深圳市庫馬克新技術有限公司 羅自永 李瑞常
摘要:喘振現象是具有駝峰型特性的風機、壓縮機、泵類設備的固有特性。本文分析了喘振的具體現象和其發生的根本原因，研究了風機、泵類設備變頻節能和防喘振的基本原理，并介紹了一個利用“變頻節能與防喘振協調控制器”實現高壓風機、壓縮機和泵變頻調速運行的具體方案。
關鍵詞：風機 泵 變頻節能 喘振
一、概述：
近年來，隨著高壓變頻器設計技術和制造技術的不斷完善，高壓變頻器的可靠性已得到很大提高，高壓變頻節能技術已開始進入全面推廣階段，我國目前正掀起一個推廣應用高壓變頻節能技術的熱潮。
值得注意的是，高壓容量風機、泵類設備應用變頻器進行改造后，由固定轉速運行方式進入變速運行方式，設備的運行狀態發生了變化，會帶來諸如機械共振、喘振、潤滑不良、絕緣損傷等一系列問題。尤其是大容量離心壓縮機、離心鼓風機、離心泵等設備，駝峰型特性的存在，使其不可避免地會出現喘振問題。大容量風機、泵類設備進行變頻改造時，其可能出現的喘振問題必須引起足夠的重視，稍有不慎，將會引發惡性設備事故，造成數百萬元的經濟損失。
多年的變頻節能實踐告訴我們，對于具有駝峰型特性的高壓大容量離心壓縮機、離心鼓風機、離心泵等設備，實施變頻節能改造時，必須同時考慮如下幾個方面的控制問題：
1、流量或壓力控制系統
設備變頻調速的目的是結合工藝，滿足工藝提出的流量或壓力控制要求，同時實現設備的節能運行，這就要求設置一套流量或壓力自動控制系統。
2、防喘振控制系統
喘振現象對設備危害極大，必須專門設置一套防喘振控制系統，確保設備運行安全。
3、油路控制系統
大型壓縮機、風機和泵類設備都配有一套供油系統，如軸承密封油、潤滑油、閥門的控制油等，需要設置一套油壓、油溫的控制和聯鎖報警系統。對于那些原使用同軸油泵的設備，還必須考慮調速后油壓下降可能造成的危害，需另外設置獨立的工作油泵。
4、綜合故障監控系統
大型設備如化肥廠氨壓縮機，因其功率大，轉速高，又是單機運行，是工廠的核心生產設備，它的安全運行至關重要，其運行參數如壓力、溫度、振動、噪聲、軸向推力、軸向位移等必須嚴格監控，并與調速控制系統聯鎖，因此有必要設置綜合故障監控系統。
需要指出是，上述四個控制系統不是孤立的，它們應該相互聯系起來，才能實現整個系統的協調控制。一種新型的全自動控制系統現已推出，稱之為“變頻節能與防喘振協調控制器”，它具有上述四個控制系統的全部功能，是一個小型化、高度自動化的多功能控制裝置。
二、風機、泵變頻節能原理
固定轉達速運行的風機和泵類設備為實現工藝要求的流量或壓力控制目的，往往采用閥門節流、排空、旁通回流等負荷控制方式，這些控制方式都造成大量的能量損失。先進的變頻調速控制方案通過改變風機或泵的轉速來實現工藝要求的流量或壓力控制目的，無閥門節流損失，亦無排空或旁通回流損失，節省能源消耗。
下面以泵為例，說明變頻調速的節能原理。圖一和圖二給出了閥門調節和變頻調速兩種控制方式下泵的壓力－流量(H-Q)關系及功率一流量（P-Q)關系。“@”+zt8.as2
其中，曲線１是泵在額定轉速下的H-Q曲線，曲線２５是泵在某一較低速度下的H-Q曲線，曲線３是閥門開度最大時的管路H-Q曲線，曲線４是某一較小閥門開度下的管路H-Q曲線。可以看出，當實際工況流量由Q1下降到Q2時，如果在泵以額定轉速運轉的條件下調節閥門開度，則工況點沿曲線１由A移動到B；如果在閥門開度最大的條件下用變頻器調節泵的轉速，則工況點沿曲線３由A點移動到C。顯然，B點與C點的流量相同，但C點泵的壓頭要比B點泵的壓頭小得多，即是說，泵在變頻調速運行方式下，節能效果顯著。
圖二中曲線5為變頻控制方式下泵的P-Q曲線，曲線6為閥門調節式下的P-Q曲線，可以看出，在相同流量下，變頻控制方式比閥門調節方式能耗更小，二者之差可由下述經驗公式表示：
△P=(0.4+0.6Q/Qe-(Q/Qe)3)Pe
其中，Q為實際負載流量，Qe為額定負載流量，Pe為額定負載功率，△P為功率節省值。
不難看出，當負載流量下降到其額定流量的50%時，節電率將達到57.5%。
三、喘振現象及原因
具有駝峰型特性的壓縮機、風機和泵在運行過程中，當負荷減小，負載流量下降到某一定值時，出現工作不穩定現象。這時流量忽多忽少，一會兒向負載排氣，一會兒又從負載吸氣，發出如同哮喘病人“喘氣”的噪聲，同時伴隨著強烈振動，設備上安裝的壓力表、流量表等指示儀表大幅度擺動，并引起管道、廠房振動，設備發出周期性的、間斷的吼叫聲，這種現象稱之為喘振。
發生喘振現象的根源是離心壓縮機、離心風機、離心泵所具有的駝峰型特性。圖三給出了具駝峰型特性的離心鼓風機的工作特性曲線。
圖中，曲線１是離心鼓風機在某一轉速下的特性曲線，代表出口絕壓P2和入口絕壓P1之比與風機流量之間的關系，是一個駝峰曲線，駝峰點M處的流量為Qm。曲線２是管路特性曲線，正常工作點為A。可以看出，在駝峰點右鍘，工作是穩定的。因為任何偶然因素造成的工作點波動（例如流量增加），對于鼓風機特性曲線１而言，壓力會減小，而對于管路特性曲線２而言，壓力會增加，這兩個相互矛盾的結果最終會使工作點返回到原來的位置，在駝峰點M的左側，這種情況正好相反，任何偶然因素造成的工作點波動將使沿鼓風機特性曲線１上的壓力變化趨勢與沿管路特性曲線２上的壓力變化趨勢具有完全的一致性，其結果加劇了工作點的偏移，使之不能返回到原來的工作點上，鼓風機的工作出現不穩定情況。
因此，駝峰點M右側的區域為穩定工作區域，駝峰點M左側的區域為不穩定工作區域。負荷下降使處于駝峰右側的工作點向駝峰點靠近，工作點越靠近駝峰點M，越會出現工作不穩定的可能性，駝峰型特性是發生喘振現象的主要原因。"@"+zt81 "@"+zt82
四、防喘振控制思想
圖四給出了鼓風機在不同轉速下的特性曲線，可以看出。轉速不同，相應的駝峰點和駝峰流量也不同。轉速越低，駝峰點越向左移，駝峰流量越小。把不同轉速下的駝峰點連接起來，就構成了一條曲線，曲線右側為穩定工作區，曲線左側為喘振區。我們稱駝峰流量為極限流量，相應的駝峰點連接曲線被稱為喘振極限線。
顯然，只要在任何轉速下，都能控制鼓風機的流量，使其大于極限流量，則鼓風機便不會發生喘振問題。這就是防喘振控制的基本思想。
考慮到吸入氣體的狀態如壓力、溫度、密度等都會引起鼓風機特性曲線的微小變化，因此應考慮一定的安全容量，確保實際工作點不致于太靠近喘振極限，以免發生喘振事故。
常用的流量控制方法有：調速一旁路回流法，調速一排空法，調速一間歇啟停法。其中以調速一旁路回流法節能效果最好。
五、變頻節能與防喘振控制
如前所述，風機、泵類設備變頻調速運行，可以大幅度節省能耗。運行速度越低，壓力和流量越小，節能效果越好。但是，流量越小越易進入喘振區，發生喘振事故。因此，為了在節能和防喘振兩個方面找到最佳配合點，達到既有最好的節能效果，又不發生喘振這一理想狀態，必須考慮變頻節能與防喘振的協調控制問題。"@"+zt83圖五 變頻節能與防喘振協調控制系統"@"
圖五給出了變頻節能與防喘振協調控制系統示意圖。根據工藝要求，要負載流量波動時要維持出口壓力恒定，因此測取出口壓力P2，送入變頻節能與防喘振控制器中，由壓力變送器、協調控制器、高壓變頻器、電動機和風機構成一個閉環控制系統，通過不斷地自動調整鼓風機轉速，來達到穩定出口壓力的目的。
在壓力閉環控制的同時，自動檢測鼓風機流量，按照安全操作線規定的流量值自動調整旁路回流調節閥的開口度，保證在任何速度下鼓風機的流量均大于安全操作流量，不發生喘振問題。
圖六給出了兩條典型的安全操作線，安全操作線1為一條直線，其流量固定，在轉速較低時，安全操作流量遠大于極限流量，會引起較多的氣體從旁路回流閥回流，造成能源浪費。因此，按固定流量安全操作線控制，系統的節能的效果較差，一般只在簡單的控制器中采用。
安全操作線2為一條曲線，與喘振極限線相似，一般其安全操作流量比喘振極限流量大5%-15%，解決了轉速較低時安全操作線1存在的耗能問題，是一個最節能安全控制方式。
安全操作線2一般由設備制造廠家給出，主要的兩種形式是：
P2/P1=a+bQ12/T1
P2/P1=a0+a1Q1+a2Q12
其中，a、b、a0、a1、a2是常數
變頻節能與防喘振協調控制器采用安全操作線2進行控制，盡可能地減少了氣體回流量，具有良好的節能和防喘振控制效果。另外，該控制器還把各及壓力、溫度和流量、各級油壓和油溫、各閥門狀態、振動、噪聲、軸向推力、軸向位移等設備運行參數采集進來，實現集中監控和聯鎖保護，提高了設備的自動化水平，提高了設備運行的可靠性，該控制器采用觸摸屏人機界面，彩色畫面直觀清晰，操作方便。
六、結束語
喘振現象是具有駝峰型特性的風機、壓縮機、泵類設備的固有特性。采用變頻節能與防喘振協調控制器可以有效地解決設備的最佳節能和防喘振協調控制問題。隨著高壓變頻調速器的推廣和應用，將有越來越多的變頻改造項目選用這種協調控制器。解決控制器與高壓變頻器的通訊連接問題，實現網絡互聯，是下一步要解決的課題。