混合干氣壓縮機(jī)進(jìn)液對機(jī)組運(yùn)行的影響分析

魯悅 劉云龍 佟永龍(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

1 混合干氣壓縮機(jī)進(jìn)液現(xiàn)象介紹與影響

混合干氣壓縮機(jī)的介質(zhì)在進(jìn)入缸體前，會進(jìn)入緩沖罐內(nèi)混合與緩沖。壓縮機(jī)分成兩段壓縮，段間設(shè)置冷卻器與分離器，分離器對介質(zhì)中的液體進(jìn)行過濾，保證正常運(yùn)行時各段入口不會帶液。當(dāng)壓縮機(jī)上游介質(zhì)進(jìn)入大量的液體，這些液體會隨著一起進(jìn)入缸體，由于入口溫度與壓力相對較低，大量液體無法汽化，這些液體將對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子葉輪造成嚴(yán)重沖擊，振動瞬間增大，最終聯(lián)鎖停車。

查看壓縮機(jī)流道結(jié)構(gòu)可知，液體進(jìn)入壓縮機(jī)后將一同進(jìn)入一段進(jìn)氣流道內(nèi)如圖1；在液體慢慢聚集成大液滴后隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，撞擊葉輪產(chǎn)生較大的軸向沖擊力；轉(zhuǎn)子受到?jīng)_擊后平衡被破壞，振動及軸向位移增大，推力盤與推力軸承嚴(yán)重磨損如圖2。

圖1 一段進(jìn)氣流道

圖2 進(jìn)液造成推力軸承磨損

2 進(jìn)液導(dǎo)致混合干氣壓縮機(jī)聯(lián)鎖停車的特征分析與原因判斷

2.1 進(jìn)液后的壓縮機(jī)表現(xiàn)特征分析

壓縮機(jī)進(jìn)液[1]所產(chǎn)生的軸向沖擊力，會使壓縮機(jī)的位移值增大，軸向力變化方向指向主推力瓦，振動會突跳至聯(lián)鎖值，機(jī)組在幾秒內(nèi)聯(lián)鎖停車。壓縮機(jī)由汽輪機(jī)拖動，汽輪機(jī)的軸位移與振動也會增大，表現(xiàn)與壓縮機(jī)相同。壓縮機(jī)停車時推力軸承將會磨損[2]，其振動頻譜表現(xiàn)為0.5倍的工頻[3]，軸位移探頭間隙電壓同步發(fā)生較大變化。如果壓縮機(jī)進(jìn)行拆檢，可以發(fā)現(xiàn)，徑向方向并未主要受力，徑向支撐軸承比軸向推力軸承磨損程度輕。

2.2 混合干氣壓縮機(jī)進(jìn)液的原因判斷

通過對混合干氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、布置特點(diǎn)及測點(diǎn)變化進(jìn)行列舉與分析，也可以在壓縮機(jī)產(chǎn)生進(jìn)液特征后更進(jìn)一步判斷。

2.2.1 從混合干氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)分析

壓縮機(jī)介質(zhì)中的乙烷、丙烷等都是小分子量的有機(jī)物，一般狀態(tài)下為氣態(tài)，在高壓低溫情況下會液化。通過物性[4]程序?qū)嚎s機(jī)介質(zhì)在壓縮過程中是否會產(chǎn)生凝液進(jìn)行計(jì)算發(fā)現(xiàn)，混合干氣介質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)后，是從低溫低壓向高溫高壓變化，溫變幅度大于壓變幅度，如圖3所示。

圖3 混合干氣壓縮機(jī)一段各級進(jìn)氣壓力與溫度變化曲線

變化過程中無法產(chǎn)生液體。混合干氣壓縮機(jī)分為兩段壓縮，一段入口溫度約7℃，出口溫度約104℃；二段入口溫度約40℃，出口溫度約100℃，壓縮機(jī)各段并無極低溫度點(diǎn)，不具備產(chǎn)生凝液的條件。由于介質(zhì)中含水十分微少，壓縮機(jī)運(yùn)行過程中也不會產(chǎn)生凝液，那么進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)的液體不是內(nèi)部產(chǎn)生，而是由外部帶入。

2.2.2 從混合干氣壓縮機(jī)級間設(shè)備布置特點(diǎn)分析

對于兩段壓縮的混合干氣壓縮機(jī)，段間設(shè)置冷卻器與分離器[5]。分離器布置在一段出口后，如果壓縮機(jī)進(jìn)液導(dǎo)致停機(jī)，這些液體會隨著氣體經(jīng)過壓縮機(jī)一段的葉輪流道，進(jìn)入一段出口后的分離器內(nèi)。而分離器有液位報(bào)警，在大量過濾液體后，分離器的液位上升至報(bào)警，排液閥將自動打開進(jìn)行排液。通過查看分離器的液位控制變化趨勢，可以判斷排液閥開啟的時間長短，并通過分離器容積大小估算進(jìn)入壓縮機(jī)的液體量。

由于正常工況與進(jìn)液工況的氣體介質(zhì)成分不同，在混合干氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行過程中分離器排液閥排出的液體成分，與在壓縮機(jī)進(jìn)液后排出的液體成分并不一樣。通過液體取樣化驗(yàn)的方式，對比液體成分的變化，也可以判斷是否進(jìn)液。

2.2.3 查看混合干氣壓縮機(jī)測點(diǎn)變化趨勢

混合干氣壓縮機(jī)帶液對葉輪造成的軸向沖擊是突發(fā)性的，壓縮機(jī)的振動測點(diǎn)、軸位移測點(diǎn)、間隙電壓的變化趨勢為：平穩(wěn)運(yùn)行中突然上升至較高數(shù)值，變化時間比較短。這是由于突發(fā)軸向沖擊對壓縮機(jī)軸向力的平衡產(chǎn)生破壞，轉(zhuǎn)子推力盤與軸承發(fā)生嚴(yán)重摩擦后，位置移動，測點(diǎn)數(shù)值發(fā)生瞬時突變。變化過程中，軸向力是壓縮機(jī)的低壓側(cè)指向高壓側(cè)，轉(zhuǎn)子與軸位移測點(diǎn)間距離變小，軸位移間隙電壓變化明顯，在停車前后呈現(xiàn)上下波動。

2.2.4 混合干氣壓縮機(jī)入口緩沖罐容積對介質(zhì)混合與液體沉降的影響

混合干氣壓縮機(jī)入口設(shè)置有緩沖罐，緩沖罐內(nèi)的氣體分別由三種不同的進(jìn)料管線通入后，在罐內(nèi)混合。由于這三種氣體的壓力偏差較大，組分變換也比較大，如果緩沖罐的容積較小凝液沉降時間短，那么進(jìn)入壓縮機(jī)入口處的氣體將有可能帶有液體。同時，由于氣體無法混合均勻，這種情況下的氣體組份將會與原設(shè)計(jì)工況存在偏離，對壓縮機(jī)的性能產(chǎn)生一定的影響。壓縮機(jī)的各段入口管線處有U形彎，這種管線布置情況會導(dǎo)致介質(zhì)中未能沉降的液體慢慢聚集，當(dāng)液體聚集成大液體時，會隨著壓縮機(jī)介質(zhì)被吸入而一同進(jìn)入。

3 混合干氣壓縮機(jī)進(jìn)液導(dǎo)致壓縮機(jī)多次停車的案例剖析

某混合干氣壓縮機(jī)，自運(yùn)行以來發(fā)生了多次突然性的振動增大，聯(lián)鎖停車的情況，在停車后再次運(yùn)行，壓縮機(jī)參數(shù)又可以恢復(fù)正常。整理每一次停車時的振動頻譜數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，振動頻率在0.53倍工頻到0.59倍工頻。軸位移值與振動值同一時間增大，間隙電壓也隨著變化，轉(zhuǎn)子由于軸向受力引發(fā)上述變化比較明顯。壓縮機(jī)組級間分離器液位在發(fā)生聯(lián)鎖停車的5至10分鐘后，都會有液位上漲情況。排液閥逐漸開啟至100%進(jìn)行排液。每次排液閥開啟時間較長，需要經(jīng)過3至3.5個小時排液后，排液閥才慢慢關(guān)閉。通過液位上漲與排液時長看，壓縮機(jī)進(jìn)液情況嚴(yán)重，進(jìn)入液體較多，轉(zhuǎn)子受到的瞬間軸向力很大，最終導(dǎo)致了機(jī)組停車。機(jī)組停車后拆件推力軸承，發(fā)現(xiàn)瓦塊合金層已經(jīng)磨掉無法使用。

壓縮機(jī)突發(fā)振動的因素較多，比如氣體激振及壓縮機(jī)喘振。通過壓縮機(jī)發(fā)生振動大時的頻率及重新開車后又能正常運(yùn)行這一情況，我們可以得知壓縮機(jī)的振動并不是激振引起，激振引發(fā)機(jī)組振動與壓力、轉(zhuǎn)速的變化具有同步性，并不是突發(fā)性。同時也可以排除壓縮機(jī)發(fā)生喘振，喘振過程中壓縮機(jī)的振動變化呈現(xiàn)周期性上下波動，同時振動頻率在0.56以下。

4 混合干氣壓縮機(jī)進(jìn)液現(xiàn)象的預(yù)防

通過分析，可以得知混合干氣壓縮機(jī)進(jìn)液主要是外部介質(zhì)攜帶液體或者液體聚集在U形彎處造成，壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中處于高壓高溫的條件，不會有凝液產(chǎn)生。因此在工藝裝置上設(shè)置分離器、分子篩、帶視鏡的脫液包等，對進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)部的介質(zhì)氣進(jìn)行氣液分離，是比較有效的預(yù)防方式。在工藝裝置上，可以對混合干氣入口處進(jìn)行預(yù)先降溫冷凝。分離設(shè)備的設(shè)置方式、放置位置及分離效率，需要考慮到壓損、容積大小等參數(shù)要與壓縮機(jī)匹配，同時也要考慮增加分離設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本與維修成本。

對于發(fā)生了進(jìn)液現(xiàn)象的混合干氣壓縮機(jī)組，需要及時對壓縮機(jī)的推力軸承、推力盤進(jìn)行檢修，更換損壞的瓦塊，避免損壞瓦塊影響壓縮機(jī)軸向推力的平衡，避免壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子定子件發(fā)生二次磨損。由于壓縮機(jī)的密封在振動過程中可能發(fā)生密封尖牙的磨損，這將導(dǎo)致級間的密封間隙增大，泄露量增大。所以在發(fā)生進(jìn)液情況后，需要縮短密封的更換周期，避免密封的長時間使用，及時更換。

5 結(jié)語

混合干氣壓縮機(jī)進(jìn)液導(dǎo)致停車，對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的軸向沖擊力，對于推力軸承、推力盤、密封等部件都造成不停程度的損傷。分析這種現(xiàn)象的特征時可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子受到軸向沖擊后，振動值與軸位移值都會增大，振動頻率多為0.5倍工頻。這些特征都說明了壓縮機(jī)軸向力遭到外力破壞，轉(zhuǎn)子與定子件發(fā)生摩擦。目前，壓縮機(jī)進(jìn)液具有突發(fā)性，在機(jī)組的正常運(yùn)行中很難及時監(jiān)測到，還只能通過設(shè)置分離器、分子篩等分離設(shè)備進(jìn)行預(yù)防。通過此次詳細(xì)的剖析混合干氣壓縮機(jī)進(jìn)液停車，可以進(jìn)一步了解引發(fā)原因，進(jìn)行預(yù)防。