CO2壓縮機(jī)喘振及防喘失效原因分析

(河南能化集團(tuán)中原大化公司，河南 濮陽(yáng) 457004)

1 概 述

荷蘭殼牌煤制甲醇?xì)饣に囍械囊豁?xiàng)重要節(jié)能專利技術(shù)就是用CO2作為氣化劑在生產(chǎn)中輸送煤粉。其工藝過(guò)程是，由氣化爐產(chǎn)出合成氣，經(jīng)變換、酸脫處理后閃蒸解吸出的CO2氣體，經(jīng)壓縮機(jī)依次加壓至5.0～8.0 MPa，作為氣化爐煤粉輸送載氣重返氣化爐。此舉使得氣化爐所產(chǎn)合成氣中的N2含量下降，有效氣含量上升，甲醇合成回路的循環(huán)氣量下降，弛放氣量減少，甲醇產(chǎn)量上升，整個(gè)甲醇裝置能耗降低。

以往CO2增壓設(shè)備多采用活塞式壓縮機(jī)。但由于往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行周期短，易損零部件多，故障率高，維護(hù)檢修任務(wù)重，隨著氣化裝置的大型化，CO2氣體壓縮逐漸被離心式壓縮機(jī)所替代。

某煤制甲醇裝置即采用離心式壓縮機(jī)來(lái)壓縮CO2氣體，為氣化裝置煤粉輸送提供載氣。該壓縮機(jī)組自原始試車以來(lái)，因蒸汽管網(wǎng)波動(dòng)和工藝系統(tǒng)操作等諸多方面的原因頻繁發(fā)生喘振事故。壓縮機(jī)發(fā)生喘振，防喘系統(tǒng)動(dòng)作，回流閥全開(kāi)，喘振現(xiàn)象依然不能消除，機(jī)組無(wú)法持續(xù)運(yùn)行。由于機(jī)組喘振頻發(fā)，氣流長(zhǎng)時(shí)間喘流振蕩，造成壓縮機(jī)低壓缸出口冷卻器進(jìn)、出口工藝氣隔板多次撕裂、損壞，導(dǎo)致高壓缸三段進(jìn)氣溫度過(guò)高而被迫停機(jī)。更為嚴(yán)重的是，壓縮機(jī)的頻繁喘振最終導(dǎo)致低壓缸轉(zhuǎn)子止推盤背緊螺母(缺少止退措施)松脫，轉(zhuǎn)子竄動(dòng)引起葉輪與隔板碰撞，致使兩級(jí)隔板損壞，二段四級(jí)葉輪輪蓋全部被粘結(jié)上厚厚一層切削金屬物，整個(gè)低壓缸缸體不同程度變形，二段各級(jí)間和高壓側(cè)軸端梳齒密封全部掃光。機(jī)組為此停運(yùn)7個(gè)多月，加工隔板，轉(zhuǎn)子返廠維修。

針對(duì)機(jī)組喘振時(shí)的現(xiàn)象和運(yùn)行參數(shù)趨勢(shì)記錄分析，初步認(rèn)為該機(jī)組工藝流程回路設(shè)計(jì)存在問(wèn)題。經(jīng)過(guò)不斷摸索、實(shí)踐，也總結(jié)出一套現(xiàn)有工藝設(shè)計(jì)條件下處理機(jī)組喘振的方法：壓縮主控優(yōu)先通知?dú)饣骺匮杆匍_(kāi)大高壓缸三、四段出口放空，高壓缸氣體完全泄壓，待機(jī)組恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行后，相互配合調(diào)整防喘閥和放空閥，壓縮機(jī)升壓，重新并入系統(tǒng)；期間氮壓機(jī)快速啟動(dòng)、升壓，以滿足氣化爐對(duì)載氣的需求。據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況看，作為CO2壓縮機(jī)組安全防護(hù)的防喘系統(tǒng)根本起不到正常的保護(hù)作用。

研究該壓縮機(jī)工藝流程設(shè)計(jì)和操作控制方案，找出喘振和防喘系統(tǒng)失效的原因，是解決問(wèn)題的根本所在。

2 CO2壓縮機(jī)工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 工藝流程

甲醇酸脫單元05C003閃蒸逸出的CO2氣體，分兩路換熱回收冷量后由混合氣體壓力調(diào)節(jié)閥PV05009(排放)自動(dòng)穩(wěn)壓到1.02 MPa(A)，而后被送到CO2壓縮機(jī)入口，壓力減至1.015 2 MPa(A)左右，經(jīng)低壓缸2MCL707兩段七級(jí)(3+4)壓縮冷卻后進(jìn)入高壓缸2BCL355三段壓縮，有一部分氣體從三段出口抽出直接向氣化爐提供輸送載氣；余下部分氣體經(jīng)間接冷卻后進(jìn)入四段繼續(xù)壓縮后，向氣化爐高壓儲(chǔ)罐輸送氣體，作為載氣儲(chǔ)備和穩(wěn)壓補(bǔ)充調(diào)節(jié)供氣。

該壓縮機(jī)由沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)股份有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，型號(hào)2MCL707+2BCL355，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 防喘系統(tǒng)

離心式壓縮機(jī)的重要特性之一，就是當(dāng)輸氣流量減少到一定數(shù)值時(shí)，或其工作特性與管網(wǎng)特性失衡時(shí)，壓縮機(jī)就進(jìn)入一種不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，即所謂的喘振。眾所周知，壓縮機(jī)處在喘振工況下運(yùn)行，對(duì)設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p害是毋庸置疑的。所以，壓縮機(jī)廠家及用戶都想方設(shè)法盡可能設(shè)立完善的控制和保護(hù)系統(tǒng)——壓縮機(jī)防喘控制系統(tǒng)，來(lái)確保機(jī)組的安全運(yùn)行。

表1 CO2壓縮機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)

該壓縮機(jī)設(shè)計(jì)了多路防喘控制回路。一路由低壓缸二段出口冷卻器后工藝管線引出，經(jīng)低壓缸防喘控制閥FV03025及旁路閥返回到壓縮機(jī)一段入口；一路由高壓缸三段出口冷卻器后工藝管線引出，經(jīng)三段防喘控制閥FV03029及旁路閥返回到三段入口；一路由四段出口冷卻器后工藝管線引出，經(jīng)四段防喘控制閥FV03031及旁路閥返回到四段入口。該壓縮機(jī)各段防喘振控制閥由機(jī)組“ITCC”控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整機(jī)集中控制。

基于氣化爐載氣安全方面的考慮，高壓缸三段抽出管線和四段供氣管線都設(shè)計(jì)了氣動(dòng)控制緊急切斷閥和止逆閥閥組，以備緊急狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)隔離。各段閥組前設(shè)有放空管線，通過(guò)PICV03034和PICV03036來(lái)調(diào)整壓縮機(jī)三段和四段出口壓力。而這些氣動(dòng)切斷閥和壓力調(diào)節(jié)閥均被引入DCS，由氣化主控控制。

值得一提的是，該壓縮機(jī)工藝流程中，高、低壓缸之間配置一止逆閥，該止逆閥安裝在三段防喘回流管線接入管口與低壓缸防喘回流管線引出管口之間的工藝管線上，目的是防止高壓缸三段返回的高壓氣體對(duì)低壓缸造成反沖擊。

3 CO2壓縮機(jī)喘振及防喘失效原因分析

3.1 CO2壓縮機(jī)的開(kāi)車和并氣操作

氣化裝置負(fù)荷達(dá)到75%以上，酸脫單元運(yùn)行正常，送出合格CO2氣體。壓縮機(jī)三、四段出口壓力控制閥手動(dòng)給定閥位20%～30%。

按操作程序，啟動(dòng)機(jī)組，沖轉(zhuǎn)暖機(jī)后升速至正常工作轉(zhuǎn)速。據(jù)壓縮機(jī)入口CO2壓力和流量逐漸調(diào)整低壓缸防喘振控制閥FV03025，將二段出口壓力升至2.0～2.3 MPa(A)，并依次調(diào)整三段防喘振閥FV03029及四段防喘振閥FV03031升壓。甲醇主控要注意監(jiān)控PV05009閥位和壓力的變化，保證PV05009有5%以上的開(kāi)度；氣化主控應(yīng)根據(jù)機(jī)組升壓情況適時(shí)調(diào)整各段放空閥開(kāi)度。當(dāng)各段壓力達(dá)到氣化裝置輸氣系統(tǒng)所要求的壓力時(shí)，由氣化主控微調(diào)使其各級(jí)壓力稍高于對(duì)應(yīng)開(kāi)工氮?dú)飧骷?jí)壓力，并打開(kāi)外送管路氣動(dòng)控制切斷閥，使CO2工藝氣緩慢平穩(wěn)并入系統(tǒng)(氣化開(kāi)工或CO2壓縮機(jī)故障停機(jī)時(shí)，由N2壓縮機(jī)提供高壓N2以滿足煤粉輸送或吹掃)，然后逐漸關(guān)小各段放空閥，以增加CO2輸送量。隨著系統(tǒng)負(fù)荷的提升，N2壓縮機(jī)輸送的N2逐漸退出，N2壓縮機(jī)停運(yùn)、備用。

3.2 CO2壓縮機(jī)喘振原因分析

在機(jī)組試車和開(kāi)車初期，CO2壓縮機(jī)頻繁發(fā)生喘振。究其原因是多方面的。 我們知道，壓縮機(jī)喘振的發(fā)生總是與通流部分各元件上氣流的分離密切相關(guān)的。當(dāng)壓縮氣量減少時(shí)，初期出現(xiàn)氣流“旋轉(zhuǎn)失速”(脫離)現(xiàn)象，隨著氣流旋轉(zhuǎn)失速的擴(kuò)展、加劇，壓縮機(jī)進(jìn)入一種所謂的“喘振”狀態(tài)，即通過(guò)壓縮機(jī)流道的整個(gè)氣體量出現(xiàn)大幅波動(dòng)，引起機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)。

實(shí)際運(yùn)行中，除了因失速區(qū)的產(chǎn)生與擴(kuò)展而引起喘振外，管網(wǎng)流量、阻力的變化與壓縮機(jī)工作的不協(xié)調(diào)也是引起喘振的重要原因。這種工作的不協(xié)調(diào)表現(xiàn)在兩方面：第一，聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)落入喘振區(qū)內(nèi)；第二，壓縮機(jī)排氣壓力低于管網(wǎng)氣體壓力。凡是運(yùn)行中使壓縮機(jī)特性曲線下移或管網(wǎng)特性線上移，或是兩者同時(shí)發(fā)生，或減量過(guò)多，使聯(lián)合運(yùn)行點(diǎn)落入喘振區(qū)的都會(huì)引起壓縮機(jī)喘振。另外，壓縮機(jī)各段之間若出現(xiàn)局部氣體阻滯等現(xiàn)象，同樣會(huì)造成初級(jí)段運(yùn)行工況失調(diào)而喘振。

3.2.1CO2壓縮機(jī)流量降低

3.2.1.1低負(fù)荷下向氣化供氣

來(lái)自酸脫單元的CO2氣體，其氣量大小受系統(tǒng)負(fù)荷高低制約。開(kāi)車初期，系統(tǒng)負(fù)荷較低，酸脫CO2產(chǎn)量小，這時(shí)候壓縮機(jī)若急于升壓、并氣，將會(huì)使壓縮機(jī)入口供氣壓力降低，甚至抽空，壓縮機(jī)因進(jìn)氣流量急劇下降而發(fā)生喘振。

一般情況下，氣化開(kāi)工負(fù)荷達(dá)到75%以上，才可以考慮啟動(dòng)CO2壓縮機(jī)；85%以上負(fù)荷時(shí)，可以安全升壓，向氣化爐送氣。壓縮機(jī)各段升壓要緩慢交替進(jìn)行，先逐漸關(guān)小低壓缸防喘振閥，低壓缸升壓；當(dāng)高壓缸各段流量超過(guò)其最小控制流量時(shí)，逐漸關(guān)小各段防喘振閥升壓。若某級(jí)防喘操作過(guò)快發(fā)生喘振，防喘閥自動(dòng)打開(kāi)，將引起連鎖反應(yīng)而導(dǎo)致機(jī)組整體喘振。

3.2.1.2工藝負(fù)荷波動(dòng)

典型的故障就是氣化爐部分燒嘴突然熄滅，造成氣化工藝氣負(fù)荷降低，酸脫產(chǎn)出CO2氣量下降，直接導(dǎo)致壓縮機(jī)入口流量減少，壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)落入喘振區(qū)而發(fā)生喘振。

同時(shí)，氣化爐部分燒嘴熄滅也造成氣化爐產(chǎn)汽量急劇下降(或鍋爐方面的原因)，導(dǎo)致蒸汽管網(wǎng)壓力突然下降很多，機(jī)組轉(zhuǎn)速下降較快，出現(xiàn)CO2壓縮機(jī)失速喘振。

3.2.2開(kāi)工初期工藝操作配合失當(dāng)

CO2氣體產(chǎn)自酸脫05C003，甲醇主控通過(guò)工藝氣體排放調(diào)節(jié)閥PV05009來(lái)控制其壓力，向機(jī)組送氣；機(jī)組設(shè)備歸屬空分(設(shè)壓縮現(xiàn)場(chǎng)集中控制室)，由空分壓縮崗位調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速和防喘閥升壓；由氣化主控崗位操作壓縮機(jī)出口并氣開(kāi)關(guān)閥和壓力控制調(diào)節(jié)閥來(lái)保證氣化爐載氣用量。三方信息不暢通，各自為政，造成機(jī)組控制紊亂而喘振頻發(fā)。如，氣化壓力調(diào)節(jié)波動(dòng)較大或突然退氣；壓縮機(jī)升壓過(guò)快，PV05009來(lái)不及調(diào)節(jié)或已經(jīng)關(guān)死；PV05009突然開(kāi)大或供氣量減少等。

3.2.3設(shè)備或儀表故障

系統(tǒng)設(shè)備故障或儀表控制閥誤動(dòng)作，導(dǎo)致壓縮機(jī)入口流量下降或出口超壓時(shí)，都會(huì)發(fā)生喘振。如，氣體含灰量大造成壓縮機(jī)入口濾網(wǎng)堵塞；壓縮機(jī)段間冷卻器進(jìn)出工藝氣隔板撕裂竄氣，造成壓縮機(jī)某段進(jìn)氣溫度過(guò)高；氣化爐送氣開(kāi)關(guān)閥突然關(guān)閉，造成壓縮機(jī)某段出口超壓等。

3.2.4CO2壓縮機(jī)自身防喘控制失效

正常情況下，無(wú)論什么原因造成壓縮機(jī)工作點(diǎn)落入喘振區(qū)，壓縮機(jī)自身防喘系統(tǒng)都能很快作出反應(yīng)，防喘閥自動(dòng)開(kāi)大或全開(kāi)，機(jī)組能夠馬上恢復(fù)到正常穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。

但實(shí)踐表明，該CO2壓縮機(jī)一旦發(fā)生喘振，其自身防喘系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的防喘控制，機(jī)組始終陷于喘振狀態(tài)。

3.3 CO2壓縮機(jī)防喘控制失效原因分析

3.3.1CO2壓縮機(jī)防喘控制失效的表現(xiàn)形式

(1)入口流量低，低壓缸喘振導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法持續(xù)運(yùn)行。當(dāng)工藝負(fù)荷波動(dòng)或失速等原因造成壓縮機(jī)入口流量下降，其運(yùn)行工作點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)，開(kāi)大低壓缸防喘閥并不能使機(jī)組恢復(fù)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。原因是隨著低壓缸防喘閥的突然開(kāi)大，二段出口供氣壓力急劇下降，三段入口氣體流量減小，三、四段防喘閥將發(fā)生連鎖反應(yīng)，依次打開(kāi)，三、四段高壓氣體全部返回到三段入口，因高、低壓缸之間安裝有止逆閥，使得三段入口壓力遠(yuǎn)高于二段出口設(shè)計(jì)壓力；即使壓縮機(jī)低壓缸供氣狀況恢復(fù)，關(guān)小防喘閥，也無(wú)法向高壓缸送氣。壓縮機(jī)高、低壓缸處于隔離狀態(tài)，機(jī)組無(wú)法持續(xù)運(yùn)行。

(2)高壓缸防喘調(diào)節(jié)導(dǎo)致機(jī)組無(wú)法持續(xù)運(yùn)行。氣化壓力調(diào)整失當(dāng)或退氣，會(huì)造成高壓缸三段或四段出口壓力升高甚至超壓，防喘系統(tǒng)動(dòng)作(或壓縮操作人員突然開(kāi)大防喘閥)，大量高壓氣體將返回到三段入口，造成三段入口超壓，低壓缸氣體不能正常送出，低壓缸喘振，機(jī)組無(wú)法持續(xù)運(yùn)行。

可見(jiàn)，該壓縮機(jī)各段運(yùn)行工作點(diǎn)一旦進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，依賴機(jī)組防喘系統(tǒng)調(diào)節(jié)，無(wú)法避免喘振事故的發(fā)生，且難以消除。

3.3.2CO2壓縮機(jī)防喘控制失效的原因

壓縮機(jī)設(shè)置各段防喘控制的目的就是適時(shí)調(diào)節(jié)和控制各段工藝氣循環(huán)流量，避免運(yùn)行工作點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)。若某段工藝氣循環(huán)量下降，或機(jī)組出現(xiàn)喘振跡象，可以適時(shí)開(kāi)大或全開(kāi)防喘閥，使機(jī)組盡快恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

該CO2壓縮機(jī)雖然設(shè)置了三級(jí)防喘系統(tǒng)，但實(shí)際生產(chǎn)中防喘閥只能作為系統(tǒng)微調(diào)使用，無(wú)論哪段防喘閥突然開(kāi)大(自動(dòng)或人為操作)，都將導(dǎo)致整機(jī)喘振。喘振發(fā)生后，操作人員束手無(wú)策，只能打閘停機(jī)。

從機(jī)組工藝流程和運(yùn)行工況分析，無(wú)論什么原因?qū)е履扯芜\(yùn)行工作點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)，勢(shì)必造成各段防喘閥依次全開(kāi)，高、低壓缸之間的止逆閥導(dǎo)致高、低壓缸之間出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性隔離現(xiàn)象。

由機(jī)組運(yùn)行工藝參數(shù)趨勢(shì)圖可以看出，高壓缸防喘閥打開(kāi)后，高壓氣體回流，使三段入口實(shí)際壓力達(dá)到3.0～3.2 MPa，遠(yuǎn)高于低壓缸出口設(shè)計(jì)壓力，使兩缸間止逆閥前后形成巨大的反向壓差。

唯一有效的處理辦法就是迅速開(kāi)大三、四段出口管線壓力調(diào)節(jié)閥泄壓，使CO2壓縮機(jī)回歸到開(kāi)車升壓前的工作狀態(tài)。

可見(jiàn)，CO2壓縮機(jī)防喘系統(tǒng)控制失效的原因是，機(jī)組工藝流程設(shè)計(jì)存在嚴(yán)重錯(cuò)誤，高、低壓缸各段防喘回路設(shè)計(jì)成了孤立的單一回路，機(jī)組發(fā)生喘振時(shí)，止逆閥將高壓缸與低壓缸分割為二，高、低壓缸防喘回路并不能構(gòu)建壓縮機(jī)整體的氣體循環(huán)回路。因此，事故狀態(tài)下機(jī)組便很難恢復(fù)到正常穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

4 CO2壓縮機(jī)防喘控制失效解決方案

解決此問(wèn)題，有兩種方案。① 高壓缸三段防喘管線由“三回三”改為“三回一”，使三段循環(huán)氣體可以直接返回一段入口，設(shè)計(jì)上應(yīng)對(duì)高壓缸三段防喘控制閥進(jìn)行復(fù)核或重新選型，出具管道設(shè)計(jì)變更，以適應(yīng)和滿足三段出口高壓氣體返回一段入口低壓條件下的控制。② 高壓缸三段防喘振管線線路不變，保留高、低壓缸防喘回路之間的止逆閥(設(shè)計(jì)條件下止逆閥不能取消)，將低壓缸防喘管線接口由止逆閥前移至止逆閥后；高壓缸發(fā)生喘振時(shí)，返回的高壓氣體可以通過(guò)低壓缸防喘管線直接回到一段入口，不致于造成三段入口超壓，防喘系統(tǒng)可以快速反應(yīng)，使機(jī)組在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)。

很顯然，第一種方案更為妥當(dāng)。兩種方案最終都是把高壓缸返回氣體導(dǎo)回到壓縮機(jī)入口，使整機(jī)壓縮氣體形成良性的循環(huán)流動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

大機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行控制等多方面的質(zhì)量保證，直接關(guān)系到設(shè)備和整個(gè)裝置的安全運(yùn)行。經(jīng)過(guò)溝通，沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)股份有限公司同意按照第一種方案出具新的管線設(shè)計(jì)變更。實(shí)施后，該CO2壓縮機(jī)防喘控制功能恢復(fù)，從設(shè)計(jì)層面保證了機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。