空分壓縮機(jī)蝸殼溫升高的故障分析及處理

齊智勇 郝巖 陳永峰 康建興/沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

空分壓縮機(jī)蝸殼溫升高的故障分析及處理

齊智勇 郝巖 陳永峰 康建興/沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

0 引言

沈鼓首臺(tái)套電驅(qū)大型單缸等溫型空分壓縮機(jī)組是為內(nèi)蒙古某煤化工企業(yè)60萬(wàn)噸煤制甲醇項(xiàng)目4.3萬(wàn)空分裝置[1]提供的水平剖分離心壓縮機(jī)機(jī)組，型號(hào)為MCO1404[2]。設(shè)計(jì)進(jìn)口流量為220 000 Nm3/h，軸功率20 094kW,出口壓力為0.64MPa(A)。轉(zhuǎn)子為雙支撐軸承內(nèi)3級(jí)閉式葉輪，外把合1級(jí)半開(kāi)葉輪的結(jié)構(gòu)，定子采用水平剖分機(jī)殼外掛獨(dú)立懸臂蝸殼結(jié)構(gòu)。為適應(yīng)季節(jié)溫差和用戶增減產(chǎn)能的需要，在進(jìn)口處設(shè)置有導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。

1 故障情況簡(jiǎn)介

1.1 機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)情況

根據(jù)用戶供貨合同需求，由沈鼓承擔(dān)該MCO1404離心壓縮機(jī)設(shè)計(jì)及制造工作，壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。但2013年3月在用戶現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)口流量?jī)H有180 000Nm3/h，出口壓力0.57MPa(A)，電機(jī)已到達(dá)額定功率值，不能達(dá)到設(shè)計(jì)工況和裝置產(chǎn)能的要求。期間由于用戶生產(chǎn)運(yùn)用的要求，并未進(jìn)行停機(jī)檢查，帶故障狀態(tài)運(yùn)行。用戶要求根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在7月初機(jī)組3～4天的檢修期間內(nèi)完成故障的排除工作，達(dá)到設(shè)計(jì)工況的性能要求。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際性能參數(shù)及對(duì)照比較

根據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)中心控制室3月中旬采集的儀表數(shù)據(jù)和壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

實(shí)際運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉有一定的調(diào)節(jié)角度，電機(jī)的定子溫度較高，無(wú)法調(diào)大導(dǎo)葉角度來(lái)增加流量。整個(gè)煤制甲醇裝置已投入運(yùn)營(yíng)，產(chǎn)能因空分能力不足只能達(dá)到80％。如果停機(jī)拆蓋進(jìn)行檢查會(huì)造成較大的損失，用戶不愿意在未查到原因的情況下這樣做。這樣一來(lái)，在無(wú)法直觀地看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行分析判斷，難度非常大。

表2 對(duì)比參數(shù)表

2 故障的排查

2.1 壓縮機(jī)溫度和壓力偏離

從表2設(shè)計(jì)和實(shí)際工況的對(duì)比可以看出，一段出口的溫度達(dá)到155.3℃，明顯高于設(shè)計(jì)值。其余各段進(jìn)出口溫度與設(shè)計(jì)點(diǎn)略有差別，主要是因?yàn)榧竟?jié)和冷卻循環(huán)水溫度不同所致，不是問(wèn)題的關(guān)鍵。一段的出口壓力低0.03MPa，實(shí)際壓比1.76，明顯低于設(shè)計(jì)壓比2.14，溫度和壓比都明顯偏離設(shè)計(jì)值。而其余各段壓比基本相符，最終四段出口壓力偏低，這應(yīng)該是一段偏離后其他段壓縮累計(jì)后造成的。

2.2 壓縮機(jī)的整機(jī)功率偏離

電動(dòng)機(jī)為上海電機(jī)廠生產(chǎn)的額定功率22 500kW,4級(jí)大型異步電動(dòng)機(jī)。對(duì)機(jī)組的耗功情況進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比。其額定負(fù)載時(shí)，設(shè)計(jì)的性能參數(shù)如表3所示。

表3 電機(jī)額定負(fù)載參數(shù)表

從現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)的控制儀表數(shù)據(jù)來(lái)看，測(cè)得電動(dòng)機(jī)電流為1 316.8A,計(jì)算電機(jī)實(shí)際負(fù)載功率按公式（1）[3]進(jìn)行計(jì)算：

實(shí)際負(fù)荷與設(shè)計(jì)工況僅相差286kW,而進(jìn)口流量?jī)H為設(shè)計(jì)點(diǎn)的85％，推斷如達(dá)到設(shè)計(jì)流量時(shí)，電機(jī)的實(shí)際功率要嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)值。

2.3 壓縮機(jī)多變效率計(jì)算

MCO1404壓縮機(jī)是采用外置冷卻器冷卻的每一級(jí)獨(dú)立成段壓縮的壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)。一段出口處的溫升、壓力存在明顯的偏差，一定影響到段的多變效率，進(jìn)而影響到整機(jī)流量減小及功率的增大。所以根據(jù)一段的進(jìn)出口實(shí)際參數(shù)，進(jìn)行級(jí)多變效率計(jì)算。對(duì)比設(shè)計(jì)工況，從而確定效率影響程度。根據(jù)壓縮機(jī)原理，介質(zhì)為空氣，絕熱指數(shù)k=1.4，級(jí)的多變效率按公式（2）[4]計(jì)算：

設(shè)計(jì)工況下，一段進(jìn)口參數(shù)為：p1=0.084 MPa（A），T1=30+273=303K；出口參數(shù)為：p2= 0.18MPa(A)，T2=115.5+273=388.5K，計(jì)算得ηpol= 0.876=87.6％；

實(shí)際工況下，一段進(jìn)口參數(shù)為：p1=0.085 MPa（A）,T1=15.3+273=288.3K；出口參數(shù)為：p2= 0.15MPa（A）,T2=155.3+273=428.3K,計(jì)算得ηpol= 0.41=41％。

實(shí)際工況一段的效率僅為設(shè)計(jì)的41％，偏差非常大，由此進(jìn)一步確定整機(jī)的性能偏差主要是由于一段的結(jié)構(gòu)故障所造成。

2.4 故障結(jié)構(gòu)部件的排查

首先，排除轉(zhuǎn)定子干涉的可能性。壓縮機(jī)在出廠前進(jìn)行過(guò)廠內(nèi)抽真空條件下機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后交付到用戶現(xiàn)場(chǎng)的。由此可以排除轉(zhuǎn)定子間碰撞、干涉和結(jié)構(gòu)件加工失誤引起的加工裝配方面的原因。另外壓縮機(jī)所采用的葉輪模型級(jí)均通過(guò)試驗(yàn)測(cè)算，許多機(jī)組都采用過(guò)，不會(huì)偏離這么大。

蝸殼和導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器類似的零部件已同時(shí)用于其他機(jī)組上，設(shè)計(jì)和制造方法相似，結(jié)構(gòu)上并不存在較大的缺陷。

3 應(yīng)用CFD理論分析

壓縮機(jī)會(huì)出現(xiàn)效率損失近50％，溫升變化如此大，以往機(jī)組從來(lái)沒(méi)有出現(xiàn)這么大的偏差，這種現(xiàn)象一時(shí)無(wú)法進(jìn)行合理的解釋，也無(wú)從入手。這時(shí)想到了借用研發(fā)階段常用的CFD流程分析方法，模擬現(xiàn)場(chǎng)可能發(fā)生的各種氣流變化情況，看是否可以找出故障的原因。從現(xiàn)場(chǎng)的儀表數(shù)據(jù)入手，根據(jù)壓縮機(jī)一段的性能參數(shù)，如流量偏小，出口壓力低，出口溫度高，整段耗功較大的不正常特點(diǎn)，大膽進(jìn)行理論上可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障的假設(shè)。總結(jié)出造成這種現(xiàn)象可能的兩種原因：一是葉輪出口有比較大的漏氣量回流至進(jìn)口造成的流量損失；二是機(jī)組處在導(dǎo)葉開(kāi)度在較大的負(fù)預(yù)旋區(qū)內(nèi)造成的效率急劇下降。根據(jù)這兩種假定條件，應(yīng)用先進(jìn)的CFD[5]三維流場(chǎng)分析方法，對(duì)由導(dǎo)葉、半開(kāi)葉輪、葉片擴(kuò)壓器和蝸室所組成的整段進(jìn)行分析計(jì)算來(lái)驗(yàn)證，確定目標(biāo)條件為功率損失40％以上，輸入實(shí)際的進(jìn)出口流量、壓力、溫度等邊界條件，真實(shí)還原氣流的實(shí)際流動(dòng)情況，得出相應(yīng)的性能曲線。通過(guò)對(duì)性能參數(shù)的變化情況來(lái)看能否解釋這種現(xiàn)象[6]。

3.1 假設(shè)葉輪出口有比較大的漏氣量回流至進(jìn)口（按回流量22％計(jì)算）

從CFD分析的圖1中可以看出，漏氣多曲線與漏氣少曲線相對(duì)比，在壓縮機(jī)法蘭處的容積流量是相同的，為67.6m3/s。兩種計(jì)算取相同的導(dǎo)葉開(kāi)度值，考慮漏氣損失時(shí)，葉輪進(jìn)口處的混合后溫度為45℃，葉輪進(jìn)口的容積流量變大，為87.4m3/s，漏氣量大時(shí)，葉輪工作在大流量低效率區(qū)。效率降低了20％，出口溫度升高了近10℃，氣動(dòng)功率增加600kW左右，出口壓力降低到了0.3bar。從這個(gè)分析可以解釋流量小，但是溫度升高和壓力降低的幅度并不是很大,功率超了10％～15％，同時(shí)結(jié)構(gòu)上漏氣量20％以上的可能性較小，所以計(jì)算結(jié)果并不能解釋故障的成因。

圖1 效率、壓力、溫度、功率與流量曲線圖

3.2 假設(shè)進(jìn)口導(dǎo)葉開(kāi)度反向

半開(kāi)輪的設(shè)計(jì)流量系數(shù)在0.14～0.16，馬赫數(shù)Mu=0.9時(shí)，通過(guò)CFD計(jì)算，導(dǎo)葉不同開(kāi)度下計(jì)算得到壓比ε和流量系數(shù)φ，多變效率η與流量系數(shù)φ的性能曲線。

根據(jù)半開(kāi)葉輪的模型級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同的導(dǎo)葉開(kāi)度下，壓比ε和流量系數(shù)φ的變化情況如圖2所示。

計(jì)算分析流量系數(shù)φ和多變效率η的變化情況如圖3所示。

通過(guò)圖2和圖3的導(dǎo)葉各開(kāi)度下的性能曲線對(duì)比，可以清晰的看到導(dǎo)葉進(jìn)口角度-40°和-50°時(shí)，葉輪的進(jìn)口流量基本在同一范圍內(nèi)，但是出口壓力、多變效率大幅降低[7]，出口溫度升高20℃～30℃，功率增加30％～40％?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的葉輪周速的馬赫數(shù)Mu在1.05左右，所以溫升會(huì)更高。這與實(shí)際運(yùn)行情況基本相符，結(jié)論是進(jìn)口導(dǎo)葉的實(shí)際開(kāi)度應(yīng)該是在-40°左右的位置。

圖2 流量系數(shù)與壓比的性能曲線圖

圖3 流量系數(shù)與多變效率的性能曲線

3.3 導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能分析

進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)是通過(guò)改變導(dǎo)葉角度來(lái)改變氣流進(jìn)入葉輪進(jìn)口角使氣流產(chǎn)生預(yù)旋來(lái)達(dá)到流量調(diào)節(jié)的方法。該進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器安裝在蝸殼上，位置在半開(kāi)葉輪前，通過(guò)導(dǎo)葉的正負(fù)預(yù)旋的作用實(shí)現(xiàn)流量的減小和增大調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器由角行程氣動(dòng)執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，在控制室給定開(kāi)度百分比后，控制系統(tǒng)發(fā)出4～20mA的電信號(hào)給執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉進(jìn)行0～90°角度開(kāi)合（如圖4所示）來(lái)調(diào)節(jié)流量[8]。

正預(yù)旋時(shí)，進(jìn)口空氣的流動(dòng)角度與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相吻合，隨著導(dǎo)葉向同方向旋轉(zhuǎn)，具有一定排氣壓力的體積流量逐漸減小，耗功降低。負(fù)預(yù)旋時(shí)，進(jìn)口空氣流動(dòng)角度與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，隨著導(dǎo)葉反方向旋轉(zhuǎn)，體積流量和壓力可以增加到一定程度。如果超過(guò)某個(gè)控制極限，流體將在導(dǎo)葉處分離，合成的紊流導(dǎo)致流體體積和壓力的降低，并且對(duì)壓縮機(jī)效率有相反的作用[8]。

現(xiàn)場(chǎng)反饋，導(dǎo)葉的位置為54％，現(xiàn)場(chǎng)的氣動(dòng)執(zhí)行器的4mA和20mA電信號(hào)與導(dǎo)葉對(duì)應(yīng)位置是我廠客服人員現(xiàn)場(chǎng)操作完成的，存在著位置對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤的可能性。通過(guò)上述分析，導(dǎo)葉應(yīng)處于-40°左右的負(fù)預(yù)旋范圍內(nèi)，可能的情況是導(dǎo)葉的4mA電信號(hào)初始位置與20mA電信號(hào)對(duì)應(yīng)角度位置正好相反設(shè)置，所謂的54％開(kāi)度位置，如圖5所示大約在-31.4°的位置，與CFD分析相吻合。

圖4 進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器的正確安裝位置

圖5 進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器的錯(cuò)誤位置圖

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證與故障排除

通過(guò)上面的結(jié)構(gòu)和理論分析得出，問(wèn)題出在進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)上，可以順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩種可能，而壓縮機(jī)在廠內(nèi)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)并未對(duì)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)角度進(jìn)行校驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)安裝情況復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)安裝人員對(duì)結(jié)構(gòu)原理不清楚，造成結(jié)構(gòu)角度與氣動(dòng)執(zhí)行器信號(hào)對(duì)應(yīng)的初始位置反向。在7月初利用用戶停機(jī)檢修的機(jī)會(huì)，與氣動(dòng)執(zhí)行器廠家一起到現(xiàn)場(chǎng)，拆下一段進(jìn)風(fēng)筒，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉如圖6所示，導(dǎo)葉處在負(fù)預(yù)旋角度較大的位置上，驗(yàn)證機(jī)組一直在低效率、高功耗的狀態(tài)下運(yùn)行[9]。

圖6 進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器的現(xiàn)場(chǎng)故障位置圖

通過(guò)改變氣動(dòng)執(zhí)行器的控制元件改變其旋轉(zhuǎn)方向，同時(shí)將進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)整器按圖4的正確初始位置與電信號(hào)進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。整改后機(jī)組再次開(kāi)車，進(jìn)口溫度24℃時(shí)，一段出口溫度100.6℃，出口壓力0.18MPa(A)，流量和出口壓力均達(dá)到設(shè)計(jì)值，電動(dòng)機(jī)電流1 290A，核算功率19 405kW，機(jī)組開(kāi)車成功，用戶非常滿意。

5 結(jié)論

借鑒于此次故障處理的經(jīng)驗(yàn)，將采用角行程氣動(dòng)執(zhí)行器的機(jī)組都進(jìn)行了排查。同時(shí)應(yīng)用精益思想進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造加工的防錯(cuò)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造方面的改進(jìn)。首先在機(jī)組的蝸殼上增加安裝標(biāo)識(shí)，在機(jī)組出廠前進(jìn)行導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器的安裝調(diào)試。其次提供給用戶的裝配圖紙和說(shuō)明書(shū)上增加導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器的正確安裝說(shuō)明和注意事項(xiàng)。

通過(guò)上述的措施，可避免類似故障的發(fā)生，取得了令人滿意的效果。通過(guò)此次故障的分析處理，可以深刻認(rèn)識(shí)到，看似相關(guān)不大的零部件安裝失誤卻會(huì)嚴(yán)重影響到機(jī)組乃至整個(gè)裝置的性能。進(jìn)而在壓縮機(jī)質(zhì)量上要精益求精，技術(shù)上做好每一個(gè)細(xì)節(jié)，為我國(guó)大型離心壓縮機(jī)組迅速趕超國(guó)際先進(jìn)水平作出自己的貢獻(xiàn)。

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通過(guò)對(duì)某用戶現(xiàn)場(chǎng)空分壓縮機(jī)運(yùn)行中流量偏低，一段出口溫升高的原因在不能停機(jī)檢查的條件下進(jìn)行故障排查和理論分析，確定問(wèn)題出于導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器初始位置和旋轉(zhuǎn)反向所致，檢修排除故障并進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。分析的方法及處理經(jīng)驗(yàn)可以在類似機(jī)組中借鑒。

空分壓縮機(jī)；溫升高；導(dǎo)葉調(diào)節(jié)器；CFD分析；負(fù)預(yù)旋

Fault Analysis and Treatment of High Temperature Rise in MCO Air Separation Compressor Volute

Qi Zhiyong,Hao Yan,Chen Yongfeng, Kang Jianxing/Shenyang Blower Works Group Corporation

air separation compressor; high temperature rise;guide vane regulator; CFD analysis;negative pre-whirl

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）01-0073-06

10.16492/j.fjjs.2015.01.113

2014-07-04遼寧沈陽(yáng)110869

Abstract：Under the condition of continuous operating,this paper described the malfunction elimination and theoretical analysis of the problems occurred during operating of air separation compressor on a user field,which were related to the under-predicted volume flow and high temperature rise at the 1st stage discharge, and finally found out the problems were induced by the original position of the guide vane and the direction of rotation,then debugged and made modifications.The method of analysis and treatment experience can be used for reference in similar units.