態(tài)，確認(rèn)其在安全、高效區(qū)工作，是否達(dá)到壓縮機(jī)設(shè)計工況的運(yùn)行點。
一般壓縮機(jī)的特性曲線是由制造機(jī)組的廠家依據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理繪制，所提供的技術(shù)說明都提供這樣的特性曲線，以供使用時參考。
[2]壓縮機(jī)性能曲線的特點
氯氣離心式壓縮機(jī)的性能曲線是多種類的，盡管有的壓縮機(jī)所標(biāo)的銘牌參數(shù)相同，諸如：轉(zhuǎn)速、排出壓力、進(jìn)機(jī)流量、軸功率等都相同，但是繪制出來的性能曲線卻有不同。下面把壓縮機(jī)性能曲線的特點分析一下。
?。?）決定性能曲線形狀的因素
在看壓縮機(jī)性能曲線時，就會發(fā)現(xiàn)曲線的形狀各異，曲線的曲率半徑大小也不一樣，這究竟是什么道理呢？為此我們只能從壓縮機(jī)的多變能頭hpol與“進(jìn)機(jī)流量”之間的關(guān)系分析起。多級壓縮機(jī)是由許多“級”組成的，每一級壓縮以后，氣流的壓力升高比并不是很高。如果不計氣體重度變化的話，我們用計算壓縮液體的靜壓頭所需要的能量頭方式近似計算壓縮機(jī)的多變壓縮能頭。
單位重量的氣體壓頭升高所需的能量：
hpol=（pK-pj）/γ
氣體的壓力升高比：
ε=1+γ/pj·hpol
由此可見，壓力升高比與流量的關(guān)系是和“多變能頭”與流量的關(guān)系相當(dāng)?shù)?。對于“后彎式”葉輪的壓縮機(jī)來說，多變壓縮能頭hpol與壓縮機(jī)的進(jìn)氣流量呈一次方關(guān)系（葉輪的幾何尺寸和圓周速度都為常數(shù)），就是隨著氣體的流通量增大而下降的直線AB。但是它忽略了流動過程中的“流道”損失部分。實際上由于“流道”中的氣流摩擦、沖擊等流動損失存在，氣體所得的多變壓縮能頭還需要從理論的壓縮能頭中減去這部分損失的能量。而氣體的流動損失和液體的流動損失一樣，都是和流量的平方成正比的，因此將理論能頭AB先減去流動損失成為A′B′，兩者之差就是流動損失值。另外，還要減去沖擊損失值（當(dāng)然沖擊損失只有在設(shè)計工況條件時才是最小的，而當(dāng)工況條件偏離設(shè)計工況時都要增加）；因此再從A′B′中減去沖擊損失Σhsh部分便得到A″B″曲線。（兩頭低、中間高的駝峰狀曲線）這就是hpol與流量的關(guān)系曲線。而壓力升高比形狀與其差不多。所以上述原因也就決定了壓力升高比與流量間的關(guān)系。通過上述分析可以得出結(jié)論：決定壓縮機(jī)性能曲線的形狀主要因素是葉輪對氣體作功的特性和氣體流動過程中損失的特性。
?。?）轉(zhuǎn)速增加對性能曲線的影響
上面已經(jīng)知道壓縮機(jī)性能曲線是由多變壓縮能頭hpol（葉輪對氣體作功的特性）和流動過程損失的特性Σhhyd決定的，因此凡是影響到氣體流動過程損失的因素自然會影響到壓縮機(jī)的性能曲線。而壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速影響是最為明顯的。因為壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速變化直接影響到氣流的圓周速度。
u2=πD2n/60
而理論壓縮能頭hth與圓周速度的平方成正比，也是與轉(zhuǎn)速的平方成正比。
hth=Ψu2·u22/g
當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加時，一方面機(jī)組的壓縮比（ε）及出口壓力（pK）將顯著增加；另一方面，使氣體流動的馬赫數(shù)M增加（這是氣流速度增大所致），就會使氣體流動的損失增加，使得穩(wěn)定工況范圍縮小；在相同流量的變動范圍內(nèi)，流動損失增加得更多，為此性能曲線將變得“更陡”。
從不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下性能曲線的示意圖中可以看出，當(dāng)氣體流量大到某一數(shù)值之后，性能曲線甚至接近垂直形狀。這是因為轉(zhuǎn)速增大、氣流的馬赫數(shù)也已相當(dāng)大；如果再稍微增加流量的話，就使馬赫數(shù)達(dá)到最大值，已經(jīng)是堵塞工況了，再增大流量已經(jīng)不可能了。
?。?）“級數(shù)”對壓縮機(jī)性能曲線的影響
在壓縮機(jī)的運(yùn)行過程中，前一級的工況條件改變總要引起下一級工況條件的更大程度的改變。譬如：前一級的進(jìn)口容積流量增加了5%，對于離心泵或者鼓風(fēng)機(jī)來說，該級的出口容積流量也增加相同的量。然而對于氯氣離心式壓縮機(jī)來說就不同了。因為隨著氣體流量的增加，級的出口壓力要低于原來值，會引起出口氣體的重度減少，使得該級出口的氣體容積流量或稱進(jìn)入下一級的氣體容積流量增加幅度遠(yuǎn)大于5%。由此就會引起下一級工況發(fā)生更大的變化，使得沖擊損失和流動損失增加更多些。對于多級的離心式壓縮機(jī)來說，它的各級特性曲線相似，如果串接以后，整臺機(jī)組的特性曲線顯然要比單級的特性曲線顯得“更陡”一些。在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越高的情況下，每一級的壓力升高比也越高；那么前一級的工況條件的變化引起下一級工況條件的變化程度越大，使得損失增加更多，這樣的話，性能曲線更為陡。
?。?）最大流量和最小流量的限制
一般氯氣離心式壓縮機(jī)的管網(wǎng)設(shè)置中包括機(jī)組的出口閥C（去分配臺）、排氣閥A（去除害塔）以及機(jī)組回流閥B（去機(jī)組進(jìn)口）。如果打開排氣閥門A的話，使管網(wǎng)中的阻力大為減少；機(jī)組的排氣量增加，排氣壓力（主機(jī)出口排出壓力）降低。當(dāng)排氣流量增加到一定程度時，排氣壓力下降非?？?，性能曲線幾乎是垂直下降。有兩種情況要關(guān)注：
·由于在壓縮機(jī)的“流道”某個截面處，氣流速度相當(dāng)高，首先達(dá)到音速。此時的氣體流量已經(jīng)達(dá)到臨界流量（w=a），氣流的馬赫數(shù)M=1，再降低管網(wǎng)中的氣流壓力已經(jīng)不能使流量再增加了。從而氣流的流量也已經(jīng)達(dá)到了最大值Qmax，這時再增加流量已經(jīng)成為不可能，就是所謂的堵塞工況。于是排氣壓力下降很快，表現(xiàn)在性能曲線圖上曲線呈直線下降趨勢。
·另外，雖然氣流速度未達(dá)到音速，但是由于進(jìn)氣流量增加，流動損失和沖擊損失增加很快，使得壓縮機(jī)所消耗的功全部用于克服損失，幾乎沒有能力提高氣體的壓力，因此再增加流量亦是不可能了。如果壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，那么偏離設(shè)計工況使損失增加越快，因此達(dá)到最大流量的可能性越大，造成性能曲線越發(fā)陡峭。實際上壓縮機(jī)的特性曲線是受到了最大流量的限制。
如果“關(guān)小”或關(guān)閉排氣閥A去增加管網(wǎng)阻力，壓縮機(jī)的排氣量就會減少，排氣壓力相應(yīng)有所增加。但是當(dāng)排氣量減少到一定程度時，排氣壓力就會出現(xiàn)波動，使得進(jìn)壓縮機(jī)的氣體流量也大幅度波動，機(jī)組進(jìn)入了“喘振”工況。一旦發(fā)生“喘振”，壓縮機(jī)就出現(xiàn)最小流量（這就是“喘振”工況下的排氣量）。主機(jī)受到最小流量的限制，如果主機(jī)轉(zhuǎn)速提高，特性曲線就向增大流量方向移動，所以最小流量極限也向增大流量方向移動。
由此可見，壓縮機(jī)有最大流量和最小流量的限制，再加上轉(zhuǎn)速的限制就構(gòu)成了離心式壓縮機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。這個范圍越大，說明壓縮機(jī)的特性越好。
〈注：本文未完待續(xù)，更多精彩見下期！〉
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