透平式氯壓機(jī)的相對(duì)過載與運(yùn)行調(diào)整

楊金順

（中國(guó)平煤神馬集團(tuán)開封東大化工有限公司，河南 開封 475003）

YANG Jin-shun

（China Pingdingshan Coal Shenma Group Kaifeng Dongda Chemical Co.，Ltd.，Kaifeng 475003，China）

由于透平式氯氣壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱氯氣透平機(jī)）具有效率高，流量-壓力曲線平坦，輸送能力大，自動(dòng)化程度高，對(duì)生產(chǎn)負(fù)荷適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在中國(guó)氯堿行業(yè)廣泛應(yīng)用。對(duì)于大型的透平式氯壓機(jī)，多采用德國(guó)KK＆K 公司及中航黎明集團(tuán)錦化機(jī)公司的產(chǎn)品，而眾多小型的氯氣壓縮機(jī)，則由杭州陽(yáng)光集團(tuán)求是透平機(jī)公司和杭州振興公司提供，其中，求是透平機(jī)公司產(chǎn)品目前在線運(yùn)行的有近三百臺(tái)/套，其單臺(tái)氯堿適應(yīng)能力覆蓋范圍已達(dá)3萬～15萬t/a，且新產(chǎn)品正在不斷地研發(fā)和投用。在眾多在線運(yùn)行的氯氣透平機(jī)中，大多反映運(yùn)行狀況良好，但也有個(gè)別企業(yè)、個(gè)別臺(tái)位、個(gè)別時(shí)段、個(gè)別型號(hào)的氯氣透平機(jī)故障較多，即使是某些運(yùn)行狀況較好的氯氣透平機(jī)，也存在運(yùn)行不十分理想，不夠經(jīng)濟(jì)，工況點(diǎn)過于靠近喘振臨界點(diǎn)或過于偏離設(shè)計(jì)工況，檢修周期偏短等情況。而在分析這些設(shè)備運(yùn)行狀況時(shí)，用戶大多認(rèn)為運(yùn)行工況沒有問題，甚至認(rèn)為是在優(yōu)于設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行的，在商討出現(xiàn)的問題時(shí)，常常出現(xiàn)難以理解，難以溝通，難以協(xié)調(diào)的情況，延誤了問題的解決。

1 透平式氯壓機(jī)的相對(duì)過載現(xiàn)象

為了便于解釋問題的原因，把大多運(yùn)行參數(shù)正常，個(gè)別參數(shù)過于偏離設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，甚至超出正常運(yùn)行許可范圍的工況，稱之為“相對(duì)過載”。

1.1 壓縮比偏高

透平式氯壓機(jī)與容積式壓縮機(jī)一樣，也存在壓縮比問題，其數(shù)值等于透平機(jī)出口絕對(duì)壓力與進(jìn)口絕對(duì)壓力之比。容積式壓縮機(jī)運(yùn)行壓縮比過高，往往存在電機(jī)負(fù)載過高及設(shè)備強(qiáng)度安全問題，而透平式壓縮機(jī)根據(jù)其特性曲線，往往電機(jī)負(fù)載不高，甚至偏低，其設(shè)計(jì)留有余地較大，往往也不存在強(qiáng)度安全問題，其危害性往往表現(xiàn)為運(yùn)行工況太過于臨近或達(dá)到喘振點(diǎn)，出現(xiàn)喘振前兆甚至是喘振。

關(guān)于喘振，文獻(xiàn)資料大多認(rèn)為是隨著透平機(jī)流量的減?。▊€(gè)別文獻(xiàn)認(rèn)為是隨著出口壓力升高而導(dǎo)致流量減?。?，介質(zhì)會(huì)在葉輪表面出現(xiàn)分離現(xiàn)象，從而出現(xiàn)周期性的聲響及振動(dòng)。設(shè)備使用說明書往往也標(biāo)注出預(yù)計(jì)喘振流量。上述解釋雖正確但不直觀，在指導(dǎo)操作上意義不大，因?yàn)榇蠖鄶?shù)裝置在機(jī)組出口處都未安裝流量計(jì)。如果把喘振解釋為由于機(jī)組壓縮比過高，使介質(zhì)在葉輪表面出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，與后系統(tǒng)的設(shè)備及管道形成共振系統(tǒng)，從而使得介質(zhì)通過葉輪流道周期性地輸出及回流，發(fā)出周期性聲響與振動(dòng)，這樣的解釋則因透平機(jī)進(jìn)、排氣口均裝有壓力計(jì)而對(duì)運(yùn)行指導(dǎo)意義較大。

喘振對(duì)透平機(jī)組危害極大，它可使轉(zhuǎn)動(dòng)部件乃至整機(jī)在短時(shí)間內(nèi)嚴(yán)重?fù)p壞，修復(fù)費(fèi)用很高，且往往影響整個(gè)氯堿系統(tǒng)的運(yùn)行，因而備受重視。

喘振前兆是因機(jī)組壓縮比偏高，但未達(dá)喘振點(diǎn)，其危害往往表現(xiàn)為軸振增加，聲音有所變化，軸承溫度升高，瓦塊磨損加快，檢修周期偏短等情況。經(jīng)過分析對(duì)兩級(jí)壓縮機(jī)組來說，后級(jí)情況甚于前級(jí)，此問題往往會(huì)因其特征及危害不夠明顯而被忽視。但也有例外，山東某企業(yè)在半年多時(shí)間里，（當(dāng)然也不排除有其他原因影響），設(shè)備運(yùn)行周期往往僅為3～5天，3臺(tái)透平機(jī)輪番維修，嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)行。最后，還是通過調(diào)低壓縮比才使設(shè)備轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。

引起壓縮比偏高有以下原因。

（1）出口壓力過高。由于強(qiáng)調(diào)后續(xù)工序需要，比如考慮氯氣液化的節(jié)能而使透平機(jī)排氣壓力過高。

（2）進(jìn)氣壓力過低。有的企業(yè)后續(xù)工序需求壓力不高，生產(chǎn)負(fù)荷偏低，為了節(jié)能，轉(zhuǎn)而調(diào)低進(jìn)口壓力，從而使壓縮比偏高。多臺(tái)氯氣透平機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，而進(jìn)氣閥門實(shí)際開度不一，導(dǎo)致個(gè)別機(jī)組的進(jìn)氣壓力過低。

（3）氯氣純度偏低。氯氣中的雜質(zhì)組份多為空氣和少量氫氣，其密度要比氯氣低許多。氯堿系統(tǒng)在開車初期，氯氣純度往往偏低，透平機(jī)檢修后如置換不充分，進(jìn)入機(jī)組的氯氣純度也會(huì)偏低。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的氯氣純度偏低，往往是因泵前負(fù)壓系統(tǒng)密封不良而漏入空氣造成的。氯氣純度較低時(shí)，由于介質(zhì)密度降低，透平機(jī)提升排氣壓力的能力就會(huì)降低，如仍按正常壓縮比運(yùn)行，則會(huì)超出設(shè)備此工況下的實(shí)際能力。

（4）進(jìn)氣溫度偏高。溫度偏高會(huì)引起進(jìn)氣密度降低。大多企業(yè)因氯氣干燥需要，氯氣溫度控制較嚴(yán)，故透平機(jī)進(jìn)氣溫度偏差不是很大。

（5）壓力測(cè)量位置不正確。有的企業(yè)將進(jìn)氣壓力變送器裝在進(jìn)氣閥之前，排氣壓力變送器裝在排氣閥之后，或遠(yuǎn)離透平機(jī)出口，從而使測(cè)量數(shù)據(jù)與透平機(jī)運(yùn)行工況嚴(yán)重不符。

（6）多套氯處理并聯(lián)共用1套后續(xù)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)壓力低的氯氣透平機(jī)遷就設(shè)計(jì)壓力高的氯氣透平機(jī)。

進(jìn)氣密度對(duì)氯氣透平機(jī)的影響，僅理解為對(duì)壓縮比的影響是不夠準(zhǔn)確的。透平機(jī)是離心式輸送機(jī)械，其對(duì)介質(zhì)壓力的升高量（即透平機(jī)排氣與進(jìn)氣壓力之差，暫稱作‘升壓'）與進(jìn)氣介質(zhì)密度成正比，而壓縮比為進(jìn)出口絕對(duì)壓力之比。在排氣壓力不太高的情況下，進(jìn)氣密度對(duì)‘升壓'的影響要大于對(duì)壓縮比的影響。

1.2 機(jī)組軸功率偏高

機(jī)組軸功率偏高按理說是真正意義上的過載，但因透平機(jī)流量-壓力曲線平坦及電機(jī)安全需要，機(jī)組配用功率一般富裕較大。即使機(jī)組軸功率超過設(shè)計(jì)值，也因運(yùn)行電流與電機(jī)額定電流相比仍有余地而被忽視。所以，仍把它視作相對(duì)過載。

軸功率偏高的危害首先是對(duì)電機(jī)電器安全運(yùn)行不利，其次是浪費(fèi)電能，再次是問題不易發(fā)現(xiàn)，使各運(yùn)轉(zhuǎn)部件長(zhǎng)期超負(fù)荷運(yùn)行，加速其磨損而失效。

軸功率偏高可能由以下原因引起。

（1）多臺(tái)氯氣透平機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，由于進(jìn)氣閥門實(shí)際開度不一，導(dǎo)致出現(xiàn)個(gè)別機(jī)組偏載。

（2）幾套氯堿及氯處理系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行共同為同一后續(xù)系統(tǒng)服務(wù)，而每套氯氣透平機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件不一，設(shè)計(jì)排氣壓力高的系統(tǒng)照顧設(shè)計(jì)壓力低的系統(tǒng)，使其在排氣壓力低于設(shè)計(jì)值下運(yùn)行。

（3）設(shè)計(jì)的排氣壓力較生產(chǎn)運(yùn)行壓力富裕過大。由于氯氣透平機(jī)流量—壓力曲線較平坦，排氣壓力稍降，流量就會(huì)明顯增加，軸功率隨之上升，如表1所示。

表1 某透平機(jī)性能數(shù)據(jù)

（4）強(qiáng)調(diào)電解電流升降的變化需要，即強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)負(fù)荷的靈活性，要求透平機(jī)組的大回流有較大的流量，以利于生產(chǎn)負(fù)荷的調(diào)節(jié)。其實(shí)，大回流流量大些雖有利于生產(chǎn)調(diào)節(jié)，但氯氣加壓后再減壓回流是一種能源浪費(fèi)，過大回流運(yùn)行是不經(jīng)濟(jì)的。應(yīng)根據(jù)自身生產(chǎn)負(fù)荷變化規(guī)律，摸索出適宜的大回流自動(dòng)閥門開度。

由于企業(yè)為了保證項(xiàng)目的成功，在生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)選型時(shí)，在價(jià)格一定情況下，總希望買能力大的設(shè)備；在試車及生產(chǎn)組織時(shí)，為了生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)節(jié)的方便；在設(shè)備運(yùn)行中，為了提高對(duì)生產(chǎn)的保障程度；在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，為了滿足用戶的要求等，使氯氣透平機(jī)的實(shí)際能力層層加碼，以至于遠(yuǎn)大于生產(chǎn)需要。在實(shí)際使用中，看似有利于安全運(yùn)行，其實(shí)，反而增加了運(yùn)行時(shí)的軸功率，不利于設(shè)備的安全運(yùn)行。建議在上述各環(huán)節(jié)中，企業(yè)或生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)者，要如實(shí)提供工況條件，在制造企業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)適當(dāng)考慮余量。在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，要保證在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)附近運(yùn)行。這樣，既能保證設(shè)備的正常運(yùn)行，又能減少能源浪費(fèi)。

1.3 每級(jí)壓縮運(yùn)行參數(shù)不合理

每級(jí)壓縮運(yùn)行參數(shù)不合理主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）級(jí)間冷卻不良。壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，為了降低排氣溫度、控制每級(jí)合理的壓縮比及提高壓縮效率而節(jié)能，氣體在每級(jí)壓縮后要冷卻至近乎常溫再進(jìn)入下一級(jí)壓縮。對(duì)于大多數(shù)用戶，更重視壓縮機(jī)進(jìn)口與出口的運(yùn)行數(shù)據(jù)，而忽視級(jí)間運(yùn)行數(shù)據(jù)。如果級(jí)間冷卻不良，勢(shì)必造成前級(jí)排氣壓力升高后級(jí)則因進(jìn)氣溫度升高而增加流量見圖1。引起機(jī)組軸功率升高。

圖1 排氣壓力升高及進(jìn)氣流量增加情況

（2）前級(jí)壓縮比偏高。其原因一是其后冷卻不良使得該級(jí)排氣壓力升高；二是大量事實(shí)證明，對(duì)于二級(jí)壓縮的機(jī)組，前級(jí)的壓縮比受機(jī)組總壓縮比影響較小，其值是相對(duì)穩(wěn)定的，當(dāng)機(jī)組總壓縮比偏低時(shí)，反而使前級(jí)壓縮比在總壓縮比中占的比例偏高；三是進(jìn)氣壓力升高，而排氣壓力受后系統(tǒng)控制不能升高，使前級(jí)壓縮比在總壓縮比中占的比例偏高，見圖2。

圖2 前級(jí)進(jìn)氣溫度與后級(jí)排氣壓力變化情況

（3）末級(jí)壓縮比偏低。由于前級(jí)及中間級(jí)壓縮比的相對(duì)穩(wěn)定性，當(dāng)機(jī)組排氣壓力偏低時(shí)，后級(jí)壓縮比在總壓縮比中占的比例顯得偏低。

關(guān)于是否存在前級(jí)壓縮比偏低，后級(jí)壓縮比偏高的情況，因壓縮比偏高的危害已經(jīng)得到認(rèn)同，容易引起重視，不再介紹。當(dāng)機(jī)組排氣壓力偏高時(shí)，末級(jí)壓縮比會(huì)偏高，但對(duì)前面各級(jí)壓縮比影響相對(duì)較小。

1.4 機(jī)組壓縮比偏低

機(jī)組壓縮比偏高容易引起喘振，盡量避免，但卻容易產(chǎn)生另一種極端情況——機(jī)組壓縮比偏低。其危害主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）壓縮比偏低往往是由于排氣壓力偏低所致，如前所述，它可能引起機(jī)組軸功率升高甚至過載。

（2）各級(jí)壓縮比分配不合理。表現(xiàn)為前級(jí)壓縮比相對(duì)偏高，末級(jí)壓縮比相對(duì)偏低。

（3）各級(jí)壓縮軸功率分配不合理。從分析看，容易產(chǎn)生前級(jí)分擔(dān)軸功率過多，末級(jí)分擔(dān)軸功率較少的情況。對(duì)于二級(jí)壓縮的透平機(jī)而言，出現(xiàn)這種情況后，前級(jí)葉輪可能因超負(fù)荷而發(fā)生抖動(dòng)。故前級(jí)的問題要甚于后級(jí)，有的用戶的前級(jí)高速軸承及軸封頻繁損壞，經(jīng)分析，可能與此有關(guān)。如調(diào)取其歷史數(shù)據(jù)，可見，早期一切正常，一段時(shí)間后，軸振與軸承溫度同步上升，具有同步性、漸進(jìn)性，直至損壞，具有明顯磨損破壞特征，見圖3。

（4）機(jī)組流量過大，大回流流量過大，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。

圖3 軸承溫度與軸振現(xiàn)象變化情況

（5）運(yùn)轉(zhuǎn)部件磨損加劇，檢修周期變短。

（6）問題較隱蔽，不易發(fā)現(xiàn)故分析排除困難。

2 相對(duì)過載的運(yùn)行調(diào)節(jié)

根據(jù)以上分析，出現(xiàn)相對(duì)過載時(shí)，運(yùn)行調(diào)節(jié)非常簡(jiǎn)單。

（1）壓縮比過高時(shí)，適當(dāng)開大進(jìn)氣閥門并適當(dāng)降低排氣壓力即可。但當(dāng)喘振發(fā)生或有明顯前兆時(shí)，可先適量打開小回流閥消除之，然后，再適量開大進(jìn)口閥，關(guān)閉小回流閥。

（2）壓縮比過低時(shí)，可適當(dāng)關(guān)小進(jìn)氣閥門，使進(jìn)氣壓力降低，從而提高壓縮比。在受生產(chǎn)負(fù)荷限制，不便將進(jìn)口閥關(guān)得過小時(shí)，可配合適當(dāng)關(guān)小排氣閥門，提高透平機(jī)排氣壓力，同樣可以升高壓縮比。此時(shí)，不必?fù)?dān)心電機(jī)電流，因提高排氣壓力時(shí)，軸功率是趨向變小的。

（3）級(jí)間冷卻不良時(shí)，可開大級(jí)間冷卻器供水閥門，或者降低供水溫度。

（4）加強(qiáng)生產(chǎn)調(diào)度，合理分配機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各工序關(guān)系。

關(guān)于機(jī)組流量的調(diào)節(jié)，使用說明書給定三種方式：進(jìn)口閥調(diào)節(jié)；出口閥調(diào)節(jié)；回流閥調(diào)節(jié)。有的文獻(xiàn)推薦的透平機(jī)流量調(diào)節(jié)還有旁路放空調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，前者顯然不適宜于氯氣系統(tǒng)，而后者主要用于蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的情況。但其推薦的優(yōu)先選用進(jìn)氣閥調(diào)節(jié)，仍值得采用，因其更安全，更方便，更經(jīng)濟(jì)，更合理。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于透平式氯壓機(jī)的過載問題，既要從廣義的角度分析問題，又要結(jié)合具體情況具體分析。不僅要關(guān)注機(jī)組的整體運(yùn)行參數(shù)，還要關(guān)注機(jī)組內(nèi)部各級(jí)運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系。

從上述分析看，高于設(shè)計(jì)工況運(yùn)行的屬于過載，而低于設(shè)計(jì)工況運(yùn)行的，比如排氣壓力過低，則會(huì)轉(zhuǎn)化為另一種過載——流量過大，進(jìn)而是軸功率過載。且會(huì)因加劇各級(jí)壓縮參數(shù)分配的不合理，導(dǎo)致某些局部易發(fā)生故障。