原料氣壓縮機溫度高原因分析及處理

張錫德 劉昌偉 李 莉/中石油塔里木石化分公司

朱思魯/新疆華油新海石油工程技術有限公司

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原料氣壓縮機溫度高原因分析及處理

張錫德 劉昌偉 李 莉/中石油塔里木石化分公司

朱思魯/新疆華油新海石油工程技術有限公司

Abstract

介紹了原料氣壓縮機循環(huán)回路溫度高、循環(huán)回路管線及壓縮機外表面冒煙、壓縮機后軸封融化粘連的事故現(xiàn)象及特點。對其原因進行了逐項分析，結果是因循環(huán)水斷水或水量不足造成壓縮機熱量無法帶出，轉子軸高溫伸長致使壓縮機后軸封高溫融化而粘連。最后對損壞部件如后軸封、平衡盤梳齒及O型圈等進行了更換處理；對轉子彎曲度進行檢查確認；對防喘振閥冷卻器泄漏管進行了堵管處理，并采取了相應防范措施。

原料氣壓縮機；循環(huán)回路；溫度高；分析；措施

0 引言

塔里木化肥原料氣壓縮機為多級離心式壓縮機，該機于2010年5月投入裝置正常生產(chǎn)，2014年12月9日因尿素裝置汽提塔內(nèi)漏而裝置停運，合成氨裝置一直處于50%負荷運行，循環(huán)水兩臺電泵A/C運行，10點52分循環(huán)水電泵A因接線盒爆，電網(wǎng)晃電，造成兩臺電泵停運，循環(huán)水斷水，11點5分啟動B泵，循環(huán)水壓力為0.2MPa（G），12點29分C泵啟動，雙泵運行，在此期間除了一段爐外，其它裝置停車，為盡快恢復裝置生產(chǎn)，原料氣壓縮機一直處于自循環(huán)工作狀態(tài)，11 點33分38秒因原料氣壓縮機回流管路溫度高，其管線外表面溫度達到283℃，內(nèi)操按正常程序停機，后經(jīng)兩次試開機組，汽輪機無轉速，確認壓縮機內(nèi)部因高溫發(fā)生故障。12月10日壓縮機進行解體檢查，對轉子進行徑向跳動量及彎曲度檢查，對壓縮機損壞部件進行了更換，并就原料氣壓縮機循環(huán)回路溫度高的事故原因進行了調查和分析。壓縮機轉子高溫情況見圖1。

圖1　壓縮機拆檢轉子圖

1 原料氣壓縮機組有關情況介紹

該壓縮機組用于化肥合成氨裝置轉化系統(tǒng)，其作用是將天然氣進行壓縮，為一段轉化爐提供生產(chǎn)氫氣的轉化原料。原料氣壓縮機為多級離心式壓縮機，一個缸體，一段壓縮，其型號為BCL405，壓縮機有5個葉輪，葉輪為一個方向排布，采用平衡管方式平衡其軸向力，其軸封采用串聯(lián)式干氣密封，汽輪機為中壓冷凝式透平，其型號為SVKJPE5，由美國Elliott公司生產(chǎn)，機組有關參數(shù)如下。

1.1 機組有關參數(shù)

機組有關參數(shù)見表1。

表1　機組有關參數(shù)表

1.2 壓縮機主要工藝流程

原料氣壓縮機為一段壓縮。來自末站的天然氣壓力1.866MPa（G），溫度為25℃（夏季），進入壓縮機被壓縮至4.36MPa（G），溫度為115℃左右，進入一段轉化爐與水蒸氣反應產(chǎn)生工藝所需的氫氣。

為防止壓縮機喘振，在工藝回路流程中設置了防喘振閥01FZI4130，在機組開車過程中，防喘振閥處于全開狀態(tài)，當汽輪機達到最低工作轉速8 910r/min時，防喘振閥處于工作狀態(tài)。防喘振閥可設置為自動或手動模式，可根據(jù)生產(chǎn)要求對防喘振閥開度大小進行調節(jié)［1-2］。

機組停車有兩種方式，一種為正常停車，另一種為緊急停車。正常停車程序為打開喘振閥，將汽輪機轉速降至8 910r/min，在操作屏幕上點停車按鈕，汽輪機轉速會快速下降至1 000r/min，然后按緊急停車按鈕。緊急停車指在汽輪機工作轉速下，直接按緊急停車按鈕而快速停機，此時防喘振閥處于緊急全開狀態(tài)［3-4］。在防喘振回路上設置了水冷卻器，其作用是將壓縮機循環(huán)流量的熱量帶走［5］。其工藝流程圖見圖2。

圖2　原料氣壓縮機PID流程圖

2 壓縮機回路高溫事故介紹

2014年12月9日10點52分因循環(huán)水電泵A接線盒爆，兩臺循環(huán)水電泵停運，循環(huán)水斷水，造成除一段爐外，其它化肥裝置全部停車，為盡快恢復生產(chǎn)，原料氣壓縮機一直未停機，10點56分13秒內(nèi)操在手動模式下打開喘振閥，使壓縮機氣量進行自循環(huán)，因壓縮機循環(huán)回路溫度高，11點33 分38秒按正常停車程序停機組，11點44分18秒機組完全停止，在此過程中外操發(fā)現(xiàn)壓縮機循環(huán)回路溫度在不斷上升，11點28分防喘振閥閥體溫度已高到283℃，管線及壓縮機殼體外表面已開始冒煙，而內(nèi)操通過監(jiān)屏，觀察01TIA4139及01TI4138點最高溫度為95.8℃，在正常指標內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)溫度異常。機組運行情況見圖3。

圖3　機組故障運行狀況圖

3 事故原因分析

3.1循環(huán)回路溫度高原因分析

將機組的運行參數(shù)及與機組有關的工藝參數(shù)從ITCC及DCS中調出得到表2

對表2及圖3進行分析，并結合操作人員對事故經(jīng)過的描述，情況總結如下：

1）在正常工作時，壓縮機防喘振閥開度為24.95%。從10：56：18秒喘振閥開始進一步打開，壓縮機流量進入自循環(huán)狀態(tài)，其開度為55.33%～80.57%。

表2　機組運行數(shù)據(jù)

2）在高轉速下，壓縮機防喘振閥打開，其流量處于自循環(huán)狀態(tài)的時間，即從10：56：18秒到11：38：17秒，持續(xù)的時間為42分鐘。

3）機組未進行緊急停車操作，而是按正常停車操作，于11：35：03秒手動停車，11：44：39秒完全停下來。

4）壓縮機進口溫度從4.9℃逐漸上升到51.4℃。

5）壓縮機出口溫度變化不大，在流量自循環(huán)過程中其溫度最高為103.3℃，在指標120℃之內(nèi)。

6）外操反映壓縮機流量循環(huán)回路的溫度不停升高，管路外表面溫度最高達到283℃。

7）最終循環(huán)回路管線及壓縮機外表面出現(xiàn)冒煙。

8）10點52分循環(huán)水電泵A因接線盒爆，緊接著電網(wǎng)晃電，造成兩臺電泵停運，循環(huán)水斷水。

9）11點5分啟動B泵，循環(huán)水壓力為0.2MPa （G），12點29分C泵啟動雙泵運行，循環(huán)水正常，其壓力為0.47MPa（G）。

10）內(nèi)操通過計算機操作屏幕監(jiān)控01TIA4139 及01TI4138測溫點并未發(fā)現(xiàn)溫度異常。

在壓縮機流量處于自循環(huán)過程中，其產(chǎn)生的熱量由防喘振冷卻器帶走，根據(jù)上述情況可以看出，10點52分到12點29分壓縮機冷卻器處于斷水或水量不足的狀況，壓縮機產(chǎn)生熱量無法及時帶走，造成整個回路（包括壓縮機本體）溫度上升。

對于壓縮機進、出口測溫點01TI4138及01TIA4139，在操作屏幕畫面上標注在A1及A2位置，而在實際流程中，其位置在B1和B2點見圖2，其位置處于流量循環(huán)回路之外，且安裝點遠離回路，當壓縮機流量打循環(huán)時，這兩點溫度不能反映壓縮機的進、出口溫度，所以監(jiān)屏人員未發(fā)現(xiàn)01TIA4139及01TI4138點的溫度異常。

3.2 汽輪機沖轉失敗原因分析

因該機組未設盤車器，所以事故出現(xiàn)后，對機組進行了兩次直接試開，汽輪機調速閥開度分別達到了23%及31%，但汽輪機轉速為零，汽輪機沖轉失敗，在正常情況下，調速閥開度達到31%時，汽輪機已達到正常工作轉速10 868r/min，說明壓縮機內(nèi)部出現(xiàn)了故障。在高溫作用下，壓縮機內(nèi)部動、靜部件有嚴重的粘連和卡澀現(xiàn)象。壓縮機結構裝配見圖4。

經(jīng)對圖4分析認為，壓縮機動、靜部件粘連和卡澀可能由以下幾方面造成：

1）隔板變形造成葉輪與隔板摩擦，轉子不動；

2）蓋板密封與葉輪摩擦造成轉子不動；

3）隔板密封與轉子軸摩擦造成轉子不動；

4）干氣密封動靜環(huán)損壞造成轉子不動；

圖4　壓縮機結構裝配圖

5）轉子前、后軸封與軸摩擦造成轉子不動。

對于上述問題，均需對壓縮機進行解體檢查、確認。將轉子兩側干氣密封拆出后，干氣密封完好，未發(fā)現(xiàn)異常，將前蓋板拆除后，未發(fā)現(xiàn)前軸封粘連、卡澀及損壞。

在拆除兩側的徑向、軸向推力軸承、壓縮機側聯(lián)軸器鼓、干氣密封及前蓋板后，使用專用工具將轉子內(nèi)筒從前端拉出，當液壓泵壓力上升至20MPa時，內(nèi)筒僅向外軸向移動了3.5mm，此時固定內(nèi)筒螺栓絲扣已變形松動，為防止壓縮機重要部件損壞，此法作罷，內(nèi)筒未能拉出，分析認為其原因可能如下：

1）壓縮機內(nèi)的滾輪將外筒體內(nèi)壁拉毛而卡澀；

2）平衡盤密封損壞、卡澀；

3）后軸封損壞而粘連、卡澀。

經(jīng)決定拆除后蓋板，采取后頂前拉的辦法將內(nèi)筒拉出，在用頂絲拆除后蓋板時，發(fā)現(xiàn)后蓋板也僅能移動3.5mm，說明平衡盤密封或后軸封存在粘連、卡澀，而滾輪將外筒體內(nèi)壁拉毛而卡澀的推論基本上可以排除，因平衡盤密封或后軸封材質為鋁合金，此處為薄弱環(huán)節(jié)，強行拆除不會損壞其它部件，同時平衡盤密封及后軸封備件齊全，所以對后蓋板進行強行頂出，拆除后發(fā)現(xiàn)后軸封端面與平衡盤背帽端面融化粘連在一起，其情況見圖5。

圖5　端面粘連情況圖

3.3 后軸封融化粘連原因分析

壓縮機回路管線外表面溫度達到283℃，可預測壓縮機內(nèi)部溫度最高在300℃之內(nèi)，該溫度不足以使鋁合金材料LD10融化，經(jīng)查該材料的熔點為700℃～750℃［6］，內(nèi)筒解體后，蓋板密封及隔板密封（材質LD10）完好就充分說明了這一點。后軸封在壓縮機外側，其溫度遠低于壓縮機內(nèi)部溫度，理論上講后軸封更不可能融化。

對壓縮機結構裝配圖分析發(fā)現(xiàn)，壓縮機轉子前側為定位端，后端為自由膨脹端，在壓縮機運轉時，后軸封端面與平衡盤背帽端面之間相對轉動，其間隙為0.2mm［7］，正常工作時，轉子最高溫度為120℃，當轉子受到300℃溫度作用時發(fā)生軸向膨脹，因前端為定位端，其軸向膨脹量向后端移動［8］，造成后軸封端面與平衡盤背帽端面接觸，轉子高速旋轉，其端面產(chǎn)生的高溫摩擦熱將后軸封端面融化。在未停車前，為融化狀態(tài)，并不影響轉子運轉，當機組停車后，溫度降低，后軸封端面鋁合金凝固，與平衡盤背帽端面粘連在一起。

4 修理及對策

出現(xiàn)高溫事故后，對壓縮機進行解體，從外觀上看，除了壓縮機后軸封端面融化損壞及平衡盤梳齒條個別損壞外，其余部件完好，對此做出以下決定：

1）對轉子的彎曲度進行檢查，其最大徑向跳動量為0.02mm，設計值小于或等于0.03mm，轉子符合要求，可以使用。

2）對轉子后軸封及平衡盤梳齒進行更換。

3）對內(nèi)筒體外表面O型圈進行更換；

4）對轉子平衡盤背帽端面粘連金屬進行車削、清除。

5）對于壓縮機進、出口測溫點01TI4138及01TIA4139，與設計院聯(lián)系，擇機將現(xiàn)有位置B1 及B2改為A1及A2。

6）增加A2點的溫度報警值，設定值為140℃，以提醒用戶，避免高溫對壓縮機造成損壞。

7）因防喘振閥冷卻器受高溫作用，經(jīng)試壓檢查，17根換熱管存在泄漏，進行了堵管處理。

為防止此類事故的再次發(fā)生，做以下要求：

1）當循環(huán)水水量不足或斷水時，壓縮機必須按緊急停車進行處理。

2）加強業(yè)務培訓，操作人員對機組的測溫點、測壓點及流量測點的實際位置要清楚，在出現(xiàn)異常時，能及時做出正確判斷。

3）內(nèi)、外操要加強通訊、聯(lián)系，同時加強培養(yǎng)內(nèi)、外操果斷處置事故的能力。

5 結論

介紹在循環(huán)水斷水或水量不足的情況下原料氣壓縮機因未停機，造成其循環(huán)回路溫度升高，壓縮機腔內(nèi)部件損壞的工藝操作事故，經(jīng)分析得出了以下結論：

1）在斷水或水量不足的情況下，壓縮機產(chǎn)生的熱量無法帶出，勢必造成壓縮機溫度急劇上升。

2）在接近300℃的溫度作用下，壓縮機轉子軸向伸長，動靜部件摩擦產(chǎn)生高溫融化，冷卻粘連導致機組無法啟動。

3）當循環(huán)水斷水時，壓縮機必須按操作規(guī)程做緊急停車處理。

4）在壓縮機出現(xiàn)高溫時，外操應果斷處置，現(xiàn)場緊急停車。

5）對壓縮機進、出口測溫點需改變安裝位置，以防誤判。

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Analysis and Treatment of Reason for High Temperature in Natural Gas Compressor

Zhang Xi-de，Liu Chang-wei，Li Li/China Petroleum Tarim PetrochemicalCompany
Zhu Si-lu/Xinhai Petroleum Engineering Corporation， Xinjiang Sinopetroleum Technology Inc

This article introduced complications and characteristics such as the high temperature in the circulation loop，fume from both in and outside the compressorand circulation loop pipeline，the melting and conglutination of the back shaft seal.Through analysis of possible reasons behind thesecomplications，itwas found that cutting offwater or a shortage of circulating water，caused the compressor tooverheatdue to a lack of heat dissipation.The damaged parts such as the back shaft seal，sealing strip for the balancedisk and o-ring and so on，have all been replaced.The curvature of the rotor has been checked and confirmed. The leakage from theanti-surgevalve cooler waspluged and prevented.

feed gas compressor；circulation loop；high temperature；analysis；solution

TH432；TK05

A

1006-8155（2016）01-0090-05

10.16492/j.fjjs.2016.01.0053

2015-06-08 新疆 庫爾勒 841000