汽拖空壓機(jī)在空分空壓裝置中的問題及對(duì)策

陳貝琳 , 魏 軍

(1.洛陽煉化宏達(dá)實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司 洛陽分公司 , 河南 洛陽 471012 ; 2.中國石化 洛陽分公司 , 河南 洛陽 471012)

空分空壓裝置是諸多現(xiàn)代工業(yè)行業(yè)中的動(dòng)力源,起到了將空氣中的組分分離,產(chǎn)生氧氣、氮?dú)獾葰怏w,將其有效凈化并持續(xù)輸送的作用?？諝鈮嚎s機(jī)作為空分空壓裝置中的核心設(shè)備,最常用的是電拖離心式空壓機(jī)。電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備,離心式壓縮機(jī)通過葉輪做功,使之動(dòng)能增大,然后經(jīng)擴(kuò)壓器使氣體的壓力提高,并持續(xù)輸出穩(wěn)定氣源,為石油煉化行業(yè)中工業(yè)風(fēng)、儀表風(fēng)及氮?dú)庀到y(tǒng)提供有力保障。而電動(dòng)機(jī)的持續(xù)驅(qū)動(dòng),離心式壓縮機(jī)的高效運(yùn)行,無疑成為了這份保障中的關(guān)鍵。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展,汽輪機(jī)的安全性及穩(wěn)定性也日益成熟,其在石油化工行業(yè)中的應(yīng)用也日益頻繁。在企業(yè)生產(chǎn)工藝達(dá)到儲(chǔ)備足量過剩蒸汽且蒸汽價(jià)格合理的前提下,從經(jīng)濟(jì)及能效轉(zhuǎn)換的角度分析,如何在空分空壓裝置中,用汽輪機(jī)替代電動(dòng)機(jī),實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)離心機(jī),既保證汽拖空壓機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí),又能為企業(yè)節(jié)約大量用電成本,成為現(xiàn)代石油煉化行業(yè)在空分系統(tǒng)中的主要探討方向。

1 空分空壓裝置現(xiàn)狀

1.1 裝置概述

某公司空分空壓裝置設(shè)置有凈化壓縮空氣管網(wǎng)、非凈化壓縮空氣管網(wǎng)及氮?dú)夤芫W(wǎng)。凈化壓縮空氣為儀表用壓縮空氣,非凈化壓縮空氣主要是吹掃用氣,氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)用氣。

空分空壓站包括空氣壓縮和空氣分離兩部分。主要由3臺(tái)離心式空氣壓縮機(jī)、2臺(tái)冷凍式干燥機(jī)、2臺(tái)微熱再生干燥機(jī)、3臺(tái)變壓吸附制氮機(jī)組成。離心式空氣壓縮機(jī)1臺(tái)為汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng),2臺(tái)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

除生產(chǎn)裝置自產(chǎn)蒸汽外,目前蒸汽來源為外購3.5 MPa蒸汽,其中部分中壓蒸汽進(jìn)入中壓蒸汽管網(wǎng),部分中壓蒸汽通過汽輪機(jī)及減溫減壓器降至1.0 MPa蒸汽送入低壓蒸汽管網(wǎng)。

由于公司屬于石油煉化行業(yè),3.5 MPa蒸汽及1.0 MPa蒸汽使用消耗量大,故選用汽拖空壓機(jī)作為空分空壓裝置主要驅(qū)動(dòng)設(shè)備,為企業(yè)節(jié)約大量用電成本。

1.2 設(shè)備主要參數(shù)

電拖離心式空壓機(jī)2臺(tái),型號(hào)ZH1600,空氣流量240 Nm3/min,空氣進(jìn)口壓力為常壓,出口壓力為0.9 MPa,額定轉(zhuǎn)速2 980 r/min。汽拖離心式空壓機(jī)1臺(tái),型號(hào)ZH1600,空氣流量240 Nm3/min,空氣進(jìn)口壓力為常壓,出口壓力為0.9 MPa,額定轉(zhuǎn)速為2 980 r/min。

1.3 設(shè)備主要能耗

汽拖空壓機(jī)用汽負(fù)荷:壓力3.4 MPa,溫度為(420±30) ℃,用汽量30 t/h;產(chǎn)汽負(fù)荷:壓力(1.2±0.1)MPa,溫度為300 ℃,產(chǎn)汽量30 t/h。

電拖空壓機(jī)電壓10 000 V,操作設(shè)備1臺(tái),備用設(shè)備1臺(tái),電機(jī)操作功率1 600 kW,備用功率1 600 kW。

2 汽拖空壓機(jī)存在的主要問題

2.1 汽輪機(jī)升速過程中振動(dòng)超標(biāo)導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)

汽輪機(jī)在單機(jī)試運(yùn)時(shí),低速暖機(jī)結(jié)束后的升速過程中,臨近額定轉(zhuǎn)速2 980 r/min時(shí),蒸汽側(cè)振動(dòng)頻繁超標(biāo)導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)。即在汽輪機(jī)升速階段,蒸汽側(cè)振動(dòng)值持續(xù)上升,當(dāng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速臨近2 500 r/min時(shí)振動(dòng)高報(bào),當(dāng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速臨近2 980 r/min時(shí)振動(dòng)聯(lián)鎖導(dǎo)致停機(jī),振動(dòng)高報(bào)值為62 μm,振動(dòng)聯(lián)鎖值為76 μm。

2.2 汽輪機(jī)在升速結(jié)束時(shí)失速導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)

汽輪機(jī)在汽拖空壓機(jī)整機(jī)聯(lián)運(yùn)啟動(dòng)后,汽輪機(jī)升速結(jié)束時(shí),汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速頻繁波動(dòng),無法穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速2 980 r/min,最終導(dǎo)致汽輪機(jī)失速觸發(fā)聯(lián)鎖停機(jī)。當(dāng)汽輪機(jī)505控制系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速為2 980r/min,汽輪機(jī)在升速結(jié)束時(shí),實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速無法得到有效控制最終超速,達(dá)到3 040 r/min聯(lián)鎖值導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。

2.3 汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中失速導(dǎo)致連鎖停機(jī)

汽拖空壓機(jī)啟動(dòng)完成,離心空壓機(jī)出口空氣并入氣路管網(wǎng)時(shí),由于離心空壓機(jī)出口壓力為恒壓控制,在空壓機(jī)入口IGV及出口BOV控制閥依靠PID自動(dòng)調(diào)整閥位,穩(wěn)定出口壓力的過程中,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)大幅波動(dòng),導(dǎo)致汽輪機(jī)失速觸發(fā)聯(lián)鎖停機(jī)。當(dāng)空壓機(jī)控制閥PID調(diào)節(jié)、穩(wěn)定空壓機(jī)出口壓力時(shí),汽輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速來回震蕩波動(dòng)且呈逐漸放大趨勢(shì),最終失速導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)。

3 解決方案

由于汽輪機(jī)與離心式壓縮機(jī)在空分系統(tǒng)中的應(yīng)用不多,離心式壓縮機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)的需求也高,需求驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速更加穩(wěn)定的同時(shí),其實(shí)際需求轉(zhuǎn)速也僅為2 980 r/min。低轉(zhuǎn)速、高穩(wěn)定性對(duì)汽輪機(jī)來說,均存在一定挑戰(zhàn)性,尤其是出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)聯(lián)鎖等一系列難點(diǎn),更需要全面充分考慮。除了從設(shè)備本身著手之外,還需要充分結(jié)合空分空壓裝置的生產(chǎn)特性,在保護(hù)離心式空壓機(jī)的前提下,做好汽輪機(jī)與離心式壓縮機(jī)的有機(jī)融合,確保單個(gè)設(shè)備安全運(yùn)行的同時(shí),盡可能優(yōu)化汽拖空壓機(jī)的控制系統(tǒng),保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 汽輪機(jī)振動(dòng)超標(biāo)問題解決方案

動(dòng)設(shè)備出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)問題始終是行業(yè)內(nèi)的難題。尤其是汽輪機(jī),除了工藝管線設(shè)計(jì)方存在設(shè)計(jì)缺陷之外,應(yīng)從以下幾點(diǎn)逐步分析。

3.1.1檢查并確認(rèn)設(shè)備使用潤(rùn)滑油油質(zhì)是否異常

在設(shè)備安裝期間,應(yīng)充分做好設(shè)備潤(rùn)滑油箱、潤(rùn)滑油管路的跑油工作,避免雜質(zhì)進(jìn)入軸瓦等關(guān)鍵潤(rùn)滑部位,確保油沖洗合格。油沖洗應(yīng)以循環(huán)方式進(jìn)行,每8 h在35～70 ℃內(nèi)升降油溫1～2次,直至油沖洗合格;與此同時(shí),自上游向下游按油的流向先主管、后支管對(duì)各油管道分段反復(fù)沖洗,按油的流向用木錘沿管線敲擊各焊縫、彎頭和三通,定期排放并清理油路的死角和最低處積存的污物。

待油沖洗循環(huán)多次后(連續(xù)沖洗4 h),在設(shè)備本體進(jìn)油管口上加裝的80～75 μm(180～200目)臨時(shí)濾網(wǎng)上,1 cm2面積上肉眼可見軟性雜質(zhì)≤3點(diǎn),且不允許存在硬質(zhì)顆粒為合格標(biāo)準(zhǔn)。油系統(tǒng)沖洗合格后,油系統(tǒng)內(nèi)沖洗油應(yīng)全部退出換成新油。在此基礎(chǔ)上,加強(qiáng)對(duì)在用潤(rùn)滑油的閃點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)黏度、酸值、機(jī)械雜質(zhì)及水分的分析頻次,確保在用潤(rùn)滑油油質(zhì)合格。

3.1.2拆檢設(shè)備本體確認(rèn)軸瓦及各主要間隙無異常

在設(shè)備到廠安裝階段,應(yīng)嚴(yán)格做好翻瓦工作,確認(rèn)軸瓦內(nèi)表面無明顯損傷,當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)較大時(shí),更應(yīng)著重對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆檢檢查。

復(fù)查的主要項(xiàng)目有:軸承箱進(jìn)回油路檢查、軸瓦表面及油道檢查、軸瓦徑向間隙復(fù)查、軸瓦推力間隙復(fù)查、軸瓦滲透探傷復(fù)查、轉(zhuǎn)子竄量復(fù)查、葉片及圍帶檢查、噴嘴間隙復(fù)查、油封表面及間隙復(fù)查、氣封表面及間隙復(fù)查、碳刷間隙及磨損情況復(fù)查、轉(zhuǎn)子機(jī)械及電子跳動(dòng)檢查、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡實(shí)驗(yàn)。

需要指出的是,作為基礎(chǔ)檢查項(xiàng),軸承箱及軸瓦的相關(guān)檢查須在第一時(shí)間進(jìn)行,以此判斷軸瓦安裝情況或潤(rùn)滑油質(zhì)是否存在異常,為下一步拆檢方案或處理方式提供初步依據(jù)。

3.1.3復(fù)查汽輪機(jī)進(jìn)出口管線布局及支撐形式

重新復(fù)查汽輪機(jī)進(jìn)出口管線及閥門布局、支撐位置及形式,每條蒸汽管線及膨脹彎的位置和標(biāo)高,每個(gè)彈簧支吊架或滑動(dòng)支撐的位置和形式,施工過程中的微小疏漏導(dǎo)致與設(shè)計(jì)存在的偏差,均可能造成汽輪機(jī)進(jìn)出口管線應(yīng)力不均勻。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)與設(shè)計(jì)圖紙存在偏差的閥門、滑動(dòng)支撐及彈簧支吊架進(jìn)行全面調(diào)整,需根據(jù)設(shè)備開停需要適當(dāng)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

3.1.4加強(qiáng)汽拖空壓機(jī)設(shè)備底座及基礎(chǔ)強(qiáng)度

設(shè)備底座和基礎(chǔ)強(qiáng)度是動(dòng)設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。對(duì)設(shè)備現(xiàn)有基礎(chǔ)進(jìn)行充分核算,并對(duì)汽輪機(jī)底座、汽拖空壓機(jī)聯(lián)合底座進(jìn)行加固,調(diào)整地腳螺栓形式,確保設(shè)備底座及基礎(chǔ)強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

3.1.5復(fù)查汽輪機(jī)進(jìn)出口管線應(yīng)力情況

動(dòng)設(shè)備進(jìn)出口管線無應(yīng)力檢查,是動(dòng)設(shè)備安裝合格后的重要指標(biāo)之一。在進(jìn)行進(jìn)出口管線無應(yīng)力檢查之前,應(yīng)確保進(jìn)出口管線所有連接螺栓緊固到位,彈簧支吊架及滑動(dòng)支撐端面在適中位置,設(shè)備本體固定螺栓全部緊固到位,避免出現(xiàn)為應(yīng)對(duì)檢查而出現(xiàn)的故意虛緊情況。

3.1.6做好試運(yùn)前汽拖空壓機(jī)整體靜態(tài)振動(dòng)檢測(cè)

汽輪機(jī)在升速過程中出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)聯(lián)鎖,即代表設(shè)備在現(xiàn)有狀態(tài)下,其升速過程中產(chǎn)生的振動(dòng)幅度是始終存在的,最終導(dǎo)致振動(dòng)始終無法降低,從而導(dǎo)致超標(biāo)聯(lián)鎖。故在設(shè)備及管線復(fù)查結(jié)束后,對(duì)設(shè)備整體的靜態(tài)振動(dòng)檢測(cè)尤為關(guān)鍵。

通過整機(jī)靜態(tài)振動(dòng)檢測(cè),分析整機(jī)在現(xiàn)安裝狀態(tài)下的振動(dòng)頻率是否滿足設(shè)計(jì)要求,振動(dòng)頻率盡可能遠(yuǎn)離機(jī)組滿負(fù)荷50 Hz頻率的前提下,找出在0～50 Hz可能存在的振動(dòng)點(diǎn),從而在汽輪機(jī)505控制系統(tǒng)中進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整,汽輪機(jī)升速過程中快速跨過此頻率點(diǎn)。

3.1.7結(jié)合離心空壓機(jī)設(shè)計(jì)確認(rèn)各級(jí)臨界轉(zhuǎn)速

公司離心空壓機(jī)設(shè)計(jì)為3級(jí)增壓,其每級(jí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸均對(duì)應(yīng)有不同的相對(duì)臨界轉(zhuǎn)速,分別核算出996、1 192、1 364 r/min為3處臨近轉(zhuǎn)速點(diǎn),并在汽輪機(jī)505控制系統(tǒng)中進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整,使汽輪機(jī)升速過程中快速跨過各級(jí)臨界轉(zhuǎn)速。

根據(jù)靜態(tài)振動(dòng)頻率及各級(jí)臨界轉(zhuǎn)速點(diǎn),可將汽輪機(jī)升速速率進(jìn)行調(diào)整,即當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速<500r/min時(shí),升速速率為1 500 r/min;當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為900～1 500 r/min、1 900～2 650 r/min時(shí),升速速率為3 000 r/min,此時(shí)汽輪機(jī)迅速升速跨過易激發(fā)振動(dòng)的臨界區(qū)域,剩余轉(zhuǎn)速段的升速速率為900r/min。

3.1.8復(fù)查汽輪機(jī)入口蒸汽管線蒸汽打靶結(jié)果

重新對(duì)汽輪機(jī)入口蒸汽管線進(jìn)行打靶實(shí)驗(yàn),確認(rèn)入口管線內(nèi)清潔度滿足要求,確保進(jìn)入汽輪機(jī)內(nèi)的蒸汽品質(zhì)良好,不會(huì)對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。

3.1.9對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行充分暖機(jī)

汽輪機(jī)低速暖機(jī),需要指出的是務(wù)必要暖機(jī)徹底。由于汽拖空壓機(jī)在空分空壓裝置中的應(yīng)用,多數(shù)依靠的是成套控制系統(tǒng),設(shè)備的啟動(dòng)過程大多數(shù)依靠已經(jīng)設(shè)定好的程序執(zhí)行。在此種情況下,汽輪機(jī)的低速暖機(jī)時(shí)間是否合適,需要以現(xiàn)場(chǎng)汽輪機(jī)缸體溫度為主要衡量指標(biāo)。

3.2 汽輪機(jī)在升速結(jié)束時(shí)失速問題解決方案

針對(duì)汽輪機(jī)在升速結(jié)束時(shí)失速導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)問題,主要在于汽輪機(jī)本體無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控速,應(yīng)從以下幾點(diǎn)進(jìn)行分析:

①復(fù)查汽輪機(jī)入口調(diào)節(jié)汽閥線性程度。結(jié)合汽輪機(jī)廠家,重新對(duì)調(diào)節(jié)汽閥進(jìn)行拉閥實(shí)驗(yàn)、校驗(yàn)行程點(diǎn)的同時(shí),結(jié)合現(xiàn)有裝置波動(dòng)情況,確認(rèn)調(diào)節(jié)汽閥的控制形式,即選用氣動(dòng)控制還是液壓控制,確保調(diào)節(jié)汽閥本體適用于機(jī)組現(xiàn)有工況,從而提高調(diào)節(jié)汽閥的抗波動(dòng)性,使其更為穩(wěn)定。②調(diào)整控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)汽閥PID參數(shù)。在升速程序的基礎(chǔ)上,調(diào)整汽閥的PID參數(shù),使其更適用于現(xiàn)有的升速程序,從而確保調(diào)節(jié)汽閥的控制幅度可控,避免造成機(jī)組頻繁失速。

3.3 汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中失速問題解決方案

汽拖空壓機(jī)在運(yùn)行過程中失速導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)問題,除了蒸汽波動(dòng)導(dǎo)致失速的原因之外,主要原因在于汽拖空壓機(jī)的控制模式設(shè)計(jì)思路是否滿足空分系統(tǒng)恒壓穩(wěn)壓工況需求。

空分空壓裝置空壓機(jī)設(shè)計(jì)主要以出口恒壓為準(zhǔn),離心式壓縮機(jī)的入口IGV及出口BOV控制閥控制模式,均以盡可能恒定空壓機(jī)出口壓力為調(diào)整基準(zhǔn),即當(dāng)出口壓力達(dá)到設(shè)定壓力的一定偏差范圍時(shí),IGV與BOV控制閥會(huì)相互配合,通過已設(shè)定的PID參數(shù)調(diào)整閥門開度,對(duì)出口壓力進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行工況調(diào)整固定比例控制模式下的詳細(xì)參數(shù),根據(jù)空壓機(jī)空氣出口設(shè)定壓力與實(shí)際壓力的偏差情況,將偏差范圍劃分為6個(gè)區(qū)域(如表1所示),且每個(gè)區(qū)域內(nèi)IGV控制閥按一定比例/秒調(diào)整閥門開度。

表1 控制閥固定比例控制模式參數(shù)表

4 結(jié)論

經(jīng)過上述調(diào)整后,空壓機(jī)IGV控制閥在按固定比例調(diào)整時(shí),既滿足空壓機(jī)空氣出口壓力穩(wěn)定的同時(shí),又降低了空壓機(jī)控制閥的波動(dòng)頻次,大大提高整機(jī)負(fù)荷的穩(wěn)定程度。汽拖空壓機(jī)在出口空氣并網(wǎng)后的運(yùn)行過程中,未再出現(xiàn)因空壓機(jī)空氣出口壓力波動(dòng)而造成汽輪機(jī)失速聯(lián)鎖停機(jī),汽輪機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速趨勢(shì)平穩(wěn),未再出現(xiàn)震蕩型波動(dòng),極大地提高了汽拖空壓機(jī)的穩(wěn)定性,確保了蒸汽系統(tǒng)及空氣系統(tǒng)的雙平衡。

汽拖空壓機(jī)在空分空壓裝置的合理應(yīng)用,為企業(yè)節(jié)約了大量的用電成本。用汽拖空壓機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電拖空壓機(jī),雖帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益,但其首次投用成本高、建設(shè)周期長(zhǎng)、管理難度高、抗蒸汽負(fù)荷波動(dòng)性較差等因素,仍是后續(xù)該設(shè)備在各領(lǐng)域應(yīng)用時(shí),企業(yè)需要多方面考慮的關(guān)鍵因素。