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負壓風機外框變頻調(diào)速在離心壓縮機喘振控制中的應用應用頻譜分析
摘要： 從喘振產(chǎn)生機理出發(fā)找出喘振發(fā)生的先決條件。通過對常用喘振控制方法的分析，指出其中的不足，并提出變頻調(diào)速 - 旁通回流的喘振控制方法。應用流體機械相似定律及電工學原理，闡明變頻調(diào)速原理，結(jié)合圖形論述其控制過程，最后對變頻調(diào)速—旁通回流方法進行經(jīng)濟性分析，指出變頻調(diào)速—旁通回流喘振控制方法的科學性和經(jīng)濟性。
關(guān)鍵詞：離心式壓縮風機； 變頻調(diào)速；喘振；經(jīng)濟性
中國分類號： TM921.51 文獻標識碼： B
文章編號： 1006-8155 （ 2008 ） 05-0058-03
Application of Varying Frequency Speed Adjustment on Controlling Surge in Centrifugal Compressor
Abstract: In this paper, the pre-condition of surge occurrence is found out from the surge mechanics. Through the analysis on the common method used to control surge, its shortages are pointed out and the new method for controlling surge of varying frequency speed adjustment-bypass back flow is put forward. The similarity theory of fluid machinery and electrotechnics principle are applied to specify the principle of varying frequency speed adjustment and discuss its control process combined with drawings. At last, the economic analysis on the method of varying frequency speed adjustment-bypass back-flow is carried out and the science and economy of this method for controlling surge are pointed out.
Key words: centrifugal compressor; varying frequency speed adjustment; surge; economy
1 喘振
1.1 喘振現(xiàn)象
當壓縮機在運轉(zhuǎn)過程中，流量減小到一定程度時，就會在壓縮機流道中出現(xiàn)嚴重的旋轉(zhuǎn)脫離，流動嚴重惡化，使壓縮機出口壓力突然嚴重下降。由于壓縮機總是和管網(wǎng)工程聯(lián)合工作的，這時管網(wǎng)中的壓力并不馬上減低，這時管網(wǎng)中的氣體壓力就反大于壓縮機出口處的壓力，因而管網(wǎng)中的氣體就倒流向壓縮機，一直到管網(wǎng)中的壓力下降至低于壓縮機出口壓力為止，這時倒流停止，壓縮機又開始向管網(wǎng)供氣，壓縮機的流量又增大，壓縮機又恢復正常工作。但是當管網(wǎng)中的壓力也恢復到原來的壓力時，壓縮機的流量又減小，工程中氣體又產(chǎn)生倒流，如此周而復始，就在整個工程中產(chǎn)生了周期性的氣流振蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為 “ 喘振 ” [1] 。
1.2 產(chǎn)生喘振的先決條件
從喘振現(xiàn)象可知，影響喘振的因素有： (1) 流量； (2) 轉(zhuǎn)速； (3) 管網(wǎng)特性。其中流量是導致喘振的先決條件，因為當壓縮機越過最小流量值時，就會在流道中產(chǎn)生嚴重的旋轉(zhuǎn)脫流和脫流區(qū)急劇擴大的情況，進而發(fā)展到喘振狀態(tài)。對于不同的轉(zhuǎn)速，壓縮機的性能曲線呈現(xiàn)出不同的性能，轉(zhuǎn)速越高，性能曲線向右上方移動，越容易發(fā)生喘振，反之亦然。管網(wǎng)的容量愈大，則喘振的振幅愈大，頻率愈低；管網(wǎng)的容量愈小，則喘振的振幅愈小，頻率愈高。
2 喘振控制方法
從以上分析可知，要避免壓縮機進入喘振狀態(tài)就必須使壓縮機流量大于最小流量值。這是從破壞產(chǎn)生喘振先決條件的角度出發(fā)的�，F(xiàn)有的喘振控制方法歸納起來主要有以下 3 種。
2.1 固定極限流量法
其原理是：根據(jù)壓縮機的運行狀態(tài)按經(jīng)驗確定一個流量最小值，當流量減小到該值時，流量傳感器就會輸出啟動信號，使與壓縮機進出口相連的旁通閥開啟工作，從而使壓縮機流量不再減小，也就避免了壓縮機由于流量過小而進入喘振區(qū)域。很明顯這種方法的制造成本最低，這也是它最大的優(yōu)點，但它的缺點是很明顯的：它不能充分使壓縮機工作在其工況區(qū)，往往過早啟動防喘振工程，浪費了能源，降低了經(jīng)濟效益。
2.2 可變極限流量法
其原理是：壓縮機轉(zhuǎn)速變動時，喘振點的變化軌跡 ( 喘振界限線 ) 大致是一條二次拋物線，為防止喘振發(fā)生，考慮安全裕度，可以按喘振界限線得到與其平行的一條控制線，以控制防喘振閥的啟閉，從而在不同的轉(zhuǎn)速下，使壓縮機運行的安全裕度相同，不造成浪費。對于壓縮機進氣狀態(tài)變化較小的情況常采用這種控制方法。
2.3 通用性能曲線控制法
其原理是：考慮壓縮機在某些特殊場合進氣狀態(tài)變化較大的情況，利用相似原理將壓縮機的性能曲線轉(zhuǎn)換成不受進氣狀態(tài)影響的通用性能曲線，根據(jù)相似原理，轉(zhuǎn)換后的通用性能曲線形狀與原始曲線相似，因此后者喘振點的變化軌跡大致也是一條二次拋物線，所以可以確定一條與喘振界線平行的控制線來控制防喘振閥的開啟來保證壓縮機流量不小于最小流量點，也就避免了壓縮機進入喘振狀態(tài)。
3 變頻調(diào)速 ― 旁通回流喘振控制法
通過以上分析可以通過轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，管網(wǎng)特性的調(diào)節(jié)來影響喘振的發(fā)生。對于管網(wǎng)的調(diào)節(jié)，筆者認為不太合適，因為它涉及管網(wǎng)中閥門的調(diào)節(jié)，而閥門調(diào)節(jié)所損耗的能量是白白浪費的，并不能得到有效利用，特別對于大容量的管網(wǎng)，其能量的損失更不能估計了。而對于以上 3 種控制方法，它們都有一個共同特點，就是當所需流量減小到最小流量值時就會開啟連接在壓縮機進出口的喘振控制閥，回流部分流量，實際上也通過了閥門調(diào)節(jié)而無形中損失了能量。
3.1 變頻調(diào)節(jié)原理
由相似定律可知，當改變離心壓縮機的轉(zhuǎn)速n時，其效率基本不變，但流量、壓頭及功率都按下式改變[2]：
從式（ 2 ）看出，改變電源頻率即可改變電機的轉(zhuǎn)速，從而達到調(diào)節(jié)流量的目的。
由工程的運行情況可知，設備在開始運行時負荷最大，由流量傳感器經(jīng)調(diào)節(jié)器至微機 ， 由微機控制變頻器，使變頻器輸出的頻率上升，電動機開始旋轉(zhuǎn)并使轉(zhuǎn)速逐漸升高至最大。當負荷減小，這時利用微機控制變頻器，使變頻運行的電動機按照工程中預先設定的程序進行運轉(zhuǎn)，即降低電源頻率，從而降低電動機的轉(zhuǎn)速，讓設備繼續(xù)在低負荷運行，達到所需的流量要求。這樣，節(jié)電率一般在 20% ～ 30% 。變頻裝置的調(diào)節(jié)范圍可達 20:1 ，且可基本保持異步電動機特性。
3.2 變頻調(diào)節(jié)的極限性及補救措施
壓縮機的轉(zhuǎn)速不能無限制地下降，當下降到一定程度時，由于分離損失的影響會使壓縮機性能嚴重惡化，效率明顯降低，功耗明顯上升，并引起壓縮機振動，嚴重影響壓縮機的運行，因此變頻調(diào)速范圍一般為 1.1 n ~0.6 n 。如圖 3 所示，當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到 0.6 n 以下時，就不能運用改變轉(zhuǎn)速的方法來調(diào)節(jié)流量了，只能用上面所述的 3 種方法來進行調(diào)節(jié)，以保證所需小流量及確保壓縮機流量總大于最小流量值。
3.3 變頻調(diào)節(jié)喘振控制過程
如圖 2 所示，當壓縮機運行時，由轉(zhuǎn)速傳感器將信號輸入到微機中，根據(jù)微機中設定好的轉(zhuǎn)速對應值確定該轉(zhuǎn)速下的最小流量。當流量傳感器輸入新的信號時，根據(jù)相似原理確定新流量下所需的轉(zhuǎn)速，然后判斷該轉(zhuǎn)速是否在允許調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。如果 Yes ，微機將輸出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號進行調(diào)速；如果是 No ，將進行通用性能曲線控制法進行喘振控制，微機將輸出允許范圍內(nèi)的最低轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號，并輸出該轉(zhuǎn)速下的回流量，以達到流量調(diào)節(jié)的目的，保證了壓縮機安全運行。
3.4 變頻調(diào)節(jié)喘振控制方法經(jīng)濟性分析
如圖 3 所示，假設壓縮機開始工作于 C 點，則對應的流量為 Q c ，現(xiàn)在需要流量為 Q A ，則對應的工況點為 A 點，由于 A 點處于喘振控制線的左側(cè)，即進入喘振調(diào)節(jié)區(qū)，因此不能通過改變管網(wǎng)曲線的方法進行調(diào)節(jié)，這時如果采用調(diào)節(jié)回流閥可以達到目的，但要回流 DA 之間的流量，而這些流量所帶的能量將消耗在該閥門上，造成能量浪費。如果采用變頻調(diào)節(jié)，將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到 B 點所對應的轉(zhuǎn)速，這時工況點處于 B 點，該流量也即為所需流量，達到調(diào)節(jié)目的，也節(jié)省了Δε的壓力能 ，而且轉(zhuǎn)速下降為 0.7 n ，壓縮機所消耗的功率大為降低，節(jié)能效果非常明顯。對于管網(wǎng)曲線 BC ，可利用度為 FIEF ，對于管網(wǎng)曲線 DE ，可利用度為 GHEG ，比前者多出 GHIFG 。顯然，對于越陡的管網(wǎng)曲線，采用變頻調(diào)速 — 旁通回流的方法節(jié)能效果越明顯。
4 結(jié)論
節(jié)約能源是當今流體機械發(fā)展的主要方向，也是社會的要求。從以上分析，變頻調(diào)速—旁通回流不但能防止喘振的發(fā)生，而且大大減少壓縮機能耗，避免了常用喘振控制方法不必要的
振動是回轉(zhuǎn)機械運轉(zhuǎn)時的重要特性。利用數(shù)據(jù)采集器對機械設備運行狀態(tài)的振動信息進行采集，然后通過振動頻譜分析，可以快速、準確地診斷出如轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)軸彎曲、軸承損壞與松動、軸系不對中及動靜件摩擦等故障存在的原因，從而達到故障早期發(fā)現(xiàn)、診斷迅速及時、結(jié)論定點定量、機理清楚明白之目的。
1具體操作流程
其中被測對象是指所要檢測設備的某一部件，基頻是指被測對象的基本回轉(zhuǎn)頻率；檢測內(nèi)容包括檢測方向（水平、垂直、軸向）、譜圖類型（波形圖、速度頻譜圖、加速度頻譜圖）等；查找具有代表性的振動信息特征是指剔除沖擊信號以后尋找含有一定規(guī)律性的譜線族（如削波、軌跡尖角、某一倍頻振值升高等）；判斷振動值是否異常是指將波形或頻譜圖所反映的較大振值與相關(guān)標準進行比較并得出評判結(jié)果；分析故障機理主要是根據(jù)波形或振動值超標時所在頻率段綜合分析、判斷出故障發(fā)生的原因。在該過程中信號測試是基礎，查找具有代表性的振動信息特征是核心，分析故障機理是關(guān)鍵。
2 信息的采集
2.1 檢測部位的選擇
在旋轉(zhuǎn)機械中，轉(zhuǎn)子及其支撐工程是設備的核心部件，70%的設備故障都和轉(zhuǎn)子及其組件有關(guān)。因此回轉(zhuǎn)機械的信號采集主要以轉(zhuǎn)子振動信息和支承軸承座振動信息為主。一般把軸承處選為主要測點，把機殼、箱體、基礎等部件選為輔助測點。
2.2 測點的布置
由于不同故障、不同頻段在測試方向上的敏感程度不同，故在旋轉(zhuǎn)機械振動信息的采集上，對于低頻信號（工頻5倍以下）分垂直、水平、軸向3個方向；對高頻信號（1kHz以上），由于對方向性不太敏感，故只測垂直或水平一個方向即可。為了保證所測數(shù)據(jù)的可比性，測點一經(jīng)選定就應作出相應標記，以使每次測量都在同一測點上進行，同時保證每次測量時設備的工況都相同。在選擇測點時還應該考慮環(huán)境因素的影響，盡可能地避免選擇高溫、高濕、出風口和溫度變化劇烈的地方作為測量點，以保證測量結(jié)果的有效性。
3 測量結(jié)果的分析
3.1 根據(jù)時間波形初步分析
一般而言，單純不平衡的振動波基本上是正弦式波形，徑向振動較大，振動隨轉(zhuǎn)速變化明顯，振動強度正比于轉(zhuǎn)速的平方；單純不對中振動波形比較穩(wěn)定、光滑、重復性好，波形在基頻正弦波上存在兩倍頻次峰，平行不對中振值主要反應在徑向，角度不對中振值主要反應在軸向，且對負荷變化較敏感；轉(zhuǎn)子組件松動及干摩擦產(chǎn)生的振動波形比較毛糙、不平衡、不穩(wěn)定，還可能出現(xiàn)削波現(xiàn)象，松動方向振動大，振動隨轉(zhuǎn)速變化敏感；碰磨一般存在“削頂”波形；自激振動，如油膜渦動、油膜振蕩等，振動波形比較雜亂，重復性差，波動大。波形分析具有簡捷、直觀的特點，可對設備故障作出初步判斷。但在實際檢測中，單純出現(xiàn)某一明顯特征波形的情況很少，往往都是以合成振動引起的疊加波形出現(xiàn)。因此，要進一步精確判斷故障發(fā)生的原因，還需利用頻譜分析。
3.2 頻譜分析
頻譜分析的目的是將構(gòu)成信號的各種頻率成分分解開來，以便于對振源的識別。由于各種振動零部件在運轉(zhuǎn)過程中必定產(chǎn)生某一種相應的特征頻率，故通過某一頻率的振動烈度強弱，可判別振動來源，而且這一特征頻率始終與基頻（即被測對象工作頻率）保持某一倍數(shù)關(guān)系。常見振動原因及特征頻率見。
頻譜中的橫軸表示時間，縱軸為電壓幅度，曲線是表示隨時間變化的電壓幅度，這是時域的測量方法。如果要觀察其頻率的組成，要用到頻域法，其橫軸為頻率，縱軸為功率幅度，這樣就可看到在不同頻率上功率幅度的分布，就可以了解這兩個（或是多個）信號的頻譜，有了這些單個信號的頻譜，就可以把復雜信號再現(xiàn)、復制出來。
分析圖2風機在400Hz工作頻率下的頻域普及平均譜和圖3風機在400Hz工作頻率下的時域譜，有下列特點：轉(zhuǎn)子徑向振動出現(xiàn)2倍頻以1倍頻2倍頻分量為主2倍頻所占比例較大；轉(zhuǎn)子軸向振動在1倍頻、2倍頻和3倍頻處有穩(wěn)定的高峰，達到徑向振動的50%以上，4～10倍頻分量較�。粡较蛘駝虞^大，有高次諧波出現(xiàn)振動不穩(wěn)定；時域波形穩(wěn)定，每次出現(xiàn)1個、2個或3個峰值。
不對中故障產(chǎn)生的頻譜圖特征有如下特點，說明風機存在嚴重不對中現(xiàn)象。
風機在360Hz工作頻率下的徑向振動平均譜有下列特點：強徑向振動，特別是在垂直方向出現(xiàn)3～10倍頻；徑向振動較大，尤其垂直徑向振動較大，含有1∕2倍頻、3∕2倍頻等分數(shù)頻率分量；時域波形的雜亂，有明顯的不穩(wěn)定非周期信號。
風機機械松動分為結(jié)構(gòu)松動和轉(zhuǎn)動部件松動，造成機械松動的原因：安裝不良、長期磨損基礎或機座損壞，零部件破損。360Hz徑向振動的平均譜符合機械松動的故障的頻譜圖和波形特征，證明風機存在機械松動。
為了減少電壓對頻率的影響，采樣取在風機降速過程，見圖5。比較風機各個工作頻率下的峰值見表2，頻譜圖中有較穩(wěn)定的高峰，諧波能量沒有集中在工頻，其他倍頻幅值相差不大；隨著轉(zhuǎn)速的升降，振幅的升降不明顯，轉(zhuǎn)子平衡特性良好。
4 結(jié)論
特征頻率是各振動零部件運轉(zhuǎn)過程中必定產(chǎn)生的一種振動成分，根據(jù)各頻率所對應的諧波振動分量所具有的振幅，可以比較直觀地分析判斷振動來源，在多數(shù)情況下通過頻譜分析可以獲得比較滿意的診斷結(jié)論。但由于故障與頻率并不是嚴格的一一對應關(guān)系，因此，對于復雜的疑難故障應采用綜合方法多角度進行分析，才能得出更可靠的結(jié)論。
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