氣壓機轉(zhuǎn)速頻繁波動故障分析及解決方法

戰(zhàn)友亮，曹吉民，張文壇

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

1 問題

大港石化公司140萬t/a催化裂化裝置氣壓機組使用的是1996年從美Elliott引進的蒸汽透平式離心壓縮機，由3M8I型離心式壓縮機和SRV4-3型汽輪機組成。2014年5月催化裝置檢修后，氣壓機組轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象加劇，幅度由50 r/min增至100 r/min。

2 氣壓機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)原理。正常調(diào)節(jié)模式下，轉(zhuǎn)速由PID控制器控制對轉(zhuǎn)速設定值和測量值進行比較運算后，轉(zhuǎn)換成4～20 mA電信號，輸出至VALTEK定位器，電信號經(jīng)電氣轉(zhuǎn)換器調(diào)制并輸出調(diào)節(jié)氣，調(diào)節(jié)氣驅(qū)動調(diào)節(jié)閥活塞聯(lián)動活塞桿升降，活塞桿帶動杠桿經(jīng)活動支點升降油動機錯油門，錯油門驅(qū)動控制油推動油動機柱塞和柱塞桿做升降運動，柱塞桿帶動連桿，再經(jīng)多次傳動最終控制調(diào)節(jié)汽閥的開度變化來改變進汽量，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

（2）機械反饋。在調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)，錯油門處于平衡位置。在調(diào)節(jié)動作過程中，只有在杠桿另一側(cè)的調(diào)節(jié)閥活塞桿撬動下，杠桿活動支點錯油門作升降運動。調(diào)節(jié)閥活塞桿停止后，轉(zhuǎn)動支架移動杠桿支點，連桿動作同時，連桿上的凸輪通過轉(zhuǎn)動支架上的軸承將凸輪的曲線運動傳遞轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)動支架支點的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動支架帶動反饋杠桿使錯油閥閥門反方向復位，油動機停止動作，完成一個調(diào)節(jié)動作。

3 氣壓機轉(zhuǎn)速波動原因分析

氣壓機組由背壓式汽輪機和富氣壓縮機組成，原動機汽輪機受到的中、低壓蒸汽溫度和壓力，可能會影響轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)。結(jié)合轉(zhuǎn)速、富氣溫度歷史趨勢發(fā)現(xiàn)，富氣溫度變化影響氣壓機的轉(zhuǎn)速，但這些因素不會頻繁影響氣壓機的轉(zhuǎn)速，而且轉(zhuǎn)速的波動不會達到100 r/min。排查從氣壓機調(diào)速系統(tǒng)的上位程序、現(xiàn)場儀表、機械傳動等每個環(huán)節(jié)，結(jié)合轉(zhuǎn)速歷史趨勢、調(diào)速機構(gòu)現(xiàn)場問題及調(diào)速系統(tǒng)工作原理，分析認為引起氣壓機轉(zhuǎn)速大幅波動有3個主要因素：①當氣壓機轉(zhuǎn)速較大波動時，手動模式的預開功能會打開防喘振控制閥，引起反應器壓力波動，也會加劇轉(zhuǎn)速的波動；②凸輪與反饋軸承的持續(xù)磨損，使杠桿活動支點的整體運行軌跡與原始軌跡偏離，調(diào)節(jié)過程中錯油門無法復位，油動機錯油門處于微開狀態(tài)，1個調(diào)節(jié)動作始終無法完成，造成轉(zhuǎn)速持續(xù)波動。磨損導致反饋杠桿活動支點的運行軌跡上移，錯油閥閥芯同處于向上偏離平衡位置，這恰恰是降速的位置，造成實際轉(zhuǎn)速向下偏離設定轉(zhuǎn)速幅度較大的現(xiàn)象。凸輪與反饋軸承的持續(xù)磨損應是機組轉(zhuǎn)速波動且逐漸加劇的主要原因；③氣壓機轉(zhuǎn)速＜5560 r/min時，第五個調(diào)速氣門處于開關(guān)臨界區(qū)引起蒸汽量變化。

4 解決方法

4.1 修改氣壓機防喘振控制系統(tǒng)程序

氣壓機組轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)是Elliott公司配套供貨的EDS（Elliott Digital System），防喘振控制功能由獨立的Elliott防喘振控制器完成。2002年將該控制系統(tǒng)進行了升級，改造為Triconex的三重冗余容錯的TS3000控制系統(tǒng)，集超速自保聯(lián)鎖邏輯控制、防喘振控制等為一體，取消了原來獨立的防喘振控制器，防喘振控制功能通過Triconex系統(tǒng)軟件實現(xiàn)。

防喘振控制系統(tǒng)分為自動、手動、手手動3種模式，氣壓機防喘振控制程序修改后，在手手動模式下，氣壓機出現(xiàn)喘振時，防喘振閥不會打開保護機組，存在安全隱患。當氣壓機轉(zhuǎn)速較大波動時，手動模式的預開功能會打開防喘振控制閥，引起反應器壓力波動，也會加劇轉(zhuǎn)速的波動。因此需要在線對防喘振程序進行修改，即防喘振控制器選擇手手動模式，氣壓機出現(xiàn)喘振時，防喘振閥能夠立即打開消除喘振。

（1）喘振算法及控制線。TS3000防喘振控制算法適用于多工況，進氣參數(shù)變化的場合，其中，壓比式（Pd/Ps～h/Ps%）控制算法適于進氣壓力變化場合。縱坐標Pd/Ps，橫坐標h/Ps，計算喘振點的數(shù)學模型：h/Ps%=100 （ΔP/ΔPmax）（Pr/Ps）（Ts/Tr）（Z/Zr）（MWr/MW），式中Pr，Tr，是設計的參考壓力和溫度；MWr是相對分子質(zhì)量；Zr為壓縮比；Ps是入口壓力；Ts是入口溫度；ΔP是入口流量變送器差壓；ΔPmax為入口流量最大差壓。一般情況下，防喘振控制中只考慮流量、入口壓力的變化，因此公式可簡化為h/Ps%=100（ΔPm/ΔPmax（Pr/Ps）2。

（2）安全邊界重新校驗。該機組的喘振組態(tài)中，控制線數(shù)據(jù)是喘振線數(shù)據(jù)的110%，控制線下面隱藏一條線（紫色），如果系統(tǒng)檢測到工作點越過喘振線，表示喘振已發(fā)生，為增加控制裕度，安全邊界增加一固定值（紫線出來并向右移動2%），這時紫線變成了控制線，每次偏置為2%，最大為100%。工況正常后可以通過喘振偏置復位按鈕進行復位，恢復偏置到初始值的10%。

（3）預開功能。工作點和控制點（也叫徘徊點）的間距是固定值d?？刂泣c移動速率為1%，當工作點向右快速移動（速率＞1%），控制點為保持d值將跟蹤工作點，如果跟蹤不上工作點，防喘振控制閥快速打開一定閥位消除這種波動后關(guān)閉回原來的閥位。

（4）適配增益和不對稱響應。工作點在喘振控制線的右側(cè)時，減少比例P的作用，增大積分I的作用，回流閥較慢打開。當工作點在喘振控制線的左側(cè)時，增大比例P的作用，減少積分I的作用，回流閥較快打開。但是慢關(guān)特性又限制回流閥關(guān)的速度，以使機組平穩(wěn)的恢復正常工作點。

（5）PI調(diào)節(jié)功能。徘徊點與控制點的高選為PI調(diào)節(jié)的給定點。正常工況下，徘徊點在操作點左側(cè)一定距離，考慮到氣壓機的壓力不高，喘振裕度很大，設定該值為10%。徘徊點跟隨操作點的變化趨勢以固定速度變化，當操作點較快下降時，將會接近徘徊點，PI的偏差變小，在PI作用下調(diào)節(jié)輸出。喘振控制器的輸出信號設定一定的速率，快開慢關(guān)。當需要打開喘振閥門時，沒有速率限制，會以PI的實際信號迅速打開閥門；當工作點安全地移到喘振控制線的右方，防喘振閥以設定速率慢關(guān)，保證平穩(wěn)地將透平驅(qū)動機及工況控制器調(diào)整到新的工作條件下。

（6）比例特性。TS3000系統(tǒng)有一個純比例控制功能，這個功能可強制打開防喘振控制閥，而不管當時的PI控制器的作用。如果工藝擾動較大，工作點迅速移動到喘振控制線的左邊，而通常的調(diào)節(jié)不能滿足調(diào)節(jié)要求，這時比例特性發(fā)揮作用。當工作點達到喘振控制線的左邊時，回流閥按照PID控制器設置打開回流閥，如果繼續(xù)向左移動到某一設定的范圍時（該范圍指控制線左邊存在一條虛擬線距離控制線30%），比例特性和PID控制器高選后直接控制回流閥，工作點達到喘振線上，回流閥全開。

（7）防喘振控制方式。①“自動”模式時，防喘振控制器具有預開功能、安全邊界重新校驗、適配增益和不對稱響應、比例特性，壓縮機根據(jù)曲線自動控制反飛動控制閥開關(guān)。防喘振閥門能夠出現(xiàn)喘振時自動全部打開，喘振結(jié)束自動全關(guān)閉；②“手動”模式時，指位于自動和手手動的高級選者，手動到自動切換為無擾動切換，壓縮機根據(jù)曲線自動控制反飛動控制閥自動開手動關(guān)。出現(xiàn)喘振時，閥門開至解除喘振，然后開始關(guān)閉至原來開度；③“手手動”模式時，操作員手動開關(guān)防喘振控制閥，當出現(xiàn)喘振時，防喘振控制閥無法打開，手手動狀態(tài)，氣壓機出現(xiàn)喘振時，控制閥不會打開保護機組，存在安全隱患。因此需要在線對防喘振程序進行了修改，手手動模式，當氣壓機出現(xiàn)喘振時，防喘振閥能夠打開消除喘振后回到原閥位。

4.2 在線調(diào)整氣壓機轉(zhuǎn)速反饋軸承位置

通過測量發(fā)現(xiàn)反饋軸承外圈存在1.3 mm磨損，經(jīng)過理論分析認為這可能就是引起轉(zhuǎn)速波動的原因，開機更換反饋軸承不具備條件，但是將其旋轉(zhuǎn)避開磨損部位能夠解決轉(zhuǎn)速的波動。7月28日，車間按照調(diào)整反饋軸承的方案進行了實施，將調(diào)速系統(tǒng)的反饋軸承旋轉(zhuǎn)180°，避開反饋軸承的磨損部位，調(diào)整后解決了轉(zhuǎn)速大幅波動的問題。

5 實施效果

氣壓機防喘振控制系統(tǒng)程序修改后，手手動模式時，當氣壓機出現(xiàn)喘振時，防喘振閥能夠打開消除喘振保護機組，解決了防喘振控制程序的不足。在線調(diào)整反饋軸承位置后，轉(zhuǎn)速沒有出現(xiàn)大幅波動，實際轉(zhuǎn)速能夠及時跟蹤設定值，氣壓機轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)不僅消除了對上下游裝置的影響，同時每小時可以節(jié)約中壓蒸汽2 t，保證了催化裂化裝置長周期穩(wěn)定運行。

［1］大港石化公司催化裝置操作規(guī)程［R］.2015.