氨壓縮機(jī)喘振的原因分析及處理

張 威

(河南省中原大化集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南濮陽 457000)

河南省中原大化集團(tuán)有限責(zé)任公司500 kt/a甲醇項(xiàng)目冷凍裝置配套的氨壓縮機(jī)組，采用沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的多級(jí)離心壓縮機(jī)，型號(hào)為MCL807+2MCL805。壓縮機(jī)與原動(dòng)機(jī)由膜片聯(lián)軸器聯(lián)接，壓縮機(jī)和汽輪機(jī)共用底座，整個(gè)機(jī)組采用潤滑聯(lián)合油站供油[1-2]。原動(dòng)機(jī)采用杭州汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的單缸抽汽冷凝式汽輪機(jī)，型號(hào)為NK25/28/25。

1 氨壓縮機(jī)工藝流程

圖1 氨壓縮機(jī)工藝流程

氨壓縮機(jī)工藝流程如圖1所示。氨壓縮機(jī)與工藝系統(tǒng)中的冷卻器05E004、05E008、05E002、01E101及09E001A/B和氨儲(chǔ)罐09T001等設(shè)備組成冷凍回路，為工藝系統(tǒng)提供所需的冷量。正常生產(chǎn)時(shí)，冷卻器05E004、05E008閃蒸出的氨氣作為氨氣壓縮機(jī)一段入口供氣，經(jīng)入口分離器09S001進(jìn)入低壓段，分離器前有壓力指示PT09011，壓縮機(jī)入口設(shè)有壓力指示PT09030。壓縮機(jī)防喘振控制，通過防喘振回路將高壓缸出口氨氣由防喘振閥FV09030調(diào)節(jié)，然后返回到入口分離器09S001入口[3-4]。

2 事故經(jīng)過

2008年11月8日，氨氣壓縮機(jī)啟動(dòng)，機(jī)組低速暖機(jī)后，按升速程序提速，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至2 000 r/min時(shí)，壓縮機(jī)入口流量指示FI09030在0～18 000 m3之間波動(dòng)，機(jī)組出現(xiàn)異常聲音，確認(rèn)機(jī)組發(fā)生喘振。因?yàn)橹霸霈F(xiàn)2次入口分離器09S001啟動(dòng)壓差大(具體原因不明)，機(jī)組發(fā)生喘振，升速到一定轉(zhuǎn)速后恢復(fù)正常。為此，經(jīng)請(qǐng)示后手動(dòng)加快轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至4 800 r/min時(shí)，壓縮機(jī)出口壓力PT09035指示為0.84 MPa、PT09011指示為0.76 MPa、PT09030指示為0.17 MPa(量程為0～0.2 MPa)；當(dāng)轉(zhuǎn)速接近5 000 r/min時(shí)，入口分離器09S001壓差已接近0.7 MPa，表明此時(shí)分離器不通，機(jī)組一直處于喘振狀態(tài)，被迫打閘停機(jī)。

3 原因分析

3.1 喘振的定義

當(dāng)離心壓縮機(jī)工作在設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，氣流的進(jìn)氣角基本上等于葉輪葉片的進(jìn)幾何安裝角，氣流順利進(jìn)入流道，不會(huì)出現(xiàn)吸附面層脫離。當(dāng)流量減少時(shí)，氣流軸向速度減小，沖角增大，氣流射向葉片的工作面，使非工作面出現(xiàn)脫離。由于氣流在非工作面上是擴(kuò)壓流動(dòng)，出現(xiàn)的脫離很容易擴(kuò)張，所以流量減小時(shí)，脫離發(fā)生明顯；當(dāng)流量減小到某臨界值時(shí)，脫離嚴(yán)重?cái)U(kuò)張，以致充滿流道的大部分區(qū)域，使損失大大增加，破壞了正常流動(dòng)，此時(shí)流量下降，沖角增大。由于進(jìn)口氣流本身的不均勻性和加工存在的問題，造成了各葉片間的幾何結(jié)構(gòu)存在微小差異，導(dǎo)致總會(huì)在某一個(gè)或幾個(gè)葉片上最先發(fā)生氣流脫離，形成一個(gè)或幾個(gè)脫離區(qū)，稱為“脫離團(tuán)”。發(fā)生氣流脫離葉片附近的流動(dòng)情況惡化，出現(xiàn)了明顯的流量減小區(qū)，受阻滯的氣流使上述葉片附近的氣流方向發(fā)生改變，引起流向轉(zhuǎn)向后面葉片的氣流沖角增大，轉(zhuǎn)向前面葉片上的沖角減小。由于工況改變，流量明顯減小，出現(xiàn)嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離，流動(dòng)情況大大惡化。葉輪雖仍在旋轉(zhuǎn)對(duì)氣體做功，但不能提高氣體壓力，壓縮機(jī)出口壓力明顯下降。如果壓縮機(jī)后面的管網(wǎng)容量較大，其背壓的反應(yīng)不敏感，就會(huì)出現(xiàn)管網(wǎng)中的壓力大于壓縮機(jī)出口的壓力，進(jìn)而引起倒流現(xiàn)象的發(fā)生。氣流由壓縮機(jī)出口向進(jìn)口倒灌，一直到管網(wǎng)中的壓力降至低于壓縮機(jī)出口壓力為止。當(dāng)?shù)沽魍Ｖ?，氣流在葉片的作用下正向流動(dòng)，壓縮機(jī)又開始向管網(wǎng)供氣，經(jīng)過壓縮機(jī)的流量增大，壓縮機(jī)恢復(fù)正常工作。但當(dāng)管網(wǎng)中的壓力不斷回升，恢復(fù)到原來水平時(shí)，壓縮機(jī)正常排氣又受到阻礙，流量又下降，系統(tǒng)中的氣體又產(chǎn)生倒流。如此循環(huán)，在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)生了周期性的軸向低頻大振幅的氣流振蕩現(xiàn)象，稱之為“喘振”。

3.2 喘振形成的原因

壓縮機(jī)喘振是指當(dāng)壓縮機(jī)流量減少到一定時(shí)出現(xiàn)的一種不穩(wěn)定工作狀況，即壓縮機(jī)的氣體流量和排氣壓力周期性地低頻、大幅波動(dòng)，引起機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)的現(xiàn)象。壓縮機(jī)喘振的原因歸結(jié)為兩方面：①壓縮機(jī)流量減少造成的葉柵氣流的旋轉(zhuǎn)失速和擴(kuò)展出現(xiàn)的喘振；②壓縮機(jī)與管網(wǎng)工作不協(xié)調(diào)，表現(xiàn)為壓縮機(jī)流量不高于喘振流量和壓縮機(jī)排氣壓力低于管網(wǎng)氣體壓力[5-6]。

喘振的發(fā)生首先是由于變工況時(shí)壓縮機(jī)葉柵中的氣動(dòng)參數(shù)和幾何參數(shù)不協(xié)調(diào)，形成旋轉(zhuǎn)脫離，造成嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)失速；但并不是旋轉(zhuǎn)失速都一定會(huì)導(dǎo)致喘振的發(fā)生，喘振還與管網(wǎng)系統(tǒng)有關(guān)。喘振發(fā)生有內(nèi)、外兩方面的因素：從內(nèi)部來說，由于離心式壓縮機(jī)在一定條件下流動(dòng)情況大大惡化，出現(xiàn)了強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)失速；從外部來說，與管網(wǎng)的容量及管網(wǎng)特性線有關(guān)。外部的影響因素很多，如存在：①系統(tǒng)壓力高，工藝系統(tǒng)憋壓等；②壓縮機(jī)進(jìn)口吸入流量低，入口過濾器阻塞，入口工藝氣減少或切斷；③機(jī)械部件損壞或脫落，機(jī)械密封、平衡盤密封、O形環(huán)等部件安裝不全，安裝位置不準(zhǔn)確或者脫落，形成級(jí)間竄氣、部件脫落堵塞葉輪、止逆閥失效或破損等；④操作失誤，未遵循“升壓先升速，降速先降壓”的原則，升壓過快或失速，防喘振調(diào)節(jié)不當(dāng)；⑤工況改變，壓縮機(jī)進(jìn)入喘振區(qū)，蒸汽管網(wǎng)波動(dòng)、工藝氣參數(shù)變化等，未能及時(shí)調(diào)節(jié)；⑥工藝介質(zhì)組分等介質(zhì)狀態(tài)變化造成喘振。

3.3 喘振的特征和危害

喘振的特征有：①壓縮機(jī)工作極不穩(wěn)定，工藝氣體參數(shù)出現(xiàn)周期性的大幅波動(dòng)；②有強(qiáng)烈的周期性氣流噪音，出現(xiàn)氣流吼叫聲；③極其強(qiáng)烈的振動(dòng)，機(jī)體、軸承等的振幅急劇增加。

管網(wǎng)容量越大，喘振頻率越低，喘振能力越大，危害性越大。喘振的危害有：①可能損壞壓縮機(jī)零部件，如密封、O形環(huán)等，甚至引起動(dòng)靜零部件碰撞，對(duì)止推軸承產(chǎn)生沖擊力，破壞軸承油膜穩(wěn)定及軸端密封，造成軸端氣體泄漏等；②可能影響機(jī)器安裝質(zhì)量，破壞各部分調(diào)整好的間隙值，甚至引起軸的變形，并造成機(jī)器在以后的運(yùn)行中振動(dòng)加?。虎劭赡苁挂恍﹥x表失靈或準(zhǔn)確度降低；④可能造成工藝管路部件(如管道過濾器)損壞。

4 事故原因分析

結(jié)合壓縮機(jī)喘振時(shí)工藝參數(shù)的變化查找機(jī)組喘振的原因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是因?yàn)閴嚎s機(jī)入口分離器09S001出現(xiàn)堵塞，之前曾打開檢查過該分離器，未發(fā)現(xiàn)問題；分析堵塞的原因，可能是09S001出口除沫網(wǎng)有結(jié)晶物從而造成流道堵塞。之后利用停車機(jī)會(huì)，對(duì)機(jī)組入口氨冷器05E004、05E008進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)05E004、05E008均發(fā)生泄漏，在05E004、05E008入口管線及封頭處發(fā)現(xiàn)大量的白色結(jié)晶物，經(jīng)分析確認(rèn)為富含二氧化碳的工藝循環(huán)甲醇進(jìn)入冷凍系統(tǒng)，減壓后析出的二氧化碳與氨發(fā)生反應(yīng)，生成了碳酸氫銨結(jié)晶物。

5 事故防范及措施

5.1 機(jī)組停機(jī)后對(duì)09S001堵塞的處理

(1) 用高溫鍋爐給水通過09S001底部導(dǎo)淋向內(nèi)部充水溶解結(jié)晶物，拆除頂部安全閥排氣，關(guān)閉壓縮機(jī)入口大閥，防止熱氣體進(jìn)入壓縮機(jī)。

(2) 當(dāng)頂部排出水后，關(guān)閉充水閥，靜候2 h，使結(jié)晶物充分溶解，排水后用工廠空氣吹除干凈，分離器管線復(fù)原。

(3) 機(jī)組恢復(fù)開車，機(jī)組啟動(dòng)升速過程中，注意對(duì)分離器底部排放。正常運(yùn)行中檢測(cè)氨冷凍回路單元，所有換熱器應(yīng)做好記錄。

5.2 預(yù)防喘振的措施

(1) 機(jī)組正?？刂埔ＷC壓縮機(jī)流量大于其喘振流量，檢查入口管線管路不受阻，升降負(fù)荷應(yīng)遵循“升壓先升速，降速先降壓”的原則。

(2) 工藝上要控制好入口氣體組分和參數(shù)，防止出現(xiàn)組分含量下降、壓力下降或溫度上升過快等現(xiàn)象，工藝系統(tǒng)壓力要保持穩(wěn)定，防止出現(xiàn)超壓、憋壓。

(3) 機(jī)組啟動(dòng)過程中，要注意調(diào)整各段的流量，避免出現(xiàn)高壓段阻塞、低壓段超壓等現(xiàn)象。

6 結(jié)語

通過對(duì)氨壓縮機(jī)喘振進(jìn)行分析，找出了機(jī)組喘振的原因，結(jié)合入口分離器堵塞的現(xiàn)象進(jìn)行查找，最終找到了引起堵塞的根源，徹底解決了喘振的問題。引起壓縮機(jī)喘振的原因很多，結(jié)合機(jī)組喘振發(fā)生時(shí)的具體工藝參數(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合機(jī)組喘振的特性采取了防止喘振的措施，為今后處理機(jī)組喘振打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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