张蕾
中石油管道有限责任公司西部甘肃输油气分公司，甘肃省兰州市?730000
摘要：西气东输是随着西部大开发应运而生的造福东西部、促进沿线地区产业和能源结构调整的重大民生性工程，西一二三线已投产运行多年，目前日输气量近2亿标方，惠及上下游人口近五亿。天然气压缩机作为长输管道的“心脏”，为管道长距离输送提供强劲动力。因此，系统掌握压缩机特性与喘振防控十分重要和必要，为压缩机安全运行和管道平稳送气筑牢了坚实基础。
关键词：西气东输 压缩机 喘振防控
一、离心压缩机的工作原理
西气东输所用压缩机主要以航改型燃气轮机（简称“燃驱”）和大功率变频电动机（简称“电驱”）为驱动力，带动压缩机主轴叶轮转动，在离心力作用下，气体被甩到叶轮后的扩压器中，在叶轮入口形成低压区，使得入口管段的气体不断被吸入，随着工作轮不停旋转，气体能连续不断地被甩出去，从而保持了压缩机中气体的连续流动，气体因离心作用产生速度动能，大部分速度能经扩压器转化为静压能来增加压力。如果一个工作叶轮得到的压力还不够，可通过多级叶轮串联起来工作以达到对出口压力的要求，级间的串联通过扩压器、弯道、回流器来实现，这就是离心式压缩机的工作原理。
（一）离心压缩机的特性曲线
压缩机性能曲线是压缩机变动工况性能的图像表示，它清晰的表明了各种工况下的性能和稳定工作范围，是操作运行、分析变工况性能的重要依据。离心压缩机的运行工况常常发生变化，为反映不同工况下的性能，通常把在一定进气状态下对应各种转速n、进气流量q与压缩机的排气压力（压比ε）、功率w及效率η的关系用曲线形式表示出来，这些曲线就称为压缩机的性能曲线。对于长输管道等工业用压缩机，性能曲线一般只给出排气压力或压比、功率与流量的关系，用数学关系式表示为：。从压缩机特性曲线中可以看出，离心压缩机级效率存在一个最大值，通常取这个最大效率点作为设计点，当进口流量偏离设计点时，级效率都会因为级内的损失而下降，从西一二三线所运用的燃驱、电驱甚至不同厂家的离心压缩机来看，其设计点均是机组的最高效率点，工况也最为稳定，机组大部分时间在此点运行，但其运行点不可能始终保持在这点上不变。实际运行中，随着管网用气状态的变化，离心压缩机的运行点也会随之发生移动，当进气量减小时，随着离心压缩机内能量损失的增加，机组效率会逐渐下降；若进气流量继续减小，将导致喘振发生；当进气量增大时，离心压缩机的能量损失也会增大，机组效率同样会下降，此时叶轮对气体所作的功全部用来克服能量损失，这时，级中压力无法升高（例如西二三线联合站场，在全站启输时，第1台机组正常运转后，由于流量太大，出口压力与进口压力几近相等，无法建立差压），或者流量增大到某值后，流道某处达到声速，因损失而无法使气体升压，这时达到堵塞工况，这些都是在运行过程中要尽量避免的。
（二）离心压缩机的管网特性
离心压缩机在使用时，通常与其他设备管道、驱动传动机构连接起来，构成统一系统，这些系统称为管网。离心压缩机究竟在哪个工况下稳定运行，显然不仅取决于机组本身的性能，还取决于管网的特性，压缩机排气量和管网流量相等、气体经过压缩机增加的压力恰好等于管网的阻力降与下游站场的入口剩余压力之和，满足这些条件，压缩机和管网就能稳定运行，即就是：、。管网特性曲线和压缩机特性曲线的交点就是压缩机和管网的联合运行点。
管网的阻力特性是由管道和所连接设备的阻力特性所决定的，例如西气东输二线永昌压气站出站的管网阻力特性可以用以下关系表示：。式中，为下游古浪压气站进站压力；Q为永昌压气站出站管网的体积流量；A为永昌至古浪段管道摩阻系数。从此式看出，管网特性曲线是一条抛物线，改变压缩机运行工况是由压缩机本身和管网特性共同决定，因此，压缩机的调节方法既可以借助改变压缩机特性曲线（通过调转速），亦可借助改变管网特性曲线或者两者同时改变来实现（开启旁通阀、防喘阀和站内循环阀均可改变管网特性曲线；开启下游压缩机可影响下游进站压力来改变管网特性曲线）。
二、喘振的概念
喘振是离心压缩机本身固有的属性，当进气量减少到一定程度时，会出现旋转脱离，如这时流量进一步减少，在叶片背面将形成很大的涡流区域，气流分离层扩大至整个通道，甚至充满整个叶道阻塞气流顺利通过，致使流动严重恶化。压缩机出口压力会突然大幅下降，由于压缩机总是和管网联合工作，这时管网压力不会马上降低，就会出现管网压力大于机组出口压力，因而管网中的气流就倒流向压缩机，一直到管网压力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。经过压缩机的流量又增加，机组恢复到正常工作，但当管网压力恢复到原来压力时，压缩机流量又减少，系统中的气流又产生倒流。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，并发出异响的周期性吼叫或喘气声，机体和轴承发生强烈振动，这种现象称为“喘振”。管网的容量越大，则喘振的振幅越大、频率越低，喘振的频率和管网容量的平方根成反比。
（一）影响喘振的因素
实际运行中引起喘振的原因很多，除了内部流动情况因失速区的产生与发展结果引起喘振外，从外部条件来分析，管网流量、阻力变化、压缩机工作不协调都是引起喘振的重要原因。一是压缩机的流量等于或小于喘振流量；二是压缩机排气压力低于管网气体压力。大多情况下往往是多种因素综合作用，主要影响因素如下：
1．转速变化：当转速提高时，压缩机叶轮对气体做功将增大，相同容积流量下，气体压力也增大，性能曲线上移。反之，转速降低则使性能曲线下移。
2．入口压力：入口压力越低，压缩机越容易发生喘振。
3．入口温度：压缩机在恒压恒转速下，入口温度越高，越容易喘振（温度越高，分子之间距离越大，越易压缩）。
4．气体分子量：在转速和压力不变的情况下，分子量越小，越容易发生喘振（分子量越小，分子之间距离越大，越易压缩）。
5．流量：流量减小到该转速下最大出口压力时，机组进入喘振区，出口压力开始下降，流量随之下降，机组开始喘振，从压缩机特性曲线可以看出流量降低是机组发生喘振的根本原因，在实际生产中，尽量避免压缩机在低流量下运行。
（二）喘振的预防措施
一方面，在设计时尽量让压缩机有较宽的工作区域。另一方面，采取相应防喘振措施，主要有被动控制与主动控制。喘振的被动控制方法包括固定极限流量法和可变极限流量法。固定极限流量方法是确保入口流量始终大于发生喘振极限流量，若小于此极限值，则采取打回流（补充进口流量，同时降低出口压力）或者放空（降低出口压力）等方式，使压缩机处于安全状态。可变极限流量法是设定发生喘振现象的极限方程，使压缩机极限流量值始终随着转速的变化发生变化，始终保持压缩机的流量大于发生喘振的流量值。目前，随着模糊控制技术的蓬勃发展，喘振的主动控制方法得到进一步研究与应用，通过主动控制来实现喘振线向稳定运行区移动，使其稳定运行的范围进一步扩展。另外经过现场运行经验来看，在开车时，最好先升速后升压；停车时，最好先降压后降速，来确保压缩机组平稳可靠运行，为更好服役西气东输管道安全输气贡献“力量”！
参考文献：
[1]李长俊．天然气管道输送［J］．北京：石油工业出版社，2008．
[2]任永磊．GE燃驱机组控制程序功能说明．
[3]西部管道．长输管道操作规程．
[4]国家职业技能标准-压缩机操作工．
[5]王书敏 何可禹 离心式压缩机技术问答（第二版）．中国石化出版社．