離心式空氣壓縮機喘振故障分析與控制預防
                鐘瑞明
                           (凡口鉛鋅礦,　廣東韶關市　512325)

    摘　要:主要介紹英格索蘭離心式空壓機喘振的形成及表現形式,分析指出喘振故障產生的主要原因有葉輪磨損或粘附物太多、擴壓器腐蝕磨損、葉輪與擴壓器之間的間隙變化、空氣冷卻器和水汽分離器(過濾器)變臟、空壓機進氣口空氣溫度變化、空壓機進氣口箱式進氣過濾器變臟等,并針對以上原因提出了相應的控制和預防措施。
    關鍵詞:離心式空壓機;喘振;故障診斷;設備維護
    目前,凡口鉛鋅礦主要使用的高壓風生產設備是由美國英格索蘭公司生產的三級壓縮離心式空氣壓縮機。其工作過程中,在一定的工況條件下,有一個設備危害現象———喘振,如何防止和控制喘振的產生,對于日常使用和維護是非常重要的。
    1　喘振的形成和表現形式
    喘振是離心式空壓機運行在某一工況下產生的特有現象。當進入空壓機的空氣流量不能使空壓機產生足夠的壓力,以至于外部系統(外部管路)的壓力大于空壓機內部的壓力,導致逆止閥關閉。這時,空壓機沒有輸出,空氣在空壓機內部積累,壓力不斷增加,直到積蓄的壓力大于外部系統的壓力時,空壓機內部壓力沖開逆止閥排出。氣體排出后由于沒有足夠的空氣使空壓機維持連續的輸出,空壓機內部壓力下降,逆止閥關閉,空氣重新在空壓機內部積累,直到積累的壓力足夠時,再次排出,如此反復,導致輸出的壓力和電機負荷劇烈波動、逆止閥頻繁動作,機器發出砰砰的聲音,這種現象就叫喘振。
    2　喘振故障分析
    離心式空壓機有一種喘振現象叫做自然喘振,是指壓力已經達到空壓機可以壓縮的最大值時產生的喘振。這可以通過在使用過程中設定空壓機的卸載壓力小于標定壓力來避免喘振。因此,本文分析的喘振故障不包含自然喘振。
    空壓機喘振本質上是因為進入空壓機的流量不足以使空壓機產生足夠的壓力,以至于外部系統(外部管路)的壓力大于空壓機內部的壓力,因此,筆者認為,產生喘振故障主要可以通過以下幾個方面來分析。
    (1)空壓機葉輪磨損或者粘附物太多。空壓機葉輪通過自身的曲線槽結構和高速旋轉來增加空氣的壓力和速度,空壓機大概有2/3的壓力增加都是通過葉輪產生的。當某一級葉輪磨損或粘附物太多時,都會改變葉輪自身的曲線槽結構,降低葉輪增加空氣壓力和速度的能力。葉輪磨損越嚴重或粘附物越多,越容易導致空壓機產生喘振故障。
    (2)空壓機擴壓器腐蝕磨損。空氣經過高速旋轉的葉輪產生高速高壓后,經過靜態的擴壓器時,擴壓器內特殊設計的曲線腔壁能把空氣的流速降低,壓力再一次增加,一般約有1/3的壓力是在擴壓器內提高的。當擴壓器內特殊設計的曲線腔壁腐蝕磨損比較嚴重時,高速的空氣經過擴壓器時就容易形成渦旋,進氣量就會減少,無法提高空氣壓力,導致空壓機的輸出壓力降低,從而容易形成喘振。
    (3)葉輪與擴壓器之間的間隙變化。英格索蘭離心式空壓機對葉輪與擴壓器之間的間隙有著非常嚴格的要求。間隙過大會發生泄漏串氣,導致空氣流量減少;間隙過小,通過的空氣流量變小,同時在后端推力軸承磨損的情況下,容易發生葉輪與擴壓器碰撞的設備事故。因此葉輪與擴壓器之間的間隙過大和過小都會造成空氣流量變小,使空壓機無法提高輸出壓力,從而形成喘振故障。
    (4)空氣冷卻器和水汽分離器(過濾器)變臟。
    經過壓縮后的空氣不但壓力和速度都增加,而且溫度也升高不少,因此每一級缸體內都裝有空氣冷卻器和氣水分離器,氣體進入下一級壓縮前都必須經過冷卻器冷卻和過濾掉空氣中含有的水份。英格索蘭離心式空壓機設計采用的是內置管殼式冷卻器,氣體經壓縮后進入內置于每一級氣缸的冷卻器冷卻,被壓縮的氣體走密集布置的管程,冷卻水走殼程。而且管束內設有網狀內翅片,以增大散熱面積,使氣體經過的管束置于流動的冷卻水中達到冷卻壓縮氣體的目的,同時,冷卻器后端裝有盤絲一樣的水汽分離器,使得通過冷卻器的雜質要很小很小。而在實際運轉過程中,空氣中細小的灰塵以及空壓機本身磨損產生的微粒很容易粘附在冷卻器和水汽分離器內,造成冷卻器和水汽分離器的部分堵塞,導致空氣流量減少,空壓機輸出壓力不足,形成喘振現象;另一方面,當冷卻水水質變差或變臟時,容易在冷卻器內造成冷卻水堵塞,影響冷卻水流動,降低壓縮氣體冷卻效果,影響到空壓機的空氣容積率(一定質量的空氣體積與溫度成正比,溫度越高,空氣密度降低,空壓機實際壓縮的空氣流量減少),導致空壓機輸出壓力不足,形成喘振現象。
    (5)空壓機進氣口空氣溫度變化。英格索蘭空壓機設計上的壓縮量是指在25℃,一個標準大氣壓的條件下的壓縮量,而實際上的空氣溫度是時常變化,不以人的意志而改變的。同樣道理,根據氣體狀態方程P1V1/T1=P2V2/T2可知,恒壓的條件下,在溫度升高時,空氣密度降低,空壓機實際壓縮的空氣流量減少,導致空壓機輸出壓力不足,形成喘振現象。實際使用過程中,夏季比冬季更容易發生喘振現象就可以說明這個原因。
    (6)空壓機進氣口箱式進氣過濾器變臟。英格索蘭空壓機采用的是二級板式進氣過濾器,允許通過的雜質在2μm以內。因此,空氣中的灰塵雜質很容易吸附到過濾器里,造成過濾器部分堵塞,導致空壓機進氣量減少,引起空壓機輸出壓力不足,形成喘振故障。
    3　喘振故障的控制和預防
    3. 1　喘振的控制
    為了控制和預防喘振的發生,英格索蘭的離心式空壓機設計了節流極限(TL)。即當進氣閥關小,馬達電流也會下降,進氣閥關小至喘振發生時,這時的馬達電流叫做節流極限。
    TL值設定后,空壓機運行到TL值時,進氣閥自動調整到一定角度,同時旁通閥自動打開,通過釋放一部分壓縮空氣到大氣,使空壓機得到維持連續流動的空氣流量,就可以控制空壓機不發生喘振。這個過程是由機器的控制系統———中央微處理器(CMC)來完成的。由于各種原因,CMC不可能萬無一失。當操作者聽到空壓機發出砰砰的響聲時,可以判斷空壓機正在發生喘振。這時應立即手動卸載空壓機,否則機器將被損壞。
    3. 2　喘振的預防
    喘振的控制方式降低了空壓機的設定壓力,會使空壓機產生的壓力達不到用戶所需系統壓力,而且TL值受空氣溫度、設定壓力、系統負荷變化等因素的影響較大。當這些因素變化時,先前設定的TL值就有可能失效,喘振仍有可能會發生。同時當以上喘振故障分析的原因影響很大時,也會引發喘振的發生。因此,在實際使用過程中,必須對以上喘振故障的原因有針對性的加以預防。
    (1)空壓機葉輪磨損或粘附物太多。英格索蘭空壓機的葉輪是用高質量15-5PH不銹鋼加工而成,除非后端推力軸承磨損導致葉輪與擴壓器碰撞而產生磨損,通常葉輪很少發生磨損或腐蝕現象。一旦發生這種情況,因為葉輪是高速旋轉的,必須通過專業部門修復,并做動平衡實驗決定是否可再用。而粘附物跟使用環境有密切的關系,所以必須根據使用環境定期對葉輪上的粘附物進行清理。
    (2)空壓機擴壓器腐蝕磨損。擴壓器因為接觸的是高溫、高濕度的壓縮空氣,而且擴壓器材質也一般,所以很容易發生被腐蝕和磨損。因此,必須定期檢查擴壓器,發現有腐蝕磨損現象時,及時進行修復和防腐蝕處理。當擴壓器腐蝕磨損嚴重時,必須及時更換新的擴壓器。
    (3)葉輪與擴壓器之間的間隙變化。葉輪與擴壓器之間的間隙是一項要求非常嚴格的技術參數,對空壓機的性能起著非常重要的作用。一般情況下,葉輪與擴壓器之間的間隙不會發生變化,只有當后端推力軸承磨損或擴壓器腐蝕磨損時才會發生。因此,要求每年都對間隙進行檢查,發現因后端推力軸承磨損而導致變化的,可以通過后端的墊片進行調整,使間隙達到規定的數值范圍內。如果是因擴壓器腐蝕磨損,可以對擴壓器進行修復,但如果擴壓器腐蝕磨損嚴重,則必須更換擴壓器來達到保持間隙要求。
    (4)空壓機的冷卻器和水汽分離器變臟、空壓機進氣口箱式過濾器變臟。這幾個部件變臟都將導致空壓機氣路的部分堵塞。空壓機的冷卻器和水汽分離器因結構復雜,清潔非常困難。英格索蘭公司專門配有一種清洗溶液,把冷卻器放到溶液里浸泡12 h,可以達到清潔的目的。水汽分離器清潔無需特別設施,只要認真逐層清潔即可。而箱式過濾器由于安裝在空壓機進氣口,方便檢查和拆裝,可以定期檢查,發現變臟及時拆除進行清洗。至于冷卻水,可通過空壓機外部水路加裝過濾器,或者使用干凈的水源進行空壓機的冷卻,可以防止冷卻水水路堵塞。
    (5)空壓機入口空氣溫度變化。空氣溫度隨著季節變化而變化,只有采取適當措施減少溫度變化幅度,如將空壓機安裝在室內、加高房頂和增加室內空間等。如采取以上措施還會發現喘振,只有適當降低排氣壓力來控制喘振的發生。
參考文獻:
[1]齊大信.通用機械[M].北京:化學工業出版社, 2004.
[2]李　云,姜培正.過程流體機械[M].北京:化學工業出版社,2008.
[3]伍悅濱,朱蒙生.工程流體力學泵與風機[M].北京:化學工業出版社, 2006.
[4]郭洪波.離心式空壓機喘振事故分析[J].油氣田地面工程,2004, 23(6): 37~37.
[5]魏　龍,常新忠,滕文銳.離心壓縮機喘振分析及實例[J].通用機械, 2003, (7): 38~41.
[6]田春波.離心式壓縮機的防喘振控制[J].石化技術, 2007, 14(1): 44~46.
作者簡介:鐘瑞明(1983-),男,江西瑞金人,助理工程師,從事礦山機械設備管理工作,Emai:l read0797@ sohu. com。