離心式壓縮機(jī)的防喘振控制與操作

李敬珂，朱新德

(河南能源化工集團(tuán)中原大化公司 河南濮陽(yáng) 457004)

河南能源化工集團(tuán)中原大化公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)中原大化公司)的合成氨裝置采用ICI- AMV工藝，以天然氣為原料，年產(chǎn)合成氨300 kt。除空氣壓縮機(jī)02K001外，該裝置的氣氨壓縮機(jī)09K001、合成氣壓縮機(jī)07K001、天然氣壓縮機(jī)01K001均采用汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。以09K001為例，針對(duì)壓縮機(jī)常見(jiàn)的喘振問(wèn)題進(jìn)行剖析和探討，總結(jié)防喘振的方法和控制要點(diǎn)。

1 09K001的基本參數(shù)和工藝流程

1.1 09K001的選型及設(shè)備參數(shù)

氫氮?dú)?10 580 kPa，239 ℃)在鐵催化劑的作用下于合成塔內(nèi)進(jìn)行氨的合成反應(yīng)，出合成塔的氣體(10 100 kPa，414 ℃，含氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)16.36%)進(jìn)入廢熱鍋爐回收熱量，之后依次進(jìn)入3臺(tái)換熱器(08E002，08E003和08E004)換熱，而后經(jīng)第1氨冷器08E005、第2氨冷器08E006進(jìn)行冷卻。09K001也稱(chēng)冰機(jī)，其作用是為氨冷器提供冷量，以冷卻分離出合成回路中的氨。中原大化公司合成氨裝置設(shè)計(jì)為兩級(jí)氨冷的冷凍循環(huán)，選用2MCL528/1型單缸兩段離心式壓縮機(jī)，由HG32/20型背壓蒸汽透平09MT01驅(qū)動(dòng)。09K001的主要結(jié)構(gòu)性能及壓縮參數(shù)如表1所示。

表1 09K001的主要結(jié)構(gòu)性能及壓縮參數(shù)

項(xiàng)目一段一級(jí)二級(jí)二段入口壓力/kPa228425908出口壓力/kPa4259341660壓縮比1．862．191．83入口溫度/℃-13．02．542．0出口溫度/℃86．0100．0流量/(kg·h-1)167763764955420葉輪級(jí)數(shù)/級(jí)233葉輪直徑/mm540500470轉(zhuǎn)速/(r·min-1)10770功率/kW4565

1.2 09K001在合成氨裝置中的工藝流程

來(lái)自08E006的氣氨(表壓128 kPa，-15 ℃)與來(lái)自08E005和氣體冷卻器10E004的氣氨(表壓325 kPa，0.5 ℃)分別進(jìn)入09K001一段一級(jí)和二級(jí)的吸入側(cè)，經(jīng)一段壓縮后的氣氨(表壓為830 kPa，86 ℃)送段間冷卻器09E005冷卻，冷卻后的氣氨與來(lái)自氨閃蒸槽09D001的氣氨相匯合，于表壓808 kPa、溫度42 ℃條件下進(jìn)入09K001的二段吸入側(cè)；經(jīng)二段壓縮后的氣氨(表壓為1 560 kPa，100 ℃)分為3路，第1路經(jīng)防喘振閥F09001返回至08E006，第2路經(jīng)防喘振閥F09002返回至08E005，第3路經(jīng)并聯(lián)的水冷器09E002A/B冷卻后冷凝為液氨并送至氨受槽09D002。

09D002中的液氨溫度較高，稱(chēng)為熱氨。熱氨流經(jīng)換熱器09E003A/B、氨閃蒸槽09D001及產(chǎn)品氨加熱器09E004后與來(lái)自閃蒸槽08D001的冷氨進(jìn)行熱交換，使之冷卻、減壓降溫，重新送往08E005，08E006和10E004用作冷凍劑。

2 離心式壓縮機(jī)喘振的危害、現(xiàn)象及判斷

2.1 喘振的危害

喘振是當(dāng)離心式壓縮機(jī)的進(jìn)口流量減少至一定程度時(shí)所發(fā)生的一種非正常工況下的振動(dòng)，氣體流量、進(jìn)出口壓力出現(xiàn)波動(dòng)，從而引起壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及工藝氣強(qiáng)烈波動(dòng)。

喘振的危害：①由于氣流強(qiáng)烈的脈動(dòng)和周期性振蕩，會(huì)使供氣參數(shù)(壓力、流量等)大幅波動(dòng)，破壞了工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性；②使壓縮機(jī)葉片發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，葉輪應(yīng)力大幅增加，噪聲加??；③引起動(dòng)靜部件的摩擦與碰撞，使壓縮機(jī)的軸發(fā)生彎曲變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，使軸向推力增大，發(fā)生燒毀止推軸瓦甚至掃膛事故；④加劇軸承、軸瓦的磨損，破壞潤(rùn)滑油膜的穩(wěn)定性，使軸瓦合金產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至發(fā)生燒瓦抱軸等事故；⑤損壞壓縮機(jī)的機(jī)械密封及軸封，使壓縮機(jī)效率降低，同時(shí)由于密封的損壞會(huì)造成工藝氣泄漏，極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故；⑥影響驅(qū)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，干擾操作人員的正常操作，使一些儀表、儀器的測(cè)量準(zhǔn)確性降低甚至損壞。一般機(jī)組的循環(huán)量、壓比、排氣壓力和氣體的密度越大，發(fā)生的喘振越嚴(yán)重，危害越大。

2.2 喘振的現(xiàn)象

離心式壓縮機(jī)發(fā)生喘振時(shí)，常見(jiàn)的現(xiàn)象：①壓縮機(jī)的出口壓力先升高，繼而急劇下降，并呈周期性波動(dòng)，出口壓力表的指針來(lái)回?cái)[動(dòng)；②壓縮機(jī)的流量急劇大幅波動(dòng)，甚至出現(xiàn)氣體倒灌至吸氣管道，帶動(dòng)壓縮機(jī)的汽輪機(jī)指示不穩(wěn)定；③機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，同時(shí)發(fā)出異常的氣流噪聲；④機(jī)組運(yùn)行聲音異常，有間斷、低沉的吼聲，相關(guān)的前后工序裝置工況也隨之大幅波動(dòng)。

2015年4月30日19：32，操作人員發(fā)現(xiàn)09K001的振動(dòng)增強(qiáng)，迅速查看相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其軸振動(dòng)值X09004和X09005分別達(dá)到73 μm和75 μm，超過(guò)了正常振值范圍(45～70) μm；09K001的入口壓力PRC09001從正常值1.28×105Pa(表壓)下降至0.92×105Pa(表壓)；壓縮機(jī)的流量F09001由正常值21 800 m3/h(標(biāo)態(tài))下降至17 400 m3/h(標(biāo)態(tài))，F(xiàn)09002由正常值72 800 m3/h(標(biāo)態(tài))降至65 100 m3/h(標(biāo)態(tài))，機(jī)組蒸汽用量F09004明顯波動(dòng)。根據(jù)運(yùn)行參數(shù)的變化，立即判斷為壓縮機(jī)發(fā)生喘振。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，08E005的液位L08003實(shí)際已上升至82%，初步判斷喘振是壓縮機(jī)一段入口氣氨帶液所致。為此，通過(guò)降低機(jī)組轉(zhuǎn)速S09001、手動(dòng)調(diào)整08E005進(jìn)氨閥開(kāi)度等措施，喘振現(xiàn)象逐漸消失，機(jī)組運(yùn)行逐步恢復(fù)正常。

3 喘振發(fā)生的條件和引起喘振的原因

3.1 喘振發(fā)生的條件

壓縮機(jī)的固有特性決定了壓縮機(jī)在一定的轉(zhuǎn)速下有其對(duì)應(yīng)的升壓比，即一定的流量對(duì)應(yīng)一定的出口壓力，并在一定的轉(zhuǎn)速下存在一個(gè)極限流量(即喘振流量)。當(dāng)流量低于喘振流量時(shí)，壓縮機(jī)就不能夠穩(wěn)定運(yùn)行而發(fā)生喘振。

壓縮機(jī)出口氣體的壓力大于一定轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的最高壓力時(shí)也會(huì)發(fā)生喘振，即壓縮機(jī)工作時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)壓力高于壓縮機(jī)在該轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的極限壓力時(shí)，便在壓縮機(jī)出口形成很高的“背壓”，使壓縮機(jī)出口阻塞、流量減少，甚至出現(xiàn)氣體倒流，造成壓縮機(jī)喘振。

3.2 引起喘振的原因

(1) 壓縮機(jī)的氣體流量運(yùn)行點(diǎn)距離喘振邊界太近或進(jìn)入了喘振區(qū)。

(2) 正常生產(chǎn)時(shí)，防喘振裕度設(shè)定不足或防喘振裝置未及時(shí)投自動(dòng)控制，均會(huì)導(dǎo)致操作運(yùn)行點(diǎn)易接近或進(jìn)入喘振區(qū)而發(fā)生喘振。防喘振整定值不準(zhǔn)或防喘振裝置與機(jī)構(gòu)失靈，也會(huì)導(dǎo)致喘振的發(fā)生。

(3) 壓縮機(jī)吸入氣體流量不足或出口氣體壓力太高，也容易導(dǎo)致喘振。

(4) 生產(chǎn)工況發(fā)生變化時(shí)，壓縮機(jī)放空閥或回流返回線閥Fv09001和Fv09002未及時(shí)打開(kāi)，將引發(fā)喘振。壓縮機(jī)氣體出口管線上的止逆閥內(nèi)漏、損壞或開(kāi)關(guān)不靈活等，導(dǎo)致氣體回路壓力波動(dòng)，也會(huì)引發(fā)喘振。

(5) 開(kāi)停車(chē)過(guò)程中或生產(chǎn)工況大幅變化時(shí)，09K001升速和升壓過(guò)快且不平穩(wěn)，或降速時(shí)沒(méi)有先降壓，從而導(dǎo)致喘振的發(fā)生。

(6) 根據(jù)氣體熱力學(xué)方程，氣體的溫度、壓力影響流量。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和出口壓力不變時(shí)，入口氣體溫度升高容易造成喘振；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，進(jìn)氣壓力越高則喘振流量值也會(huì)升高；在進(jìn)出口壓力均一定、轉(zhuǎn)速也不變的條件下，入口氣體組分發(fā)生變化，喘振流量值也會(huì)相應(yīng)變化，其中組分變輕，即分子量降低時(shí)易發(fā)生喘振。

(7) 壓縮機(jī)設(shè)備零部件損壞或脫落等設(shè)備故障，如機(jī)械密封、平衡盤(pán)密封、O形環(huán)損壞或脫落，均會(huì)誘發(fā)機(jī)組出現(xiàn)喘振。

4 離心式壓縮機(jī)喘振的預(yù)防措施

(1) 保證壓縮機(jī)設(shè)備本身及零部件完好無(wú)損；進(jìn)出口管線無(wú)泄漏；進(jìn)出口管道上的調(diào)節(jié)閥、止逆閥等閥門(mén)開(kāi)關(guān)正常、靈活可靠，無(wú)卡塞或內(nèi)外漏等情況。

(2) 定期校驗(yàn)防喘振值，數(shù)值不準(zhǔn)及時(shí)校正；提前測(cè)定各種工況下的防喘振裕度，并控制在1.03～1.50倍。防喘振裕度太大，雖不易發(fā)生喘振，但壓力下降，經(jīng)濟(jì)性差；防喘振裕度太小，安全性差。正常生產(chǎn)時(shí)需關(guān)閉防喘振閥，投自動(dòng)控制，這樣既安全又經(jīng)濟(jì)。

(3) 檢查壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)，防止運(yùn)行點(diǎn)距喘振邊界太近或落入喘振區(qū)。

(4) 控制壓縮機(jī)吸入氣體流量和出口氣體壓力，避免流量過(guò)低或壓縮機(jī)出口壓力太高而引發(fā)喘振。

(5) 生產(chǎn)裝置波動(dòng)時(shí)應(yīng)及時(shí)打開(kāi)壓縮機(jī)放空閥或Fv09001和Fv09002，以增大入口氣體流量，防止發(fā)生喘振。對(duì)空氣、CO2等無(wú)毒氣體可采用放空的方法，而對(duì)天然氣、氣氨等采取回流循環(huán)。

(6) 開(kāi)停車(chē)過(guò)程中或生產(chǎn)工況大幅變化時(shí)，必須嚴(yán)格遵守升壓先升速、降速先降壓的原則，操作時(shí)應(yīng)緩慢、均勻，多次交替完成升壓和變速。

(7) 主控室要密切關(guān)注高壓蒸汽P03055的壓力和溫度以及中壓蒸汽P03054的壓力和溫度，防止蒸汽管網(wǎng)大幅波動(dòng)而影響壓縮機(jī)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

喘振雖然是離心式壓縮機(jī)的固有特性，但喘振現(xiàn)象的發(fā)生主要取決于管網(wǎng)的特性曲線和離心式壓縮機(jī)的特性曲線。喘振形成的原因在于倒流與供氣的周期性交替進(jìn)行，因此應(yīng)針對(duì)喘振的主要影響因素，分別采取有效的防喘振控制措施，提高壓縮機(jī)抗喘振性能，確保合成氨裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行和企業(yè)良好的經(jīng)濟(jì)效益。