深圳市库马克新技术有限公司 罗自永 李瑞常
摘要:喘振现象是具有驼峰型特性的风机、压缩机、泵类设备的固有特性。本文分析了喘振的具体现象和其发生的根本原因，研究了风机、泵类设备变频节能和防喘振的基本原理，并介绍了一个利用“变频节能与防喘振协调控制器”实现高压风机、压缩机和泵变频调速运行的具体方案。
关键词：风机 泵 变频节能 喘振
一、概述：
近年来，随着高压变频器设计技术和制造技术的不断完善，高压变频器的可靠性已得到很大提高，高压变频节能技术已开始进入全面推广阶段，我国目前正掀起一个推广应用高压变频节能技术的热潮。
值得注意的是，高压容量风机、泵类设备应用变频器进行改造后，由固定转速运行方式进入变速运行方式，设备的运行状态发生了变化，会带来诸如机械共振、喘振、润滑不良、绝缘损伤等一系列问题。尤其是大容量离心压缩机、离心鼓风机、离心泵等设备，驼峰型特性的存在，使其不可避免地会出现喘振问题。大容量风机、泵类设备进行变频改造时，其可能出现的喘振问题必须引起足够的重视，稍有不慎，将会引发恶性设备事故，造成数百万元的经济损失。
多年的变频节能实践告诉我们，对于具有驼峰型特性的高压大容量离心压缩机、离心鼓风机、离心泵等设备，实施变频节能改造时，必须同时考虑如下几个方面的控制问题：
1、流量或压力控制系统
设备变频调速的目的是结合工艺，满足工艺提出的流量或压力控制要求，同时实现设备的节能运行，这就要求设置一套流量或压力自动控制系统。
2、防喘振控制系统
喘振现象对设备危害极大，必须专门设置一套防喘振控制系统，确保设备运行安全。
3、油路控制系统
大型压缩机、风机和泵类设备都配有一套供油系统，如轴承密封油、润滑油、阀门的控制油等，需要设置一套油压、油温的控制和联锁报警系统。对于那些原使用同轴油泵的设备，还必须考虑调速后油压下降可能造成的危害，需另外设置独立的工作油泵。
4、综合故障监控系统
大型设备如化肥厂氨压缩机，因其功率大，转速高，又是单机运行，是工厂的核心生产设备，它的安全运行至关重要，其运行参数如压力、温度、振动、噪声、轴向推力、轴向位移等必须严格监控，并与调速控制系统联锁，因此有必要设置综合故障监控系统。
需要指出是，上述四个控制系统不是孤立的，它们应该相互联系起来，才能实现整个系统的协调控制。一种新型的全自动控制系统现已推出，称之为“变频节能与防喘振协调控制器”，它具有上述四个控制系统的全部功能，是一个小型化、高度自动化的多功能控制装置。
二、风机、泵变频节能原理
固定转达速运行的风机和泵类设备为实现工艺要求的流量或压力控制目的，往往采用阀门节流、排空、旁通回流等负荷控制方式，这些控制方式都造成大量的能量损失。先进的变频调速控制方案通过改变风机或泵的转速来实现工艺要求的流量或压力控制目的，无阀门节流损失，亦无排空或旁通回流损失，节省能源消耗。
下面以泵为例，说明变频调速的节能原理。图一和图二给出了阀门调节和变频调速两种控制方式下泵的压力－流量(H-Q)关系及功率一流量（P-Q)关系。“@”+zt8.as2
其中，曲线１是泵在额定转速下的H-Q曲线，曲线２５是泵在某一较低速度下的H-Q曲线，曲线３是阀门开度最大时的管路H-Q曲线，曲线４是某一较小阀门开度下的管路H-Q曲线。可以看出，当实际工况流量由Q1下降到Q2时，如果在泵以额定转速运转的条件下调节阀门开度，则工况点沿曲线１由A移动到B；如果在阀门开度最大的条件下用变频器调节泵的转速，则工况点沿曲线３由A点移动到C。显然，B点与C点的流量相同，但C点泵的压头要比B点泵的压头小得多，即是说，泵在变频调速运行方式下，节能效果显著。
图二中曲线5为变频控制方式下泵的P-Q曲线，曲线6为阀门调节式下的P-Q曲线，可以看出，在相同流量下，变频控制方式比阀门调节方式能耗更小，二者之差可由下述经验公式表示：
△P=(0.4+0.6Q/Qe-(Q/Qe)3)Pe
其中，Q为实际负载流量，Qe为额定负载流量，Pe为额定负载功率，△P为功率节省值。
不难看出，当负载流量下降到其额定流量的50%时，节电率将达到57.5%。
三、喘振现象及原因
具有驼峰型特性的压缩机、风机和泵在运行过程中，当负荷减小，负载流量下降到某一定值时，出现工作不稳定现象。这时流量忽多忽少，一会儿向负载排气，一会儿又从负载吸气，发出如同哮喘病人“喘气”的噪声，同时伴随着强烈振动，设备上安装的压力表、流量表等指示仪表大幅度摆动，并引起管道、厂房振动，设备发出周期性的、间断的吼叫声，这种现象称之为喘振。
发生喘振现象的根源是离心压缩机、离心风机、离心泵所具有的驼峰型特性。图三给出了具驼峰型特性的离心鼓风机的工作特性曲线。
图中，曲线１是离心鼓风机在某一转速下的特性曲线，代表出口绝压P2和入口绝压P1之比与风机流量之间的关系，是一个驼峰曲线，驼峰点M处的流量为Qm。曲线２是管路特性曲线，正常工作点为A。可以看出，在驼峰点右铡，工作是稳定的。因为任何偶然因素造成的工作点波动（例如流量增加），对于鼓风机特性曲线１而言，压力会减小，而对于管路特性曲线２而言，压力会增加，这两个相互矛盾的结果最终会使工作点返回到原来的位置，在驼峰点M的左侧，这种情况正好相反，任何偶然因素造成的工作点波动将使沿鼓风机特性曲线１上的压力变化趋势与沿管路特性曲线２上的压力变化趋势具有完全的一致性，其结果加剧了工作点的偏移，使之不能返回到原来的工作点上，鼓风机的工作出现不稳定情况。
因此，驼峰点M右侧的区域为稳定工作区域，驼峰点M左侧的区域为不稳定工作区域。负荷下降使处于驼峰右侧的工作点向驼峰点靠近，工作点越靠近驼峰点M，越会出现工作不稳定的可能性，驼峰型特性是发生喘振现象的主要原因。"@"+zt81 "@"+zt82
四、防喘振控制思想
图四给出了鼓风机在不同转速下的特性曲线，可以看出。转速不同，相应的驼峰点和驼峰流量也不同。转速越低，驼峰点越向左移，驼峰流量越小。把不同转速下的驼峰点连接起来，就构成了一条曲线，曲线右侧为稳定工作区，曲线左侧为喘振区。我们称驼峰流量为极限流量，相应的驼峰点连接曲线被称为喘振极限线。
显然，只要在任何转速下，都能控制鼓风机的流量，使其大于极限流量，则鼓风机便不会发生喘振问题。这就是防喘振控制的基本思想。
考虑到吸入气体的状态如压力、温度、密度等都会引起鼓风机特性曲线的微小变化，因此应考虑一定的安全容量，确保实际工作点不致于太靠近喘振极限，以免发生喘振事故。
常用的流量控制方法有：调速一旁路回流法，调速一排空法，调速一间歇启停法。其中以调速一旁路回流法节能效果最好。
五、变频节能与防喘振控制
如前所述，风机、泵类设备变频调速运行，可以大幅度节省能耗。运行速度越低，压力和流量越小，节能效果越好。但是，流量越小越易进入喘振区，发生喘振事故。因此，为了在节能和防喘振两个方面找到最佳配合点，达到既有最好的节能效果，又不发生喘振这一理想状态，必须考虑变频节能与防喘振的协调控制问题。"@"+zt83图五 变频节能与防喘振协调控制系统"@"
图五给出了变频节能与防喘振协调控制系统示意图。根据工艺要求，要负载流量波动时要维持出口压力恒定，因此测取出口压力P2，送入变频节能与防喘振控制器中，由压力变送器、协调控制器、高压变频器、电动机和风机构成一个闭环控制系统，通过不断地自动调整鼓风机转速，来达到稳定出口压力的目的。
在压力闭环控制的同时，自动检测鼓风机流量，按照安全操作线规定的流量值自动调整旁路回流调节阀的开口度，保证在任何速度下鼓风机的流量均大于安全操作流量，不发生喘振问题。
图六给出了两条典型的安全操作线，安全操作线1为一条直线，其流量固定，在转速较低时，安全操作流量远大于极限流量，会引起较多的气体从旁路回流阀回流，造成能源浪费。因此，按固定流量安全操作线控制，系统的节能的效果较差，一般只在简单的控制器中采用。
安全操作线2为一条曲线，与喘振极限线相似，一般其安全操作流量比喘振极限流量大5%-15%，解决了转速较低时安全操作线1存在的耗能问题，是一个最节能安全控制方式。
安全操作线2一般由设备制造厂家给出，主要的两种形式是：
P2/P1=a+bQ12/T1
P2/P1=a0+a1Q1+a2Q12
其中，a、b、a0、a1、a2是常数
变频节能与防喘振协调控制器采用安全操作线2进行控制，尽可能地减少了气体回流量，具有良好的节能和防喘振控制效果。另外，该控制器还把各及压力、温度和流量、各级油压和油温、各阀门状态、振动、噪声、轴向推力、轴向位移等设备运行参数采集进来，实现集中监控和联锁保护，提高了设备的自动化水平，提高了设备运行的可靠性，该控制器采用触摸屏人机界面，彩色画面直观清晰，操作方便。
六、结束语
喘振现象是具有驼峰型特性的风机、压缩机、泵类设备的固有特性。采用变频节能与防喘振协调控制器可以有效地解决设备的最佳节能和防喘振协调控制问题。随着高压变频调速器的推广和应用，将有越来越多的变频改造项目选用这种协调控制器。解决控制器与高压变频器的通讯连接问题，实现网络互联，是下一步要解决的课题。