離心丙烷制冷壓縮機(jī)組啟機(jī)故障排查及處理研究

李亞軍，唐波，楊家林，楊俊琦，齊鵬逸

（1.中國(guó)石油塔里木油田設(shè)備物資處，新疆 塔里木 841599；2.北京博華信智科技股份有限公司，北京 100000）

新疆某公司乙烷回收裝置采用“丙烷預(yù)冷+膨脹機(jī)制冷+雙回流”工藝，實(shí)現(xiàn)乙烷的高效回收。其中丙烷制冷壓縮機(jī)組是該生產(chǎn)裝置的關(guān)鍵設(shè)備，該機(jī)組由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過(guò)變速器帶動(dòng)壓縮機(jī)對(duì)丙烷進(jìn)行壓縮。該制冷機(jī)組的丙烷制冷壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)壓縮機(jī)）為約克公司生產(chǎn)，型號(hào)M-555B，設(shè)計(jì)5級(jí)葉輪，軸功率3889.65kW，額定轉(zhuǎn)速6546 RPM，臨界轉(zhuǎn)速3700RPM，啟動(dòng)方式為變頻啟動(dòng)。在投產(chǎn)試機(jī)階段，先后出現(xiàn)壓縮機(jī)振動(dòng)高無(wú)法啟機(jī)、加載過(guò)程中振動(dòng)高停車(chē)的故障，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)正常啟機(jī)和運(yùn)行，危害機(jī)組本體安全性能，制約企業(yè)設(shè)備管理及生產(chǎn)效益的提升。

1 壓縮機(jī)振動(dòng)高無(wú)法啟機(jī)原因分析及處理

在機(jī)組試運(yùn)行階段，壓縮機(jī)多次出現(xiàn)非驅(qū)動(dòng)端徑向振動(dòng)高聯(lián)鎖停車(chē)（90μm），過(guò)程中最高振動(dòng)值超過(guò)120μm。試運(yùn)行之前壓縮機(jī)空轉(zhuǎn)測(cè)試都較為正常，初步排除機(jī)組內(nèi)部機(jī)械故障，綜合分析機(jī)組整個(gè)安裝及試運(yùn)行過(guò)程，認(rèn)為造成壓縮機(jī)振動(dòng)高無(wú)法啟機(jī)的原因可能為配管安裝存在應(yīng)力、壓縮機(jī)—聯(lián)軸器—電機(jī)對(duì)中不良。為此現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了機(jī)組外部機(jī)械檢查。

1.1 壓縮機(jī)管線(xiàn)應(yīng)力檢查與處理

（1）壓縮機(jī)組撬外連接管線(xiàn)

壓縮機(jī)撬邊有1條進(jìn)氣、3條級(jí)間插入氣、1條排氣、1條回流共6條工藝管線(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)逐一拆檢6條管線(xiàn)法蘭，共發(fā)現(xiàn)4條管線(xiàn)法蘭對(duì)中偏差（見(jiàn)表1），同時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)軸水平方向偏移量讀數(shù)為0.075mm（超過(guò)壓縮機(jī)偏移量小于0.05mm的要求），垂直方向讀數(shù)為0.035mm。由對(duì)中數(shù)據(jù)可知，壓縮機(jī)組撬外管線(xiàn)安裝存在較大應(yīng)力，配管應(yīng)力傳導(dǎo)至壓縮機(jī)后使轉(zhuǎn)軸水平偏移超標(biāo)。

表1 壓縮機(jī)撬外連接管線(xiàn)偏移量

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)偏差管線(xiàn)和法蘭進(jìn)行重新安裝，按照《工業(yè)金屬管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50235）要求保持法蘭連接與管道同心，螺栓可自由穿入，滿(mǎn)足法蘭間平行度小于0.1mm和同心度小于0.2mm的要求，有效消除了工藝管線(xiàn)與機(jī)組之間存在的應(yīng)力。

（2）壓縮機(jī)組撬內(nèi)管線(xiàn)

壓縮機(jī)撬內(nèi)排氣管線(xiàn)上設(shè)置有直角三通，分出熱氣旁通管線(xiàn)（見(jiàn)圖1）。撬內(nèi)排氣管線(xiàn)和熱氣旁通管線(xiàn)均由管卡固定，兩個(gè)位置呈直角的關(guān)卡同時(shí)限制了管道縱向和橫向移動(dòng)，這樣就會(huì)在開(kāi)機(jī)階段，使管道不能自由膨脹到位，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。啟機(jī)前將管卡放松，運(yùn)行時(shí)熱氣旁通管線(xiàn)沿排氣管線(xiàn)軸向移動(dòng)了5mm，壓縮機(jī)組撬內(nèi)排氣管線(xiàn)熱膨脹應(yīng)力得到釋放消除。

圖1 排氣管線(xiàn)及熱氣旁通管線(xiàn)

1.2 壓縮機(jī)、聯(lián)軸器、電機(jī)對(duì)中檢查與處理

分別斷開(kāi)壓縮機(jī)、變速箱和電機(jī)的聯(lián)軸器，測(cè)量檢查對(duì)中情況。發(fā)現(xiàn)電機(jī)聯(lián)軸器垂直方向存在偏差，實(shí)測(cè)值1.2mm超過(guò)了0.918mm（機(jī)組運(yùn)維手冊(cè)）偏差要求。增加電機(jī)底部墊片0.3mm后，電機(jī)聯(lián)軸器垂直方向偏差減少到0.37mm，符合機(jī)組運(yùn)維手冊(cè)要求。同步檢查壓縮機(jī)、變速箱、電機(jī)底腳螺栓，確保對(duì)中偏差符合要求。

通過(guò)機(jī)組外部機(jī)械檢查，分別消除了撬外部管線(xiàn)安裝應(yīng)力、撬內(nèi)部管線(xiàn)管卡固定應(yīng)力和機(jī)組聯(lián)軸器對(duì)中問(wèn)題，壓縮機(jī)啟機(jī)過(guò)程振動(dòng)高問(wèn)題未再出現(xiàn)，機(jī)組順利開(kāi)車(chē)。

2 壓縮機(jī)加載過(guò)程中振動(dòng)高停車(chē)原因分析及處理

排除外部機(jī)械故障后，壓縮機(jī)組正常啟機(jī)，但加載后平穩(wěn)運(yùn)行約10min左右，非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)又快速增大，多次出現(xiàn)振動(dòng)高停車(chē)（超過(guò)90μm，最高達(dá)115μm）。根據(jù)BH7000旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程的工藝參數(shù)，通過(guò)多源數(shù)據(jù)的綜合分析，認(rèn)為該階段的振動(dòng)異常是由于壓縮機(jī)暖機(jī)時(shí)間不足導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)臨時(shí)熱彎曲。

2.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷分析

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷主要是采集、處理機(jī)組啟、停機(jī)及運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)DCS等系統(tǒng)中機(jī)組相關(guān)的流量、溫度、壓力等多源工藝量進(jìn)行整合，進(jìn)行綜合分析。

結(jié)合設(shè)備歷史運(yùn)行情況，通過(guò)BH7000狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析壓縮機(jī)加載過(guò)程中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖譜，結(jié)果顯示，在整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，頻譜中以一倍頻為主，占比能量最強(qiáng)，其余頻率成分占比較?。ㄒ?jiàn)圖2）。1X倍頻振動(dòng)幅值高可能是壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡、臨時(shí)熱彎曲、機(jī)組內(nèi)部存在輕微碰磨導(dǎo)致。

圖2 壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)頻譜瀑布圖

從壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)極坐標(biāo)圖（見(jiàn)圖3）可以看出，振動(dòng)相位有明顯變化，可判斷壓縮機(jī)振動(dòng)高停機(jī)的主要因素并非壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子本體存在不平衡結(jié)構(gòu)。壓縮機(jī)啟動(dòng)前，各部位溫度與室溫相同且均勻一致，啟機(jī)后因壓縮丙烷做功而產(chǎn)生熱量，使機(jī)組內(nèi)部進(jìn)出口各部位產(chǎn)生較大的溫差（最高可達(dá)100℃）。該壓縮機(jī)組共有5級(jí)葉輪，每級(jí)葉輪和主軸兩端共有7道梳齒密封，加載過(guò)程中各部件的溫度變化以及熱膨脹的速度并不一致，其中葉輪的溫度比主軸升高得快，因此推斷原因可能為暖機(jī)時(shí)間不足，造成轉(zhuǎn)子熱膨脹不均勻，熱應(yīng)力過(guò)大使主軸彎曲，進(jìn)而造成轉(zhuǎn)子臨時(shí)熱彎曲導(dǎo)致振動(dòng)高停機(jī)。

圖3 壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)極坐標(biāo)圖

分析歷次壓縮機(jī)組運(yùn)行參數(shù)趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)自由端振動(dòng)與入口溫度變化、熱氣旁通閥（將壓縮機(jī)出口90℃左右高溫氣體回流至入口吸入罐）開(kāi)度有較大相關(guān)性；入口溫度降速過(guò)快會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)自由端振動(dòng)上升，反之壓縮機(jī)組振動(dòng)趨于平緩（見(jiàn)圖4）。推斷熱氣旁通閥（防喘閥）開(kāi)度對(duì)壓縮機(jī)溫度變化和自由端振動(dòng)大小有較大影響。

圖4 入口溫度-機(jī)組振動(dòng)曲線(xiàn)圖（紅色曲線(xiàn)為入口溫度，藍(lán)色曲線(xiàn)為壓縮機(jī)自由端振動(dòng)）

2.2 延長(zhǎng)壓縮機(jī)暖機(jī)時(shí)間

應(yīng)用BH7000狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)機(jī)組多源數(shù)據(jù)的綜合分析，得出了壓縮機(jī)加載后平穩(wěn)運(yùn)行的有效措施。壓縮機(jī)通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速加載運(yùn)行后，合理調(diào)節(jié)熱氣旁通閥開(kāi)度，防止壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)間，控制入口吸入罐降溫速率，0～-10℃的降溫時(shí)間由原來(lái)的4min延長(zhǎng)至90min，-10～-15℃的降溫時(shí)間由原來(lái)的3min延長(zhǎng)至60min，-15～-20℃的降溫時(shí)間由原來(lái)的3min延長(zhǎng)至60min，通過(guò)充分暖機(jī)，消除轉(zhuǎn)子熱應(yīng)力，防止壓縮機(jī)加載后振動(dòng)高停車(chē)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)離心丙烷制冷機(jī)組振動(dòng)高無(wú)法啟機(jī)、加載過(guò)程中振動(dòng)高停車(chē)故障的有效處理，保障了工藝裝置的安全生產(chǎn)，優(yōu)化了設(shè)備操作規(guī)程，對(duì)大型關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備的安裝運(yùn)行具有以下指導(dǎo)意義。

3.1 規(guī)范機(jī)組安裝施工

安裝過(guò)程中要嚴(yán)格按規(guī)范施工，工藝管線(xiàn)、支撐、管卡應(yīng)設(shè)置合理，法蘭安裝平行度、同心度應(yīng)保證在偏差范圍內(nèi)，確保主機(jī)撬內(nèi)管線(xiàn)、外部管線(xiàn)無(wú)應(yīng)力連接。

3.2 加強(qiáng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

在機(jī)組調(diào)試、運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)充分運(yùn)用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)手段，科學(xué)指導(dǎo)異常分析、原因排查、故障處理等，提高原因分析的準(zhǔn)確性和故障排除效率。

3.3 優(yōu)化啟機(jī)工藝操作

啟機(jī)加載后應(yīng)緩慢控制工藝參數(shù)，保障一定的暖機(jī)時(shí)間。及時(shí)分析各參數(shù)與機(jī)組工況的相關(guān)性，對(duì)于離心設(shè)備應(yīng)特別注意控制好防喘閥開(kāi)度，遠(yuǎn)離喘振區(qū)間。