壓縮機(jī)喘振放空閥全開原因分析及解決措施

張錫德 阿不都熱合木·托乎提 辜興春

中國石油塔里木石化分公司，新疆 庫爾勒 841000

0 前言

中國石油塔里木石化分公司有年產(chǎn)45×104t合成氨，80×104t尿素項(xiàng)目。該項(xiàng)目合成氨裝置的工藝空氣壓縮機(jī)選用德國Atlas Copco公司生產(chǎn)的多軸離心式空氣壓縮機(jī)，其驅(qū)動(dòng)設(shè)備為杭汽生產(chǎn)的中壓注汽冷凝式汽輪機(jī)。該項(xiàng)目于2010年5月投入正常生產(chǎn)，2011年12月28日，在裝置開車的過程中，多軸離心式空氣壓縮機(jī)喘振放空閥三次突然全開，使二段爐斷空氣，造成除一段爐及脫碳裝置以外其它所有裝置停車。對此，中國石油塔里木石化分公司成立了調(diào)查組，對該事故進(jìn)行了調(diào)查和分析，找出了其影響因素，提出了解決措施。

1 多軸離心式空氣壓縮機(jī)簡述

1.1 工藝描述

中國石油塔里木石化分公司多軸離心式空氣壓縮機(jī)由中壓注汽冷凝式汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于化肥合成氨裝置，為二段爐提供燃燒轉(zhuǎn)換空氣。壓縮機(jī)帶增速齒輪箱，在增速齒輪箱和汽輪機(jī)之間安裝了中間齒輪箱，來降低壓縮機(jī)齒輪箱的輸入轉(zhuǎn)速。壓縮機(jī)分為兩段，一段由四級壓縮組成，二段由兩級壓縮組成。一段各級出口分別安裝了水冷器，正常運(yùn)行時(shí)，空氣經(jīng)過過濾器到壓縮機(jī)的一段被壓縮到1.42MPa（a），然后經(jīng)過一段水冷器被冷卻到34.5°C，其中一部分空氣被抽出作為儀表空氣和尿素防腐空氣之用，另一部分進(jìn)入壓縮機(jī)二段，被壓縮至3.82MPa（a），進(jìn)入二段爐。壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測見圖1。

1.2 壓縮機(jī)控制描述

在運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)一、二段入口導(dǎo)葉（IGV）用于控制壓縮機(jī)的流量及壓力，如增加壓縮機(jī)的流量及出口壓力時(shí)需增大導(dǎo)葉開度，反之減小。若葉輪內(nèi)的流量停滯，發(fā)生喘振，則會(huì)對壓縮機(jī)機(jī)械部件造成很大應(yīng)力，故要求壓縮機(jī)實(shí)際流量必須大于最小容積流量。運(yùn)行中，壓縮機(jī)進(jìn)入最小流量前喘振放空閥會(huì)自動(dòng)打開，為確保壓縮機(jī)遠(yuǎn)離喘振線而安全運(yùn)行，在分散控制系統(tǒng)（DCS）中安裝了防喘振控制系統(tǒng)，由其控制防喘振放空閥的啟、閉，以避免壓縮機(jī)發(fā)生喘振。

圖1 壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測

為確保壓縮機(jī)穩(wěn)定操作，多軸式壓縮機(jī)配備了一、二段防喘振放空閥，由喘振控制器自動(dòng)控制防喘振放空閥。穩(wěn)定和不穩(wěn)定運(yùn)行的分界線稱作喘振線，其取決于多種因素，如溫度、壓力等。對喘振線留有一定的安全余量，這條安全線稱為放空線，它與喘振線平行，其安全余量是設(shè)計(jì)流量的8%［1-2］，從而確保了壓縮機(jī)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，見圖2。

圖2 壓縮機(jī)喘振控制線

防喘振放空閥和入口導(dǎo)葉控制壓縮機(jī)流量。壓縮機(jī)一段額定流量的30%由一段導(dǎo)葉調(diào)節(jié)控制，即通過導(dǎo)葉調(diào)節(jié)可使壓縮機(jī)額定流量從100%減少到70%，如果流量需進(jìn)一步減小，只能依靠調(diào)節(jié)一段喘振放空閥的開度來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)壓縮機(jī)流量＞70%時(shí)，喘振放空閥將自動(dòng)完全關(guān)閉，當(dāng)一段喘振放空閥關(guān)閉后，一段導(dǎo)葉將開始從最小操作位置打開。

壓縮機(jī)二段額定流量的38%由二段導(dǎo)葉調(diào)節(jié)控制，即通過導(dǎo)葉調(diào)整可使額定流量從100%減少到62%，如果流量需進(jìn)一步減小，只能依靠調(diào)節(jié)二段喘振放空閥的開度來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)壓縮機(jī)的流量＞62%時(shí)，喘振放空閥將自動(dòng)完全關(guān)閉，當(dāng)二段喘振放空閥關(guān)閉后，二段導(dǎo)葉將開始從最小操作位置打開。

壓縮機(jī)的流量是通過導(dǎo)葉調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)的，即一級入口導(dǎo)葉控制壓縮機(jī)一段流量，五級入口導(dǎo)葉控制壓縮機(jī)二段流量。

實(shí)際運(yùn)行中，為防止壓縮機(jī)喘振，同時(shí)在極端條件下能迅速全開喘振放空閥，壓縮機(jī)喘振控制器要求設(shè)置在自動(dòng)模式，根據(jù)AtlasCopco公司提供的壓縮機(jī)使用手冊可知，一段喘振流量設(shè)定值為3 450m3/h，二段喘振流量設(shè)定值為1 750m3/h，當(dāng)壓縮機(jī)流量大于喘振流量設(shè)定值時(shí)，喘振放空閥自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)小于喘振流量設(shè)定值時(shí)，喘振放空閥自動(dòng)開啟。

對于壓縮機(jī)的一、二段出口壓力，設(shè)置了安全控制器，它的作用是避免壓縮機(jī)一、二段出口壓力大于最大允許值，它由可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行控制，運(yùn)行時(shí)應(yīng)設(shè)置為自動(dòng)模式。在極端操作條件下，即當(dāng)一段出口壓力＞1.5MPa或二段出口壓力＞4.2MPa時(shí)，一、二段喘振放空閥會(huì)瞬間全開，反之關(guān)閉。

當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至最小轉(zhuǎn)速＞5 743 r/m時(shí)，在全自動(dòng)模式下，可對壓縮機(jī)進(jìn)行加載，在操作畫面上逐步增加一、二段出口壓力的設(shè)定值，這時(shí)，喘振放空閥會(huì)先逐漸關(guān)閉，當(dāng)全關(guān)后，入口導(dǎo)葉才逐步打開，完成加載。需卸載時(shí)，減小一、二段出口壓力的設(shè)定值，這時(shí)導(dǎo)葉開始逐步關(guān)閉，當(dāng)完全關(guān)閉后，喘振放空閥才開始逐步打開，完成卸載。

當(dāng)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速＜5 743 r/m時(shí)，電磁閥失電，一、二段喘振放空閥瞬間全開，導(dǎo)葉瞬間全關(guān)。

2 喘振放空閥突然全開因素及對策

通過以上分析可知，運(yùn)行中造成壓縮機(jī)一、二段喘振放空閥瞬間全開的因素有兩個(gè)：一段出口壓力＞1.5MPa或二段出口壓力＞4.2 MPa；汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速＜5 743 r/m。

在合成氨裝置開車過程中，2011年12月28日多軸離心式空氣壓縮機(jī)一天內(nèi)出現(xiàn)了三次喘振放空閥突然打開，二段爐斷空氣，造成除一段爐及脫碳裝置以外其它所有裝置停車。

2.1 原因分析

2.1.1 第一次喘振放空閥全開

2011年12月28日凌晨 01∶04∶36合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)TK431在投抽汽時(shí)，多軸離心式空氣壓縮機(jī)一、二段喘振放空閥突然打開，造成機(jī)組甩負(fù)荷，其運(yùn)行狀況見圖3。

圖3 壓縮機(jī)運(yùn)行狀況

從圖3可見，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降至5 667.6 r/m時(shí)，其轉(zhuǎn)速已＜5 743 r/m，達(dá)到了壓縮機(jī)喘振放空閥突然打開的條件，喘振放空閥打開，因壓縮機(jī)突然甩負(fù)荷，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升，1m后其轉(zhuǎn)速最高達(dá)到6 330 r/m，但未上升到汽輪機(jī)電子跳閘轉(zhuǎn)速6 645 r/m［3］，所以汽輪機(jī)并未跳車。

將中壓蒸汽管網(wǎng)的壓力、溫度及多軸離心式空氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的狀態(tài)趨勢調(diào)出后發(fā)現(xiàn)，在01∶05∶27中壓蒸汽管網(wǎng)的蒸汽溫度由392℃下降至258℃，隨之汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速下降至5 609 r/m，見圖4。由于圖3與圖4在不同計(jì)算機(jī)屏幕上截取的畫面，因此存在一定的時(shí)間誤差。

圖4 中壓蒸汽壓力、溫度及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速

調(diào)出合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)TK431抽汽的溫度歷史記錄后發(fā)現(xiàn)，01∶05∶20合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)TK431正在投抽汽系統(tǒng)，在投抽汽前，其抽汽線內(nèi)的蒸汽溫度為126.5℃，在投抽汽后其溫度為258.96℃，見圖5。操作人員曾發(fā)現(xiàn)在投抽汽后，溫度逐漸下降，很難控制，由此可推斷出減溫水閥TV7046存在內(nèi)漏，其內(nèi)漏會(huì)增加暖管難度。

圖5 TK431汽輪機(jī)抽汽溫度狀況

上述可得，合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)TK431在投抽汽前，因操作人員沒有很好地對抽汽管線進(jìn)行暖管，加之減溫水閥內(nèi)漏，增加了暖管難度，在投汽時(shí)將抽汽管線中大量的冷凝水瞬間帶入到中壓蒸汽管網(wǎng)，使管網(wǎng)內(nèi)的蒸汽溫度很快下降到258℃，蒸汽溫度的下降導(dǎo)致多軸離心式空氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速從5 860 r/m迅速下降到5 743 r/m以下，造成壓縮機(jī)一、二段喘振放空閥突然打開。

2.1.2 第二次喘振放空閥全開

壓縮機(jī)第一次喘振放空閥全開后造成了二段爐斷空氣，進(jìn)而系統(tǒng)連鎖反應(yīng)造成合成氣壓縮機(jī)跳車，這時(shí)多軸離心式空氣壓縮機(jī)處于空負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，01∶40∶20多軸離心式空氣壓縮機(jī)加壓提負(fù)荷，經(jīng)過00∶1∶25該壓縮機(jī)一、二段喘振放空閥突然打開，其運(yùn)行狀況見圖6。

從圖6可見，在壓縮機(jī)提負(fù)荷時(shí)，操作人員逐步關(guān)閉一段、二段喘振放空閥，一段出口壓力迅速上升。對此，操作人員馬上打開一段喘振放空閥，但仍然沒有遏制住壓縮機(jī)一段出口壓力的上升，01∶41∶45一段出口壓力達(dá)到1.555MPa，其壓力已＞1.5MPa，達(dá)到了壓縮機(jī)喘振放空閥突然打開的條件，喘振放空閥打開，因壓縮機(jī)突然甩負(fù)荷，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速急速上升，01∶42∶01其轉(zhuǎn)速達(dá)到6 641 r/m，汽輪機(jī)電子跳閘停車。

圖6 壓縮機(jī)運(yùn)行狀況

調(diào)出多軸離心式空氣壓縮機(jī)的出口閥FV2011開度情況、壓縮機(jī)出口流量以及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速狀態(tài)趨勢后發(fā)現(xiàn)，在第一次多軸離心式空氣壓縮機(jī)喘振放空閥打開后，壓縮機(jī)甩負(fù)荷，其出口閥FV2011隨即關(guān)閉，此后該閥一直處于關(guān)閉狀態(tài)，見圖7。同時(shí)調(diào)出壓縮機(jī)出口副線閥開度趨勢后發(fā)現(xiàn)該閥也一直處于關(guān)閉狀態(tài)。

上述分析可得，多軸離心式空氣壓縮機(jī)在加負(fù)荷提

圖7 出口閥FV2011開度及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速

壓時(shí)，其出口閥FV2011及副線伐一直處于關(guān)閉狀態(tài)，憋壓導(dǎo)致壓縮機(jī)一段出口壓力迅速上升，操作人員馬上打開一段喘振放空閥，然而其壓力仍繼續(xù)上升達(dá)到1.5 MPa以上，造成壓縮機(jī)一、二段喘振放空閥突然打開，緊接著汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速迅速達(dá)到電子跳閘轉(zhuǎn)速而跳車。

2.1.3 第三次喘振放空閥全開

2011年12月28日20∶18∶12合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)TK431在投抽汽時(shí)，多軸離心式空氣壓縮機(jī)一、二段喘振放空閥又一次突然打開，造成機(jī)組甩負(fù)荷。

通過調(diào)查、分析，其原因與第一次喘振放空閥全開原因一樣，皆因在合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)投抽汽時(shí)暖管不充分，冷凝液瞬間帶入到中壓蒸汽管網(wǎng)，使管網(wǎng)的蒸汽溫度大幅度下降，而造成多軸離心式空氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降到5 743 r/m以下，造成喘振放空閥突然打開。

2.2 解決措施

為防止此類事故再次發(fā)生，做出以下操作規(guī)定：

a）在合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)投抽汽前，操作人員要充分進(jìn)行暖管，打開導(dǎo)淋放凈冷凝液，在其溫度＞280℃后［4-5］，方可投汽。

b）為降低暖管難度，對減溫水閥TV7046進(jìn)行檢修，避免其內(nèi)漏。

c）在壓縮機(jī)提負(fù)荷時(shí)，壓縮機(jī)崗位與轉(zhuǎn)化崗位要充分溝通和聯(lián)系，嚴(yán)防壓縮機(jī)出口閥FV2011或副線閥未及時(shí)打開，造成壓縮機(jī)憋壓。

以上措施的實(shí)施有效地防止了由該類原因造成壓縮機(jī)喘振閥突然全開的嚴(yán)重后果，保障了裝置長周期運(yùn)行。

3 結(jié)論

對多軸離心式空氣壓縮機(jī)一天內(nèi)三次喘振放空閥突然打開的事故進(jìn)行了深入調(diào)查和分析，找出了事故的原因，并采取相應(yīng)解決措施：為防止合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)在投抽汽時(shí)造成管網(wǎng)蒸汽溫度低而影響多軸離心式空氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而導(dǎo)致喘振放空閥打開，要求在投抽汽前充分暖管，檢查減溫水閥的運(yùn)行狀態(tài)；為防止多軸離心式空氣壓縮機(jī)出口過高而造成喘振放空閥打開，要求壓縮機(jī)崗位與轉(zhuǎn)化崗位要密切配合，及時(shí)打開壓縮機(jī)出口閥FV2011或副線閥，避免此類問題再次發(fā)生。

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