空氣壓縮機導(dǎo)葉閥故障原因分析及改進措施

張起源

（中國石化巴陵石化分公司煤化工部，湖南岳陽 414003）

某企業(yè)煤氣化裝置空分單元的空氣壓縮機采用的是四級離心式壓縮機，壓縮機的安全可靠運行對生產(chǎn)意義重大。喘振是離心式壓縮機在入口流量減少到一定程度時所發(fā)生的一種非正常工況下的振動，對于離心式壓縮機有嚴重損害[1]。壓縮機的流量控制通過改變?nèi)肟趯?dǎo)葉閥的導(dǎo)葉葉片開度即旋轉(zhuǎn)角度來控制進氣量大小，由分散控制系統(tǒng)（DCS）根據(jù)導(dǎo)葉閥進口流量經(jīng)過比例積分微分（PID）運算發(fā)出4～20 mA控制信號，經(jīng)過閥門定位器使活塞執(zhí)行機構(gòu)帶動連桿控制導(dǎo)葉葉片來實現(xiàn)[2]。離心式壓縮機設(shè)有防喘振的自動放散閥，一旦出口壓力過高，壓縮機接近喘振區(qū)或者發(fā)生喘振時，該閥門會自動打開，以解除喘振。

煤氣化裝置因空氣壓縮機入口導(dǎo)葉閥HV1111故障造成兩次非計劃停車，從停車狀況來看，導(dǎo)葉葉片開度突然過小或過大都會直接引發(fā)空氣壓縮機防喘振動作造成裝置停車。該文分析了導(dǎo)葉閥產(chǎn)生故障的原因，并提出改進措施，防止再次發(fā)生因空氣壓縮機導(dǎo)葉閥故障而停車，保證了裝置的長周期穩(wěn)定運行。

1 導(dǎo)葉閥結(jié)構(gòu)及故障經(jīng)過

1.1 導(dǎo)葉閥結(jié)構(gòu)

空氣壓縮機2006 年投用，入口導(dǎo)葉閥HV1111執(zhí)行機構(gòu)型號為Fisher3030SF，控制附件為智能定 位器DVC6200，減壓閥95H，過濾器262K?？諝?壓縮機導(dǎo)葉閥結(jié)構(gòu)見圖1。

導(dǎo)葉閥主要由執(zhí)行機構(gòu)、活塞桿、氣源閥、過濾器、氣源減壓閥、智能定位器等部件組成。導(dǎo)葉閥定位器接收來自DCS 控制系統(tǒng)的4 ～20 mA 控制信號，根據(jù)信號大小將其轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的0.02～0.1 MPa氣源信號作用于執(zhí)行機構(gòu)的氣缸，通過在氣缸上下兩側(cè)形成壓力差，活塞帶動活塞桿往復(fù)運動，從而帶動連桿控制導(dǎo)葉葉片的開度實現(xiàn)導(dǎo)葉葉片的開關(guān)。當定位器接收到4 mA控制指令時，導(dǎo)葉葉片全開；當定位器接收到20 mA控制指令時，導(dǎo)葉葉片全關(guān)，同時將導(dǎo)葉葉片的動作情況通過位置傳感器反饋給閥門定位器，由閥門定位器輸出4～20 mA閥位反饋信號，在DCS系統(tǒng)上進行顯示。

圖1 空氣壓縮機導(dǎo)葉閥結(jié)構(gòu)

1.2 導(dǎo)葉閥故障經(jīng)過

2020 年11 月15 日煤氣化裝置空分單元空氣壓縮機入口導(dǎo)葉閥HV1111 導(dǎo)葉葉片由43%快速關(guān)閉至14%，壓縮機入口流量低造成防喘振閥FV1110全開，冷箱聯(lián)鎖空分停車，進而氧氣中斷導(dǎo)致氣化單元聯(lián)鎖停車。經(jīng)分析判斷為HV1111 閥門定位器故障，更換定位器并增加機械下限位后重新開車。

11月16日HV1111導(dǎo)葉葉片突然由40%全開至100%，壓縮機入口流量PDI1110 超過量程上限16 kPa，綜合控制系統(tǒng)（ITCC）設(shè)置為當PDI1110超量程時，壓縮機入口流量指示為0，防喘振閥FV1110全開，冷箱聯(lián)鎖停車，氧氣中斷導(dǎo)致氣化裝置聯(lián)鎖停車。

11 月20 日HV1111 導(dǎo)葉葉片再次突然關(guān)小至下限位32.5%（控制器命令輸出為40%～50%，但 實際閥門一直在下限位）造成空分短時間內(nèi)降負荷運行，空氣負荷由236 000 Nm3/h降低到215 000 Nm3/h，氬系統(tǒng)發(fā)生氮塞停運的嚴重情況。

11月25日HV1111導(dǎo)葉葉片又出現(xiàn)突然關(guān)至下限位，嘗試開關(guān)多次后才打開。

12 月1 日HV1111 導(dǎo)葉葉片再次出現(xiàn)突然關(guān)閉至下限位的情況，空氣負荷由238 000 Nm3/h 降低到230 000 Nm3/h左右。反復(fù)開關(guān)20多次仍無法打開，過程持續(xù)時間達35 min，后通過現(xiàn)場短時斷開氣源的方法，導(dǎo)葉閥才開始工作。

2021 年1 月9 日HV1111 導(dǎo)葉 葉片再次突然關(guān)小至下限位，總控?zé)o法調(diào)節(jié)閥門，閥門一直處于下限位狀態(tài)。反復(fù)嘗試開大關(guān)小閥門、現(xiàn)場停儀表氣源、現(xiàn)場拆下氣缸氣源管等方式都無法開大閥門。只能通過直接在閥門上氣缸加壓的方式才得以開大閥門，處理過程中氣缸漏氣。

2 原因分析

針對導(dǎo)葉閥故障可能存在的原因進行了分析，主要有以下幾點。

2.1 定位器故障及行程參數(shù)設(shè)置不合理

定位器故障。第一次停車后，檢查了導(dǎo)葉閥的執(zhí)行機構(gòu)和機械部件的動作情況，判斷導(dǎo)葉閥HV1111定位器存在故障導(dǎo)致導(dǎo)葉葉片關(guān)小。

定位器參數(shù)設(shè)置不夠合理。第一次停車后定位器的行程整定參數(shù)由最慢響應(yīng)C設(shè)置為較快響應(yīng)H，閥門空載動作正常，由于閥門參數(shù)的設(shè)定都是在閥門空載下進行，閥門帶載后定位器響應(yīng)不夠迅速，閥門在0%～50%行程部分有卡澀現(xiàn)象。

2.2 感應(yīng)磁條偏轉(zhuǎn)及感應(yīng)行程過大

感應(yīng)磁條偏轉(zhuǎn)。由于空氣壓縮機振動導(dǎo)致磁條固定軸存在一定角度偏轉(zhuǎn)，安裝于軸上的行程傳感器磁條也隨之偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致定位器測量到的磁場大小發(fā)生改變，從而導(dǎo)致在導(dǎo)葉葉片沒有動作的情況下，定位器檢測到的閥位隨著磁條的偏轉(zhuǎn)發(fā)生變化。在導(dǎo)葉葉片不動的情況下，閥位反饋磁條的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致閥位反饋信號超過10%的變化時，閥位反饋信號的偏差會導(dǎo)致定位器短時間內(nèi)無法跟蹤給定信號，導(dǎo)葉葉片出現(xiàn)動作滯后以及突然打開或關(guān)閉的風(fēng)險。

磁條感應(yīng)行程過大。使用的感應(yīng)磁條能檢測到的行程范圍為0 ～110 mm，而閥門的實際反饋行程為0～18 mm，磁條的感應(yīng)行程過大導(dǎo)致閥位反饋信號測量誤差由0.5%放大至1%。

2.3 執(zhí)行機構(gòu)竄氣

執(zhí)行機構(gòu)竄氣嚴重，導(dǎo)致導(dǎo)葉葉片通過多種手段都無法打開。檢查后發(fā)現(xiàn)是因為導(dǎo)葉閥動作頻率較高，氣缸活塞和氣缸內(nèi)壁經(jīng)常處于摩擦狀態(tài)，造成密封件磨損嚴重密封性變差，致使氣缸竄氣造成導(dǎo)葉閥失控。

3 改進措施

3.1 更換定位器并優(yōu)化定位器行程整定參數(shù)

更換定位器。將原DVC6200定位器更換為智能型分體式定位器DVC6205＋DVC6215，分體式定位器控制信號4～20 mA，自帶位置反饋。

優(yōu)化定位器行程整定參數(shù)。將定位器行程整定參數(shù)H改為最快響應(yīng)M，重新對定位器進行了校驗，閥門動作正常?？辗珠_車后對導(dǎo)葉閥進行帶載測試，閥位反饋信號與控制信號偏差小于1%，閥門運行穩(wěn)定。

3.2 固定感應(yīng)磁條轉(zhuǎn)軸并更換磁條

固定閥位感應(yīng)磁條的轉(zhuǎn)軸進行加固以防止發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且將閥位反饋磁條長度從110 mm 更換為50 mm。

3.3 增加機械上下限位

為防止導(dǎo)葉葉片突然關(guān)閉或打開，根據(jù)正常運行時導(dǎo)葉葉片開度情況，現(xiàn)場增加機械上下限位。目前上限位設(shè)置為導(dǎo)葉葉片開度的53.5%，下限位設(shè)置為導(dǎo)葉葉片開度的30%。機械上下限位示意見圖2。

3.4 更換執(zhí)行機構(gòu)

更換新執(zhí)行機構(gòu)PS32-S01/1X，解決執(zhí)行機構(gòu)的竄氣問題。新執(zhí)行機構(gòu)帶有成套安裝的失氣保位閥377和成套安裝在定位器上的過濾減壓閥67CFR。雙作用氣缸失電、失信號時故障開，失氣時故障保位?？刂菩盘枮?～20 mA，4 mA活塞桿完全伸出，20 mA活塞桿完全縮回。

圖2 機械上下限位

3.5 增加偏差報警

為監(jiān)控閥門出現(xiàn)卡澀等異常情況，增加FIC2615（空壓機入口導(dǎo)葉流量控制器）與PIC2615（空壓機入口導(dǎo)葉壓力控制器）選小后的輸出值與導(dǎo)葉閥位反饋信號正負偏差為5%的一級報警，同時將導(dǎo)葉閥位置反饋信號趨勢圖放在DCS主動性監(jiān)控屏幕來加強監(jiān)控，增加閥門定位器HART信號在線診斷 過程。

3.6 制定以可靠性為中心的預(yù)防性維修（RCM）策略

為保證裝置長周期的安全運行，將空壓機入口導(dǎo)葉閥HV1111納入RCM管理。RCM管理是通過分析設(shè)備功能以及故障模式，采用安全以及最小資源消耗的維修策略，確定設(shè)備的維修級別、類型、內(nèi)容以及檢修頻率，達到優(yōu)化維修的目的。首先將導(dǎo)葉閥HV1111 識別為裝置安全關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)制造商提供的指導(dǎo)性設(shè)備平均無故障運行時間為5 年，通過對執(zhí)行機構(gòu)、定位器、儀表氣源的失效模式和失效原因進行分析，確定設(shè)備維修頻率為大修期2年，最終編制預(yù)防性維修工單。工單內(nèi)容包括：在日常維護中要經(jīng)常檢查緊固感應(yīng)磁條轉(zhuǎn)軸，加強對閥位反饋信號的監(jiān)控；每次大修期間對定位器進行診斷，及時發(fā)現(xiàn)類似缺陷；對執(zhí)行機構(gòu)進行泄漏性測試，檢查是否竄氣；并且制定合理的更換周期對閥門定期進行更換，預(yù)防因設(shè)備老化引起的故障，每次大修定期觸發(fā)并執(zhí)行。

4 改進效果

以上措施取得了較為明顯的效果。導(dǎo)葉閥運行狀況良好，再未出現(xiàn)導(dǎo)葉葉片開度突然過大或過小的現(xiàn)象，有效提高了導(dǎo)葉閥工作穩(wěn)定性，成功消除安全隱患，有利于裝置平穩(wěn)運行。

5 結(jié)論

（1）某石化企業(yè)煤化工部空氣壓縮機入口導(dǎo)葉閥故障的原因是定位器故障和行程整定參數(shù)設(shè)置不夠合理、感應(yīng)磁條固定軸偏轉(zhuǎn)和感應(yīng)行程過大導(dǎo)致閥位反饋信號精度不高，同時執(zhí)行機構(gòu)運行時間較長，內(nèi)部密封件老化。

（2）首先通過更換定位器并重新設(shè)置行程整定參數(shù)、更換感應(yīng)磁條并固定其轉(zhuǎn)軸、增加機械上下限位和偏差報警等措施，保證裝置正常生產(chǎn)；然后通過更換新的執(zhí)行機構(gòu)，徹底解決了空壓機導(dǎo)葉閥反復(fù)發(fā)生的故障問題。

（3）通過執(zhí)行導(dǎo)葉閥的預(yù)防性維修，使得設(shè)備維修管理有序，設(shè)備維修檔案記錄有追溯，合理的維修頻率同時意味著維修費的節(jié)省，并且杜絕了因儀表設(shè)備失效而引起的裝置非計劃停車，為裝置長周期安全運行提供強有力保障。