軸流式風(fēng)機(jī)喘振逆流的控制及故障分析

軸流式風(fēng)機(jī)喘振逆流的控制及故障分析

李海濤，張登耀
（蘭州石化公司煉油廠，甘肅蘭州 730060）

軸流式風(fēng)機(jī)發(fā)生喘振、逆流的機(jī)理、原因及危害，杜絕喘振和逆流工況發(fā)生的實(shí)施過程。通過實(shí)例分析120萬t/a重催裝置軸流式風(fēng)機(jī)的TRICON ESD聯(lián)鎖控制系統(tǒng)聯(lián)鎖觸發(fā)后對(duì)機(jī)組的保護(hù)，和未觸發(fā)系統(tǒng)聯(lián)鎖的原因，并給出故障解決措施。

軸流風(fēng)機(jī)；喘振；逆流；聯(lián)鎖保護(hù)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.30

0 引言

120萬t/a重油催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組由煙機(jī)—軸流風(fēng)機(jī)—電機(jī)組成。驅(qū)動(dòng)煙機(jī)型號(hào)YLII-10000H，軸流風(fēng)機(jī)型號(hào)AV63-12，功率13 872 kW，流量180 000 m3/h，主軸轉(zhuǎn)速5711 r/min，設(shè)計(jì)吸入壓0.085 MPa，排出壓0.43 MPa，工作溫度20℃，工作介質(zhì)為空氣，設(shè)計(jì)效率89%；配套電機(jī)型號(hào)QWG900Ka4，功率10 000 kW，額定電壓6000 V，額定電流1098 A。

正常生產(chǎn)工況下，主風(fēng)機(jī)組向再生器底部輸送壓縮空氣，使再生器和反應(yīng)器內(nèi)的催化劑處于流化循環(huán)狀態(tài)，以滿足催化裂化反再系統(tǒng)的流化及為燒焦提供輸送空氣，如主風(fēng)機(jī)組停運(yùn)，催化裂化反應(yīng)也將被迫停止。因此，主風(fēng)機(jī)組的運(yùn)行狀況直接影響著整個(gè)催化裂化裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行。喘振和逆流是諸多影響主風(fēng)機(jī)組安全運(yùn)行因素的一部分。

1 軸流式風(fēng)機(jī)的喘振與逆流

1.1 喘振的成因及危害

喘振又稱飛動(dòng)，是指軸流壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，因系統(tǒng)負(fù)荷降低而使壓縮機(jī)進(jìn)口流量降低，當(dāng)進(jìn)口流量降到一定程度時(shí)，氣體排出量會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈振蕩，使機(jī)身出現(xiàn)劇烈振蕩的現(xiàn)象。

在裝置的日常生產(chǎn)中,軸流式壓縮機(jī)總是與管網(wǎng)一起聯(lián)合工作。圖1為壓縮機(jī)和管網(wǎng)聯(lián)合工作性能曲線。圖中曲線Ⅰ是管網(wǎng)的阻力線，曲線ABC為壓縮機(jī)的特性線，P為管網(wǎng)壓力，Q為壓縮機(jī)進(jìn)口流量。

圖1 壓縮機(jī)和管網(wǎng)聯(lián)合工作性能曲線

如圖1所示，機(jī)組正常工作時(shí)，機(jī)、網(wǎng)在兩曲線交點(diǎn)B工作。若管網(wǎng)阻力增加，則管網(wǎng)曲線左移，管網(wǎng)阻力線從位置Ⅰ移到Ⅱ，機(jī)、網(wǎng)系統(tǒng)工作點(diǎn)向上移動(dòng)，壓縮機(jī)工況向小流量偏移。當(dāng)流量減少到正常工作允許最小值時(shí)，壓縮機(jī)工作移到C點(diǎn)，此時(shí)壓縮機(jī)通道受阻堵塞，使氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈脈動(dòng)，壓縮機(jī)出口壓力突然下降。而管網(wǎng)中氣體壓力并未同時(shí)下降，由于管網(wǎng)阻力大于壓縮機(jī)出口壓力，氣體倒流到壓縮機(jī)，壓縮機(jī)工作點(diǎn)經(jīng)H從C跳到D點(diǎn)。由于管網(wǎng)一方面向外排氣，一方面向壓縮機(jī)倒流，因而壓力從C降到G點(diǎn)，壓縮機(jī)壓力也從D降到E點(diǎn)，此時(shí)壓力達(dá)到新的平衡，壓縮機(jī)又建立起正常輸氣條件，其工作點(diǎn)由E跳到F點(diǎn)，由F點(diǎn)突躍到原曲線ABC。此時(shí)壓縮機(jī)的流量大于管網(wǎng)排出量，于是壓縮機(jī)背壓上升，機(jī)、網(wǎng)的工作點(diǎn)又向C點(diǎn)靠近。到達(dá)C點(diǎn)后，倒流再次出現(xiàn)，如此周而復(fù)始，產(chǎn)生周期性氣流脈動(dòng)，此現(xiàn)象被稱為喘振[1]。

由于喘振過程中，氣體在壓縮機(jī)及管網(wǎng)之間產(chǎn)生周期性氣流脈動(dòng)，使機(jī)體和軸承振動(dòng)幅度加大，給機(jī)組帶來很大危害，主要表現(xiàn)：①機(jī)體嚴(yán)重振動(dòng)可能引起靜、動(dòng)部件摩擦而損壞；②氣流脈動(dòng)甚至共振，可能引起機(jī)組葉片斷裂；③氣體倒流，可能引起機(jī)體內(nèi)溫度急劇上升，導(dǎo)致葉片與內(nèi)缸損壞。

1.2 逆流的成因及危害

逆流現(xiàn)象是軸流風(fēng)機(jī)最危險(xiǎn)的工況，造成逆流的原因有：①工藝系統(tǒng)事故使系統(tǒng)壓力驟升，造成氣流向軸流風(fēng)機(jī)倒流。②喘振狀態(tài)的進(jìn)一步發(fā)展。軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振工況，若不及時(shí)排除，由于工藝系統(tǒng)和管網(wǎng)的容量很大，就會(huì)產(chǎn)生持續(xù)逆流。同時(shí)由于出口壓力高，壓縮機(jī)氣體不能暢通輸出，則旋轉(zhuǎn)機(jī)械將其轉(zhuǎn)化為熱能使葉片膨脹，造成動(dòng)葉與靜葉相碰而損壞軸流風(fēng)機(jī)[2]。

2 軸流式風(fēng)機(jī)防喘振與逆流的控制方法

（1）控制方法。防喘振控制系統(tǒng)主要是在壓縮機(jī)出口設(shè)置旁路放空閥，通過設(shè)定防喘振線對(duì)放空閥實(shí)施監(jiān)控，通過控制防喘振放空閥開度，改變壓縮機(jī)進(jìn)口低流量狀態(tài)，使得工作點(diǎn)遠(yuǎn)離壓縮機(jī)喘振曲線（圖2），以防止喘振發(fā)生。

圖2 喘振曲線簡(jiǎn)圖

120萬 t/a重油催化主風(fēng)機(jī)的防喘振控制是通過 TRICON ESD（Emergency Shut Down System）即緊急停車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，該系統(tǒng)主要完成以下控制功能：①機(jī)組的啟動(dòng)、停止程序控制；②機(jī)組的停機(jī)連通器鎖保護(hù)程序控制；③機(jī)組的防喘振控制；④潤(rùn)滑油、動(dòng)力油等輔助系統(tǒng)的自動(dòng)控制[3]。

（2）控制原理。機(jī)組防喘振控制系統(tǒng)原理如（圖3）所示。

圖3 軸流壓縮機(jī)防喘振控制系統(tǒng)原理

TRICON ESD提供專門的防喘振控制模塊，用戶在TriStation 1131系統(tǒng)軟件環(huán)境下的控制程序組態(tài)中可以利用和調(diào)用這些模塊，并將主風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力、溫度、流量和出口壓力、溫度等過程變量輸入到模塊中，在模塊中進(jìn)行喘振線、喘振點(diǎn)和工作點(diǎn)的計(jì)算。防喘振控制的原理方程見式（1）。

式中ΔP0——主風(fēng)機(jī)進(jìn)口流量（進(jìn)口喉部差壓）,MPa

K——計(jì)算常數(shù)

ΔPC0——主風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口壓差,MPaT0——進(jìn)口溫度,℃

b——設(shè)置反喘振安全裕度設(shè)定值f（a）——靜葉角度相對(duì)應(yīng)函數(shù)

操作站中的軟件可以讀取這些數(shù)據(jù)，并做出喘振線和防喘振調(diào)節(jié)畫面，使操作人員可以直觀地監(jiān)控防喘振調(diào)節(jié)狀態(tài)。

（3）控制過程。在主風(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中，防喘振控制系統(tǒng)可以根據(jù)工作點(diǎn)的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)防喘振閥的開度，使工作點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振線，當(dāng)出現(xiàn)異常工況時(shí)，系統(tǒng)控制防喘振閥快速打開，避免主風(fēng)機(jī)進(jìn)入喘振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)防喘振目的。

ESD系統(tǒng)根據(jù)喘振的強(qiáng)弱、持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短進(jìn)行綜合判斷處理對(duì)軸流風(fēng)機(jī)實(shí)施防喘振和防逆流保護(hù)，大致可以分為3個(gè)階段：①靠防喘振控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)來消除喘振工況。②通過安全運(yùn)行程序消除逆流工況（逆流時(shí)間＞4 s時(shí)）。③在迫不得已的工況下實(shí)施自動(dòng)聯(lián)鎖停機(jī)程序（逆流時(shí)間＞10 s或20 s內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)多次逆流時(shí)）。

3 案例分析

3.1 主風(fēng)機(jī)組安全運(yùn)行故障

（1）故障現(xiàn)象。2011年7月27日，120萬t/年重催裝置主風(fēng)機(jī)組進(jìn)入安全運(yùn)行和逆流保護(hù)狀態(tài)，主風(fēng)機(jī)放空閥打開，主風(fēng)單向阻尼閥關(guān)閉，煙機(jī)高溫蝶閥、高溫閘閥關(guān)閉，系統(tǒng)自動(dòng)投入非自動(dòng)運(yùn)行。

（2）故障檢查。停機(jī)后檢查（SOE）記錄，發(fā)現(xiàn)主風(fēng)機(jī)喉部壓差聯(lián)鎖開關(guān)發(fā)生動(dòng)作，送出聯(lián)鎖接點(diǎn)信號(hào)，大約4 s之后機(jī)組進(jìn)入安全運(yùn)行模式，即在同一時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)相應(yīng)聯(lián)鎖自保閥同時(shí)發(fā)生自保動(dòng)作。對(duì)照逆流保護(hù)邏輯程序段檢查，在喉部差壓開關(guān)（差壓值＜2 kPa）信號(hào)送出后若持續(xù)4 s未恢復(fù)正常，就會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的逆流保護(hù)程序，從而發(fā)生自保聯(lián)鎖閥輸出動(dòng)作。

為確定現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際喉部壓差信號(hào)是否發(fā)生低低聯(lián)鎖，進(jìn)一步查看現(xiàn)場(chǎng)另一塊模擬量顯示表的歷史記錄,由上位歷史趨勢(shì)查到，喉部差壓模擬信號(hào)由正常值3.971 kPa直接降到0(逆流保護(hù)設(shè)定值為≤2 kPa），再查看相關(guān)的工藝參數(shù)，在同一時(shí)間這些工藝量都發(fā)生了變化，即主風(fēng)出口壓力在3 s內(nèi)由306 kPa持續(xù)降低至82.6 kPa，主風(fēng)入口壓力由73.6 kPa變至79 kPa；入口導(dǎo)葉控制閥閥位回訊由24.1%變至22.4%,1s之后由22.1%變至15.8%；在喉部差壓模擬信號(hào)為0持續(xù)4 s后，逆流保護(hù)程序啟動(dòng)，防喘振閥閥位由12%全開至100%。參數(shù)歷史趨勢(shì)、SOE事件記錄及逆流保護(hù)程序與實(shí)際發(fā)生情況都符合，說明主風(fēng)機(jī)確實(shí)發(fā)生了逆流保護(hù)。

（3）原因分析與處理措施。分析事件記錄及趨勢(shì)圖，確定發(fā)生了喉部差壓低的情況，造成這一狀況可能有3個(gè)原因：①2010年8月出現(xiàn)過由于引壓不暢造成機(jī)組安全運(yùn)行。此后將此處檢修改造，將壓力開關(guān)和變送器信號(hào)分別輸出，但是這2個(gè)信號(hào)仍從同一測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，因此仍不能排除引壓不暢造成假信號(hào)的故障。②由于靜葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)自1996年投用以來，已存在老化現(xiàn)象，在30%以下開度線性不好，在30%以下開度限位不準(zhǔn)確存在稍微跑位現(xiàn)象，也可造成喉部壓差低的現(xiàn)象。③由于靜葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)是風(fēng)動(dòng)調(diào)節(jié)，要求的氣源壓力為0.4 M～0.7 MPa，實(shí)際上靜葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的供風(fēng)壓力為0.35 MPa，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力供應(yīng)存在缺陷可能造成靜葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在偏差。

經(jīng)過近4 h的觀察，喉部差壓均≥5 kPa，并再無波動(dòng)現(xiàn)象，系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行，并采取2個(gè)措施:①儀表工放空喉部差壓并將測(cè)壓點(diǎn)徹底排空。②操作人員加強(qiáng)監(jiān)盤，將軸流風(fēng)機(jī)入口靜葉開度控制在30%以上調(diào)整操作，小風(fēng)量時(shí)利用防喘振閥控制主風(fēng)流量。

3.2 主風(fēng)機(jī)靜葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)跑位

（1）故障現(xiàn)象。2015年1月20日中午12時(shí)05分，主風(fēng)機(jī)組靜葉控制閥在輸出操作無任何變化的情況下，閥位回訊逐漸變小，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際閥位發(fā)生跑位，靜葉控制閥不斷關(guān)小，從正常設(shè)定閥位35%關(guān)至24.7%，之后停止波動(dòng)。隨后，操作人員不斷增加開度設(shè)定值，最終于12時(shí)29分將現(xiàn)場(chǎng)閥位恢復(fù)至與設(shè)定值一致的正?？刂茽顟B(tài)。

（2）原因分析與處理措施。2015年1月20日故障主風(fēng)機(jī)組入口靜葉往關(guān)小的方向關(guān)閉，機(jī)組的喉部差壓降低，但喉部差壓最低僅降到3.7 kPa，未達(dá)到防喘振控制系統(tǒng)所要求的聯(lián)鎖值2 kPa，故聯(lián)鎖未動(dòng)作；反再崗位靠降量維持操作，待切換至備用主風(fēng)機(jī)后恢復(fù)正常生產(chǎn)操作。為方便進(jìn)一步檢查故障，通過專用軟件ValveLink對(duì)定位器進(jìn)行在線診斷。

通過觀察行程診斷測(cè)試波形圖，確認(rèn)定位器性能良好，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。經(jīng)過2 d的不間斷觀察，控制閥一直工作狀態(tài)良好。經(jīng)過檢測(cè)、分析判斷，傾向于認(rèn)為控制閥發(fā)生跑位故障可能是由于氣源供風(fēng)品質(zhì)較差，定位器在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)短時(shí)噴嘴堵塞現(xiàn)象，造成調(diào)節(jié)失靈。根據(jù)判斷分析原因，為改善定位器供風(fēng)品質(zhì)，采取了臨時(shí)加裝兩組精密過濾器的措施，以進(jìn)一步保證控制閥長(zhǎng)周期工作的可靠性。

事故處理后，軸流風(fēng)機(jī)半年多運(yùn)行平穩(wěn)，軸流風(fēng)機(jī)入口靜葉仍維持30%以上的開度運(yùn)行，并通過出口防喘振閥共同維持風(fēng)量，一定程度上影響裝置的能耗。

4 結(jié)語

為更大程度準(zhǔn)確無誤的保護(hù)機(jī)組，確保裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行，一方面對(duì)主風(fēng)機(jī)組參與控制的聯(lián)鎖信號(hào)采集元件進(jìn)行更換，消除儀表虛假信號(hào)對(duì)生產(chǎn)的影響；另一方面對(duì)軸流風(fēng)機(jī)使用多年的防喘振閥在2013年裝置大檢修進(jìn)行更換，確保機(jī)組喘振工況急時(shí)消除，杜絕逆流現(xiàn)象的發(fā)生。

［1］楊小鋒.S-3000系統(tǒng)在軸流壓縮機(jī)喘振控制中的應(yīng)用［J］.廣東自動(dòng)化與信息工程，2006（2）：29-30.

［2］錢玉洪.軸流風(fēng)機(jī)的防喘振和防逆流保護(hù)系統(tǒng)［J］.齊魯石油化工，1996（4）：294-297.

［3］吳頤軒.緊急停車系統(tǒng)在催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組中的應(yīng)用［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2005（5）：54-57.

TH443

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〔編輯 李 波〕