氯氣壓縮機工藝技術剖析和故障診斷

黃小龍

(柳化氯堿有限公司燒堿分廠，廣西 柳州 545600)

【氯氫處理】

氯氣壓縮機工藝技術剖析和故障診斷

黃小龍

(柳化氯堿有限公司燒堿分廠，廣西 柳州 545600)

氯氣壓縮機；工藝技術；故障診斷

介紹氯氣壓縮機系統(tǒng)原理、流程和特點。解析氯氣壓縮機的相關技術知識，進行故障診斷，加深對氯壓機系統(tǒng)的了解，以便更好操作和維護大型機組，保證其穩(wěn)定運行。

氯氣壓縮機是氯堿企業(yè)中最重要的設備之一，是氯堿企業(yè)的心臟。氯壓機和電解槽連鎖，如果氯壓機出現(xiàn)故障停機，電解槽會連鎖停槽，將造成燒堿分廠全線停車。氯氣壓縮機能否正常運行直接關系到氯堿企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。本文中通過解析氯壓機的相關技術知識，加深對氯壓機系統(tǒng)的認識，當氯壓機出現(xiàn)故障時能及時進行處理，保證氯壓機實現(xiàn)長周期穩(wěn)定運行。

1 氯氣壓縮機系統(tǒng)原理、流程和特點

1.1 氯壓機系統(tǒng)原理

氯氣壓縮機是一種具有渦輪的離心式壓縮機，借葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使氣體壓縮，其作用與液體輸送所用的離心泵或離心式風機相似，因為氣體的壓縮消耗機械能并轉(zhuǎn)化為熱能，所以壓縮機每一段的壓縮比不能過大，并須在級間設置中間冷卻器以移去熱量，使氣體體積減小以利于壓縮過程的逐級進行[1]。

氯氣壓縮機是大型氯堿廠最為適宜的氯氣輸送設備，其能耗低，按10萬t/a燒堿生產(chǎn)規(guī)模，每年氯氣壓縮機比系統(tǒng)納氏泵(液環(huán)壓縮機)節(jié)電400萬kW·h以上。它的檢修周期長，一般在1年以上，運行費用也低。因其在壓縮過程中氯氣溫度較高，機械精度也比較高，所以對氯氣含水及其他雜質(zhì)的要求相應提高，一般要求氯氣含水質(zhì)量分數(shù)在0.01%以下。

廣西柳化氯堿有限公司(以下簡稱“廣西柳化氯堿”)20萬t/a燒堿工程項目的氯氣壓縮機采用德國西門子(原德國KKK公司)3(2)VRZ250/430G型透平機，項目于2010年1月建成投產(chǎn)至今，氯壓機沒有出現(xiàn)過大的機械故障，是因為氯氣壓縮機采用一套完整保護措施。

該氯氣壓縮機為分為兩級壓縮，機組主要由腔體、兩級葉輪、變速箱、電動機、潤滑油站以及中后冷卻器構成。因壓縮機輸送的介質(zhì)是劇毒物質(zhì)氯氣，空氣中允許的氯氣含量低于1 mg/m3，因此機封采用有3個氣室的雙迷宮密封，用干燥氮氣或儀表氣作為緩沖氣，中間的氣室將緩沖氣與泄漏氯氣的混合物排到廢氣處理系統(tǒng)，有效避免氯氣泄漏到空氣中。整個主機系統(tǒng)有63個連鎖保護參數(shù)，包括機組軸位移、軸振動、機組軸承溫度、電動機軸承和定子溫度、潤滑油溫度和壓力、吸氣排氣壓力、排氣流量、排氣溫度等監(jiān)測點；進口導葉閥、機組自身回流閥由西門子PLC喘振控制器控制，真正做到了機組運行穩(wěn)定、壓力控制穩(wěn)定、操作簡單，同時有效保證了機組在使用中不會受到損壞。

氯壓機剖面圖見圖1。

西門子3(2)VRZ250/430G氯壓機報警連鎖保護參數(shù)見表1。

圖1 氯壓機剖面圖Fig.1 Sectional view of chlorine compressor

表1 氯壓機連鎖報警停機表Table 1 Interlock alarming shutdown of chlorine compressor

壓縮機系統(tǒng)設置氯氣回流調(diào)節(jié)的目的是防止壓縮機發(fā)生喘振及倒吸現(xiàn)象，并穩(wěn)定進口總管氯氣壓力以保證電解槽平穩(wěn)運行。將壓縮后的部分氯氣回流到壓縮機一級入口或干燥塔進口，以保證氯氣連續(xù)壓送。另外還配有潤滑油、密封氣、儀表、電氣等系統(tǒng)。氯壓機軸承和增速器采用透平機油無間斷進行潤滑，以保證機組安全正常運行。密封氣(氮氣)來自空壓站，供氯氣壓縮機隔離室密封充氣用。隔離氣(儀表空氣)也來自空壓站，供油箱和軸套用，以防止氯氣自缸內(nèi)溢出污染潤滑油和環(huán)境。儀表系統(tǒng)主要是全面監(jiān)視壓縮機進出口和各級之間氯氣溫度、壓力值，掌握壓縮機及中間冷卻器運轉(zhuǎn)情況，自動調(diào)節(jié)壓縮機出口至進口回流量，以穩(wěn)定氯氣干燥系統(tǒng)的壓力，避免壓縮機發(fā)生喘振。提供壓縮機運轉(zhuǎn)所需壓力的潤滑油。提供密封所需壓力平穩(wěn)的密封氣。用軸位移指示儀指出壓縮機軸承縱向位移值，用振動指示儀指出壓縮機的振動情況。這些任務是靠儀表自動調(diào)節(jié)連鎖來實現(xiàn)的。

1.2 氯壓機系統(tǒng)流程和機組特點

氯氣壓縮機流程如圖2所示。

圖2 氯氣壓縮機流程圖Fig.2 Process flow diagram of chlorine compressor

由圖2可知：含水質(zhì)量分數(shù)低于0.01%，不含鹽霧、硫酸液滴、有機雜質(zhì)，含氯體積分數(shù)約98%的干燥氯氣壓力不低于0.01 MPa，進入氯氣透平壓縮機一級入口，經(jīng)一級葉輪壓縮后，氯氣進入中間冷卻器，冷卻后氯氣進入壓縮機二級入口壓縮，出來的氯氣進入后冷卻器，出后冷卻器的氯氣壓力達到0.3 MPa，進入到氯氣分配臺至各用氯工序。

從離子膜電解槽到總管的氯氣壓力由氯壓機控制。穩(wěn)定氯壓機進口的氯氣壓力主要通過控制氯壓機自我保護裝置中的防喘振控制閥即回流閥來實現(xiàn)。氯氣流量低于設定值時，防喘振控制閥開啟補充進口流量；流量大時，防喘振控制閥關小，減少補氣量；氯氣流量達到機組設計能力時，防喘振控制閥關閉。防喘振控制閥由防喘振控制器自動控制，用來保證機組的正常運行。

在壓縮機一級葉輪前裝有入口導葉閥，用于調(diào)節(jié)壓縮機的工作能力，導葉閥由安裝在機體上的氣動調(diào)節(jié)機構控制，由PLC系統(tǒng)調(diào)節(jié)也可以遠傳到主控室DCS進行調(diào)節(jié)。在運行過程中采用氯氣壓縮機控制離子膜電解槽氫氣和氯氣總管壓差在4 kPa左右。氯壓機通過入口導葉閥來調(diào)節(jié)進氣壓力，進氣壓力的降低直接影響到壓縮機排氣壓力，使壓縮機性能曲線下移，調(diào)節(jié)進口實際上是改變了壓縮機的性能曲線，達到調(diào)節(jié)流量的目的。

西門子VRZ250/430G壓縮機在不同流量下的壓力曲線如圖3所示，西門子VRZ250/430G壓縮機在不同流量下的功率曲線如圖4所示。

圖3 西門子VRZ250/430G壓縮機在不同流量下的壓力曲線圖Fig.3 Pressure-flow curve of Siemens compressor VRZ250/430G

和普通壓縮機相比，進口導葉閥調(diào)節(jié)的經(jīng)濟性較好。對某壓縮機進行的測試表明，在流量變化范圍為60%～80%時，進口節(jié)流比出口節(jié)流節(jié)省4%～5%的功率[2]。進口導葉閥還有1個優(yōu)點是導葉閥關小會使壓縮機性能曲線向小流量區(qū)移動，因而可使壓縮機在更小的流量工況下工作，不易造成喘振。在機組入口壓力變化較小時，進口導葉閥可以進行微調(diào)，來保證機組入口壓力，導葉閥可以設置為自動調(diào)節(jié)也可以設置為手動調(diào)節(jié)。從氯氣出口管到進口管裝有回流調(diào)節(jié)閥，當系統(tǒng)氯氣壓力波動大如電解槽升降負荷時，可通過回流調(diào)節(jié)閥來穩(wěn)定進口壓力。正常操作時，氯氣壓縮機入口壓力可設定為0 kPa，此時進口導葉閥投入自動調(diào)節(jié)(進口導葉閥在關閉狀態(tài)時，默認在5%的閥位開度)。

圖4 西門子VRZ250/430G壓縮機在不同流量下的功率曲線圖Fig.4 Power-flow curve of Siemens compressor VRZ250/430G

2 氯氣壓縮機系統(tǒng)故障診斷

故障診斷是對機器進行在線的、動態(tài)的監(jiān)測和診斷，使在運行中或基本不拆設備的情況下，根據(jù)機器在運行過程中產(chǎn)生的各種物理、化學信號進行采集、貯存、處理和分析，及時了解設備“健康”情況，對已形成或?qū)⒁纬傻墓收线M行診斷，判斷故障的部位、性質(zhì)和程度，及其產(chǎn)生的原因，預測機器未來的技術情況，從而采取消除故障的措施，這就是現(xiàn)代機器故障診斷技術要從事的工作。氯氣壓縮機現(xiàn)已采用在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)，進行現(xiàn)場的連續(xù)監(jiān)測和計算機實時診斷和處理，遇到緊急情況能及時報警、監(jiān)控和連鎖停機[3]。

廣西柳化氯堿的氯壓機采用PLC系統(tǒng)進行實時診斷和處理各個監(jiān)測點，能做到遇緊急情況及時報警、監(jiān)控和連鎖停機，有效保護大型機組實現(xiàn)長周期健康運行。

氯壓機常見故障原因診斷及處理方法見表2。

表2 氯壓機常見故障原因診斷及處理方法Table 2 Causes, diagnosis and treatments of common fault of chlorine compressor

2014年7月，氯氣壓縮機運行過程中發(fā)生報警，發(fā)現(xiàn)密封氣即氮氣流量增加，并超過了29 m3/h，而且密封氣壓力降低，機組報警前密封氣壓力15 kPa，機組報警后密封氣壓力降至3 kPa。

分析原因是：機組自投產(chǎn)至今4年多時間，估計是因迷宮軸氣封磨損層磨損大，迷宮軸封間隙增加，導致了密封氣流量增加和密封氣壓力下降。由于生產(chǎn)需要和采購備件相關事宜，廣西柳化氯堿決定于2014年12月停車維修，在維修氯壓機時拆開機組檢查，發(fā)現(xiàn)迷宮軸氣封磨損層磨損嚴重，和新迷宮軸氣封磨損層相比分別如圖5、6所示。

維修更換迷宮軸氣封后，氯壓機再次運行，迷宮密封氣流量降到了16 m3/h，密封氣壓力升到了15 kPa，報警消除，機組正常運行。

圖5 舊迷宮軸氣封Fig.5 Original labyrinth gas seal for shaft

圖6 新迷宮軸氣封Fig.6 New labyrinth gas seal for shaft

3 結(jié)語

氯氣壓縮機價格非常昂貴，然而，其使用價值遠遠高于其自身價值，氯壓機的檢修費用也是相當可觀的。因此，在使用過程中要熟悉氯壓機相關技術知識，并能正確操作和故障診斷，提高氯壓機的檢修質(zhì)量，延長氯壓機運行周期以降低維修成本，并保證企業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定運行。

[1] 方度，蔣蘭蓀，吳正德.氯堿工藝學[M].北京：化學工業(yè)出版社，1990：358-360.

[2] 朱建兵，萬燃.西門子3k氯氣壓縮機在化工行業(yè)的應用[J].中國化工貿(mào)易，2011(8)：135-136.

[3] 詹宏智. LLY-3700氯氣壓縮機檢修及故障診斷[C].第六屆全國設備維修與改造學術會議，2006：168-173.

[編輯：蔡春艷]

Analysis of chlorine compressor technology and fault diagnosis

HUANGXiaolong
(Guangxi Liuhua Chlor-Alkali Co. Ltd., Liuzhou 545600, China)

chlorine compressor; process technology; fault diagnosis

The principle, process and characteristics of chlorine compressor system were introduced. In order to operate and maintain the large-scale compressor well to ensure its stable running, technical knowledge related to chlorine compressor was analyzed, fault was diagnosed, and the understanding of chlorine compressor system was deepened.

黃小龍(1977—)，男，助理工程師，2001年畢業(yè)于廣西大學化學化工學院化工機械專業(yè)，2001—2006年在南寧化工股份有限公司負責設備管理工作，2006年至今在廣西柳化氯堿有限公司負責設備管理工作，現(xiàn)任廣西柳化氯堿有限公司燒堿分廠副廠長。

2017-02-02

TQ028.2

B

1008-133X(2017)04-0018-05