離心式壓縮機(jī)長周期運(yùn)行故障分析與檢修策略

張世凱，鞠 琦，程新續(xù)

（中國石油大慶煉化公司檢，黑龍江大慶 163411）

0 引言

某煉化廠9#壓縮機(jī)（TA-11000/30 型）額定電壓6000 V，額定功率1500 kW，轉(zhuǎn)速3000 r/min，設(shè)有油溫、油壓、振動和定子線圈溫度等報(bào)警自保單元。該設(shè)備自2007 年投入運(yùn)行至今，期間發(fā)生多次故障，如中冷器泄漏、油冷器堵塞、儀表探頭損壞等。經(jīng)設(shè)備維修人員及時(shí)維修處理，故障問題得到解決，保證了壓縮機(jī)以最快速度重新投入生產(chǎn)。在日常檢修的過程中，通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，明確各類故障的發(fā)生原因、具體表現(xiàn)和維修策略，然后以此為依據(jù)制定離心式壓縮機(jī)的檢修方案和應(yīng)急預(yù)案，才能提高設(shè)備管理的科學(xué)化和規(guī)范化水平。

1 離心式壓縮機(jī)長周期運(yùn)行故障及原因分析

1.1 油冷器換熱效果差

該壓縮機(jī)的原裝油冷器采用管式換熱裝置，正常情況下油溫應(yīng)當(dāng)維持在35～45 ℃之間，因此壓縮機(jī)的報(bào)警自保系統(tǒng)中設(shè)置了46 ℃的報(bào)警線，實(shí)際溫度超過46 ℃即報(bào)警；同時(shí)還設(shè)置了55 ℃聯(lián)鎖線，實(shí)際溫度超過55 ℃設(shè)備即聯(lián)鎖停機(jī)。

壓縮機(jī)在2020 年10 月24 日的油溫變化如圖1 所示，由圖1 可知，該壓縮機(jī)潤滑油的油溫從6：00 開始有上升趨勢，至9：00已經(jīng)突破了報(bào)警值，10：00 時(shí)已經(jīng)逼近了聯(lián)鎖值。接到警報(bào)后，設(shè)備管理人員立即采取開大油冷器水閥、增加冷卻水量的措施，在11：00 后油溫回歸到正常范圍。分析此次故障原因，是因?yàn)檠h(huán)水系統(tǒng)的過濾能力下降，管式換熱裝置的部分水管發(fā)生淤堵，導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低，熱量不能及時(shí)散失，導(dǎo)致油溫出現(xiàn)上升。

圖1 壓縮機(jī)潤滑油溫度變化趨勢

1.2 控制柜電源板頻繁更換

該壓縮機(jī)的現(xiàn)場控制面板采用一體化設(shè)計(jì)，線路及電子設(shè)備的布局較為緊密。同時(shí)，控制面板位置在壓縮機(jī)二級蝸殼前方，這導(dǎo)致二級葉輪壓縮空氣時(shí)產(chǎn)生的高溫輻射造成控制面板溫度升高。早在2011 年控制面板就因?yàn)闇囟冗^高而出現(xiàn)過1次電源板燒毀的故障，更換電池板后加裝了隔熱板，后來又加裝了散熱風(fēng)扇，但是實(shí)際效果有限。2020 年7 月份，現(xiàn)場控制柜的電源板再次燒毀，設(shè)備檢修人員現(xiàn)場測量控制柜內(nèi)溫度達(dá)到了55 ℃。

1.3 葉輪結(jié)垢嚴(yán)重引起設(shè)備連鎖停機(jī)故障

隨著離心式壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的延長，葉輪表面結(jié)垢的情況也變得十分普遍，葉輪結(jié)垢會導(dǎo)致葉輪質(zhì)量不平衡，進(jìn)而在高速轉(zhuǎn)動過程中出現(xiàn)明顯的振動，嚴(yán)重時(shí)會造成設(shè)備聯(lián)鎖停機(jī)。該壓縮機(jī)的報(bào)警自保系統(tǒng)中，設(shè)定振動的報(bào)警值為37.0 μm，聯(lián)鎖值46.7 μm。2021 年4 月11 日發(fā)生聯(lián)鎖停機(jī)故障，設(shè)備維修人員收集離心機(jī)運(yùn)行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)振動值最高達(dá)到51.8 μm，超過聯(lián)鎖值，導(dǎo)致設(shè)備停機(jī)。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，造成葉輪結(jié)垢的原因有：除塵器過濾精度不高，導(dǎo)致空氣中雜質(zhì)含量偏多，進(jìn)入壓縮機(jī)后使得葉輪嚴(yán)重結(jié)垢。機(jī)組運(yùn)行時(shí)循環(huán)水壓力維持在0.6～0.8 MPa，明顯高于冷器氣側(cè)排凝壓力0.3 MPa，導(dǎo)致部分循環(huán)水進(jìn)入冷器氣側(cè)，沖擊葉輪進(jìn)而引起振動升高。

2 離心式壓縮機(jī)長周期運(yùn)行故障的維修措施

2.1 油冷器換熱效果差的維修措施

首先將油冷器的前置過濾器拆卸下來進(jìn)行清洗，將過濾網(wǎng)上淤堵的雜質(zhì)清洗干凈后重新裝回，恢復(fù)正常的過濾功能。然后將原來的管式換熱器升級為板式換熱器，該裝置用兩塊波紋板片替代了原來的多條波紋管，保證了冷熱兩種流體之間的熱量交換速率更快、交換能力更強(qiáng)。同時(shí)，板式換熱器還具有分流均勻、不易結(jié)垢、對循環(huán)水要求不高、不易堵塞等優(yōu)勢。為了滿足正常的換熱要求，同時(shí)又要控制成本，在更換設(shè)備時(shí)需要科學(xué)計(jì)算板式換熱器的換熱面積。根據(jù)熱平衡方程：

式中ma和mb為冷、熱流體的質(zhì)量流量，kg/s；Cpa和Cpb為冷、熱流體的定壓比熱，J（/kg·℃）；ta和ta1為潤滑油入口和出口的溫度，℃；tb和tb1為循環(huán)水進(jìn)口和出口的狀態(tài)溫度，℃。在壓縮機(jī)正常運(yùn)行期間，測得ta=65 ℃，ta1=41 ℃，tb=20 ℃，tb1=30 ℃。在實(shí)際中還要考慮換熱器的散熱損失Q散，當(dāng)潤滑油流過換熱器時(shí)，放出的熱量Q放等于循環(huán)水吸收熱量Q吸外加散熱損失，即：

但是Q散具有不穩(wěn)定性，因此化工過程中常以熱損失系數(shù)η 估算：

根據(jù)TA-11000/30 型壓縮機(jī)說明書，可知mb=215.8 L/min=0.6 kg/s，Cpb=4.2 kJ（/kg·℃），這里η 取0.98，則有：

將上述數(shù)據(jù)帶入式（4），計(jì)算可得Q放=26.7 kJ。再根據(jù)傳熱方程：

式（5）中，K 為傳熱面的平均傳熱系數(shù)，取350 W（/m2·℃）；A為傳熱面積，m2；Δtm為冷熱流體的平均溫差，實(shí)際測得為17.3 ℃。根據(jù)式（5）可求得傳熱面積A 為14.6 m2。由此可知，該壓縮機(jī)組將管式換熱器升級成板式換熱器，需要換熱板面積≥14.6 m2才能保證換熱效果比原來得到提升，即單板面積≥7.3 m2。根據(jù)這一計(jì)算結(jié)果，設(shè)備管理人員更換符合要求的板式換熱器后，壓縮機(jī)重新啟動運(yùn)行，油溫維持在35～40 ℃，保證壓縮機(jī)的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 控制柜電源板頻繁更換的解決措施

針對現(xiàn)場控制柜溫度偏高導(dǎo)致電源板頻繁燒毀、更換的情況，決定采取加強(qiáng)隔熱與強(qiáng)制冷卻2 種措施。原來的隔熱板僅安裝在電源板后方，加上控制柜內(nèi)空間有限，隔熱板的厚度和面積較小，因此隔熱范圍有限。本次維修中選擇一塊更大、更厚的隔熱板，直接安裝到現(xiàn)場控制柜的外側(cè)，有效阻擋了控制柜和二級渦輪之間的熱交換，對抑制控制柜升溫有顯著作用。除此之外，從除塵器反吹氣源線引一路氣源至現(xiàn)場控制柜，然后在冷卻風(fēng)線上間隔10 cm 鉆一個(gè)直徑為12 mm 的孔，同時(shí)封閉氣源線末端，形成一個(gè)強(qiáng)制冷卻風(fēng)幕，可以吹散現(xiàn)場控制柜與蝸殼間的熱氣，并起到降低環(huán)境溫度的效果。完成改造后，讓壓縮機(jī)重新啟動運(yùn)行，并測量現(xiàn)場環(huán)境溫度，以及對比改裝前后控制柜內(nèi)溫度（圖2）。

結(jié)合圖2 可知，現(xiàn)場環(huán)境溫度基本維持在18～23 ℃。而控制柜溫度從改造前的50～56 ℃降低至改造后31～33 ℃，并且溫度較為穩(wěn)定，沒有明顯波動。對于控制內(nèi)的各類元器件和線路來說，30～35 ℃屬于正常溫度，對降低控制面板故障發(fā)生率，以及減少電源板更換頻率起到了積極作用，從而保證了離心機(jī)的長周期運(yùn)行。

圖2 加裝冷卻風(fēng)源前后控制柜溫度變化趨勢

2.3 葉輪結(jié)垢嚴(yán)重的解決措施

在明確導(dǎo)致葉輪嚴(yán)重結(jié)垢的原因后，采取了以下維修措施：①將原來的布袋式除塵器替換為新型的MSF-400 型脈沖反吹自潔式除塵器，其過濾粒度≤5 μm，可以有效濾除空氣中大部分粉塵和微粒，從而延緩了葉輪上硬質(zhì)結(jié)垢的形成；②優(yōu)化了壓縮機(jī)冷器管程和殼程排凝線的布局，從原來管程、殼程連接后集合排凝，更改為管程、殼程單獨(dú)排凝（圖3）。圖3 中，V1 為管程循環(huán)水排空閥，V2 為殼程氣側(cè)排凝閥，V3 為集合排凝總閥。

圖3 壓縮機(jī)組冷器

改造后，循環(huán)水不會進(jìn)入到冷器殼程排凝線中，一方面是避免了葉輪振動升高的情況，另一方面也可以杜絕因?yàn)椴僮鞑划?dāng)或閥門內(nèi)漏造成的壓縮機(jī)進(jìn)水事故，采取上述兩項(xiàng)措施后，壓縮機(jī)于2021 年4 月15 日投入運(yùn)行，至今未再出現(xiàn)因?yàn)檎駝赢惓６鴮?dǎo)致的設(shè)備聯(lián)鎖停機(jī)故障。

3 結(jié)語

隨著運(yùn)行年限的增加，因?yàn)樵O(shè)備老化或操作不當(dāng)?shù)仍颍瑝嚎s機(jī)容易出現(xiàn)諸如儀表誤報(bào)、葉輪結(jié)垢等問題。本文介紹的煉化廠A-11000/30 型壓縮機(jī)，采取了更換新型板式換熱器，提高除塵器過濾精度，加裝冷卻風(fēng)源等維修措施，使得壓縮機(jī)得以穩(wěn)定運(yùn)行，取得了良好效果，同時(shí)也為壓縮機(jī)日常管理積累了經(jīng)驗(yàn)。