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        空壓機喘振問題導論

        迄今為止,大型工業用的空氣壓縮機主要有兩種類型:螺桿式空氣壓縮機和離心式空氣壓縮機。 其中,離心式空氣壓縮機因其簡單、緊湊、效率更高和價格更低而變得更具吸引力。

        然而,離心式空氣壓縮機在小流量條件下可能會引起破壞性喘振。 運行過程中,當進口流量減少到一定值時,氣體將無法粘附在旋轉的葉輪上,從而出現旋轉分離的現象。 分離后,由于氣體不能被葉輪推動,空壓機腔內的壓力會下降。 此時,出口側壓力較高的氣體會因壓力差而流回腔內。 當空壓機的流量得到補充時,葉輪又可以恢復對氣體做功的能力,將倒轉的氣流再次排出。 如果入口處的氣流供應跟不上,就會導致型腔內的壓力持續下降,重復上述異常過程。 這種現象就是離心式空壓機的喘振。

        喘振故障會對空壓機本身產生不利影響。 例如,由于強烈的脈動和周期性振蕩,使葉輪產生強烈的振動,使葉輪的應力大大增加,噪聲增大。 嚴重時可能會損壞軸承和密封件,從而引發嚴重事故。 此外,喘振還會導致工廠系統空氣子系統供應不穩定,導致氣體匱乏,導致系統輸出性能下降。 考慮到常見的工況中,怠速、低速場景占據較大比例,壓縮機功率較小,所需空氣流量較低。 此時這種小流量工況很容易造成離心式空壓機喘振故障。

        因此,必須對離心式空壓機進行實時診斷,特別是當其運行過程中出現喘振趨勢時,應根據實時診斷結果及時采取相應措施,防止喘振的發生。 目前工程中廣泛采用的防喘振方法可分為固定極限流量法和可變極限流量法兩種。 前者主要固定單一的極限流量,無論空壓機轉速和壓力比如何,當實際流量小于該極限流量值時,旁通閥位于 離心式空氣壓縮機的出口打開。 這種方法適用于轉速范圍不大的離心式空壓機,因為轉速變化大意味著流量變化大,流量限制一般設置為較高的值。 當根據需要調節離心式空壓機的轉速,使流量降低到流量極限值以下時,防喘振閥根據控制策略打開,此時部分空氣通過旁通閥,造成離心式空壓機能量的浪費。 第二種變極限流量法克服了前者效率低的缺點。 根據現場實際的喘振線,設置包含可變限制流量的防喘振線(也稱為可變限制流量線)。一旦離心式空壓機的工作點觸及防喘振線,則認為有出現喘振的趨勢。 基于這條可變的限制流量線,控制器可以根據測量的流量和壓力比以及限制流量線在喘振線上的位置關系來確定旁通閥的開啟和關閉,從而防止喘振的發生。

        初始防喘振線是根據空壓機制造商在特定實驗條件下獲得的喘振數據得出的。但在工程應用過程中,由于系統管路不同、運行環境不同或離心式空壓機老化等因素,會出現防喘振線漂移的現象。因此,現實中通常需要通過多個壓力、流量和溫度傳感器實時測量空氣介質的狀態,以校正防喘振線。目前,離心式空壓機喘振點檢測方法主要集中在四種方法,分別是實驗檢測法、信號處理檢測法、非線性建模法和人工智能法。另外,有學術研究提出信號處理和模式識別方法,從離心式空氣壓縮機的振動或聲音信號中提取特征信息,并離線訓練一定的神經網絡來識別喘振狀態或喘振發生趨勢。但運行一段時間后,管道流阻變化、機械部件老化等因素也會導致離心式空壓機的脈沖頻譜和喘振線發生漂移, 離線訓練的神經網絡模型會出現誤判。 此外,振動或聲音信號的特征信息提取需要額外的一組加速度或聲波傳感器,這增加了系統的成本和復雜性。

        總而言之,在空壓機控制領域,喘振是各大廠商不能回避的問題,如何在安全、性能、效率三者之間做平衡仍然是一個需要結合學術與實踐一起解決的行業問題。