变频调速在离心压缩机喘振控制中的应用

1变频调速在离心压缩机喘振控制中的应用摘要：从喘振产生机理出发找出喘振发生的先决条件。通过对常用喘振控制方法的分析，指出其中的不足，并提出变频调速-旁通回流的喘振控制方法。应用流体机械相似定律及电工学原理，阐明变频调速原理，结合图形论述其控制过程，最后对变频调速—旁通回流方法进行经济性分析，指出变频调速—旁通回流喘振控制方法的科学性和经济性。关键词：离心式压缩风机；变频调速；喘振；经济性1喘振1.1喘振现象当压缩机在运转过程中，流量减小到一定程度时，就会在压缩机流道中出现严重的旋转脱离，流动严重恶化，使压缩机出口压力突然严重下降。由于压缩机总是和管网系统联合工作的，这时管网中的压力并不马上减低，这时管网中的气体压力就反大于压缩机出口处的压力，因而管网中的气体就倒流向压缩机，一直到管网中的压力下降至低于压缩机出口压力为止，这时倒流停止，压缩机又开始向管网供气，压缩机的流量又增大，压缩机又恢复正常工作。但是当管网中的压力也恢复到原来的压力时，压缩机的流量又减小，系统中气体又产生倒流，如此周而复始，就在整个系统中产生了周期性的气流振荡现象，这种现象称为“喘振”[1]。1.2产生喘振的先决条件从喘振现象可知，影响喘振的因素有：(1)流量；(2)转速；(3)管网特性。其中流量是导致喘振的先决条件，因为当压缩机越过最小流量值时，就会在流道中产生严重的旋转脱流和脱流区急剧扩大的情况，进而发展到喘振状态。对于不同的转速，压缩机的性能曲线呈现出不同的性能，转速越高，性能曲线向右上方移动，越容易发生喘振，反之亦然。管网的容量愈大，则喘振的振幅愈大，频率愈低；管网的容量愈小，则喘振的振幅愈小，频率愈高。2喘振控制方法从以上分析可知，要避免压缩机进入喘振状态就必须使压缩机流量大于最小流量值。这是从破坏产生喘振先决条件的角度出发的。现有的喘振控制方法归纳起来主要有以下3种。2.1固定极限流量法其原理是：根据压缩机的运行状态按经验确定一个流量最小值，当流量减小到该值时，流量传感器就会输出启动信号，使与压缩机进出口相连的旁通阀开启工作，从而使压缩机流量不再减小，也就避免了压缩机由于流量过小而进入喘振区域。很明显这种方法的制造成本最低，这也是它最大的优点，但它的缺点是很明显的：它不能充分使压缩机工作在其工况区，往往过早启动防喘振系统，浪费了能源，降低了经济效益。2.2可变极限流量法其原理是：压缩机转速变动时，喘振点的变化轨迹(喘振界限线)大致是一条二次抛物线，为防止喘振发生，考虑安全裕度，可以按喘振界限线得到与其平行的一条控制线，以控制防喘振阀的启闭，从而在不同的转速下，使压缩机运行的安全裕度相同，不造成浪费。对于压缩机进气状态变化较小的情况常采用这种控制方法。2.3通用性能曲线控制法其原理是：考虑压缩机在某些特殊场合进气状态变化较大的情况，利用相似原理将压缩机的性能曲线转换成不受进气状态影响的通用性能曲线，根据相似原理，转换后的通用性能曲线形状与原始曲线相似，因此后者喘振点的变化轨迹大致也是一条二次抛物线，所以可以确定一条与喘振界线平行的控制线来控制防喘振阀的开启来保证压缩机流量不小于最小流量点，也就避免了压缩机进入喘振状态。3变频调速―旁通回流喘振控制法通过以上分析可以通过转速的调节，管网特性的调节来影响喘振的发生。对于管网的调节，笔者认为不太合适，因为它涉及管网中阀门的调节，而阀门调节所损耗的能量是白白浪费的，并不能得到有效利用，_______________________收稿日期：2008-05-26阜新市1230002特别对于大容量的管网，其能量的损失更不能估计了。而对于以上3种控制方法，它们都有一个共同特点，就是当所需流量减小到最小流量值时就会开启连接在压缩机进出口的喘振控制阀，回流部分流量，实际上也通过了阀门调节而无形中损失了能量。3.1变频调节原理由相似定律可知，当改变离心压缩机的转速n时，其效率基本不变，但流量、压头及功率都按下式改变[2]：3mmmmQpNnQpNn===(1)按式（1）可将压缩机在某一转速下的性能曲线p-Qm换算成另一转速下的新的性能曲线p-Q。它与不变的管路性能曲线CE的交点（即工作点）由A点变至D点，则压缩机的流量由QA变至QD(图1)。由电工学得，异步电机的理论转速n(r/min)为60(1)/nfsP=-(2)式中f为电源频率；P为电机磁极对数；s为电机转差率。从式（2）看出，改变电源频率即可改变电机的转速，从而达到调节流量的目的。PmPAEnmPDnQDQACPAPDP0Q图1改变离心压缩机性能曲线的调节法由系统的运行情况可知，设备在开始运行时负荷最大，由流量传感器经调节器至微机，由微机控制变频器，使变频器输出的频率上升，电动机开始旋转并使转速逐渐升高至最大。当负荷减小，这时利用微机控制变频器，使变频运行的电动机按照系统中预先设定的程序进行运转，即降低电源频率，从而降低电动机的转速，让设备继续在低负荷运行，达到所需的流量要求。这样，节电率一般在20%～30%。变频装置的调节范围可达20:1，且可基本保持异步电动机特性。3.2变频调节的极限性及补救措施压缩机的转速不能无限制地下降，当下降到一定程度时，由于分离损失的影响会使压缩机性能严重恶化，效率明显降低，功耗明显上升，并引起压缩机振动，严重影响压缩机的运行，因此变频调速范围一般为1.1n~0.6n。如图3所示，当转速调节到0.6n以下时，就不能运用改变转速的方法来调节流量了，只能用上面所述的3种方法来进行调节，以保证所需小流量及确保压缩机流量总大于最小流量值。3.3变频调节喘振控制过程如图2所示，当压缩机运行时，由转速传感器将信号输入到微机中，根据微机中设定好的转速对应值确定该转速下的最小流量。当流量传感器输入新的信号时，根据相似原理确定新流量下所需的转速，然后判断该转速是否在允许调节范围内。如果Yes，微机将输出转速调节信号进行调速；如果是No，将进行通用性能曲线控制法进行喘振控制，微机将输出允许范围内的最低转速调节信号，并输出该转速下的回流量，以达到流量调节的目的，保证了压缩机安全运行。3BA喘振裕度喘振控制线喘振线CD可利用度FGHIE所需流量转速传感器输出转速调节信号进行调速Y通用性能曲线控制法N判断是否在转速调节范围内流量传感器确定该转速的最小流量根据相似原理确定所需流量的转速值图2变频调速—旁通回流喘振控制原理图3.4变频调节喘振控制方法经济性分析如图3所示，假设压缩机开始工作于C点，则对应的流量为Qc，现在需要流量为QA，则对应的工况点为A点，由于A点处于喘振控制线的左侧，即进入喘振调节区，因此不能通过改变管网曲线的方法进行调节，这时如果采用调节回流阀可以达到目的，但要回流DA之间的流量，而这些流量所带的能量将消耗在该阀门上，造成能量浪费。如果采用变频调节，将转速调节到B点所对应的转速，这时工况点处于B点，该流量也即为所需流量，达到调节目的，也节省了eD的压力能，而且转速下降为0.7n，压缩机所消耗的功率大为降低，节能效果非常明显。对于管网曲线BC，可利用度为FIEF，对于管网曲线DE，可利用度为GHEG，比前者多出GHIFG。显然，对于越陡的管网曲线，采用变频调速—旁通回流的方法节能效果越明显。eeD11.1/nRT1/nRT10.9/nRT10.8/nRT10.7/nRT10.6/nRTQAQC1/VQRT图3离心压缩机通用性能曲线图44结论节约能源是当今流体机械发展的主要方向，也是社会的要求。从以上分析，变频调速—旁通回流不但能防止喘振的发生，而且大大减少压缩机能耗，避免了常用喘振控制方法不必要的能量损失。随着变频技术日趋成熟，其应用范围将越广泛。因此变频调速—旁通回流喘振控制法具有积极的推广意义。参考文献[1]徐忠.离心式压缩机原理[M].北京：机械工业出版社，1989：173-174.[2]余华明.制冷流体机械[M].北京：人民邮电出版社