丙烯壓縮機組停車過程反轉(zhuǎn)解決方案探析

劉亞鵬(內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰旗煤制天然氣有限公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

0 引言

丙烯壓縮機是一項重要的設備以及特有的優(yōu)勢，對相關領域的應用有著積極的意義和深遠的影響。但是，從當前的實際現(xiàn)狀來看，丙烯壓縮機組在實際應用的過程中，仍然面臨著諸多的問題尚未得到有效的解決，對此，相關領域必須予以充分的重視?；诖?，相關領域必須進一步加大對于該領域的研究力度，從提高技術工藝、優(yōu)化應用流程，完善基礎設備三方面著手進行，旨在全方位、多層次、多角度的發(fā)現(xiàn)問題分析問題和解決問題，切實地將丙烯壓縮機反轉(zhuǎn)問題得到有效的解決，從而達到降低丙烯消耗率的目的，進而科學有效的提高經(jīng)濟效益和社會效益，提高核心競爭力，更好地適應現(xiàn)代化發(fā)展的實際需要。

1 工藝流程簡介

自低溫甲醇洗-40 ℃級蒸發(fā)器送來的氣態(tài)丙烯，壓力0.02 MPaG，流量183 007 kg/h，進入丙烯分離器Ⅰ(F001)，分離液體后的氣體進入壓縮機進行壓縮，從低溫甲醇洗0 ℃級蒸發(fā)器送來的氣態(tài)丙烯，進入丙烯分離器Ⅱ(F002)，壓力0.45 MPaG，流量80 443 kg/h， 分離液體后從補氣口進入壓縮機，與壓縮機一段進氣壓縮后的氣體混合后繼續(xù)壓縮到1.8 MPaG，99.3 ℃，壓縮后的氣態(tài)丙烯經(jīng)出口并聯(lián)的冷凝器，用循環(huán)水冷凝冷卻降溫至40 ℃進入丙烯貯槽。丙烯貯槽中液態(tài)丙烯經(jīng)過丙烯冷卻器再次降溫后送往低溫甲醇洗丙烯蒸發(fā)器。當機組在非滿負荷情況下運行時，壓縮機出口閥前有部分高溫高壓氣體經(jīng)過防喘閥FV011(一段防喘閥)、FV012(二段防喘閥)分別引回到丙烯分離器Ⅰ (F001)和丙烯分離器Ⅱ(F002)內(nèi)，作為防喘振回流補充氣體，用以維持機組穩(wěn)定運行[1]。

2 現(xiàn)象分析

2020年7月19日丙烯壓縮A單元停車，因停車過程中卸載閥CH001沒有及時關閉，導致大量丙烯反串，使反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達到1 700 r/min，以下是停車曲線 (CP121：一段入口壓力；CP123：二段入口壓力；CP125：壓縮機出口壓力；CF121：一段入口流量；CP123：二段入口流量；SE082/083：機組轉(zhuǎn)速)。

通過原因分析判定為機組停車后，部分出口氣體和二段入口氣體通過壓縮機缸體內(nèi)向一段均壓，在缸體內(nèi)氣體膨脹做功，驅(qū)使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。2020年10月25日A單元停車時將F01和F02回氣閥關閉后，再次拍停機組，得到正常惰走曲線。

雖然此次停車轉(zhuǎn)子正常惰走，但分析一二段入口流量，拍停機組后，一段入口流量迅速降為0，幾秒后再次出現(xiàn)流量；二段入口流量在機組拍停后流量大幅上漲，可見即便將一二段回氣閥門關閉，在壓縮機缸體內(nèi)仍會有氣體向一段均壓。

2020年11月25日A單元停車時將二段回氣閥門關閉，拍停壓縮機，但并沒有解決停車反轉(zhuǎn)問題，在停車后同樣出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

雖然關閉了二段回氣閥，但卻沒有改變停車轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可見解決停車反轉(zhuǎn)的有效的措施之一是關閉一段回氣閥。

2021年7月4日丙烯 A單元停車將一段回氣閥門關閉，拍停壓縮機，得到正常惰走曲線，因沒有復制ITCC數(shù)據(jù)，A單元ITCC停車照片(黃色曲線為轉(zhuǎn)速曲線如圖1所示)。

圖1 A單元ITCC停車照片

2021年7月26日機組沖轉(zhuǎn)過程中出口壓力達到2 000 kPa，無法進行繼續(xù)沖轉(zhuǎn)，被迫停車。停車時將一二段防喘閥全開，用驗證在防喘閥全開的情況下是否還會出現(xiàn)倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

2021年7月26日停車前因為系統(tǒng)內(nèi)不凝汽聚集太多，出口壓力太大，出口和入口壓差在1 000 kPa以上，壓縮機運行工況惡劣。雖然在停車前將一二段防喘閥全開，但并沒有減少出口和入口的壓差，停車時仍然出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

機組反轉(zhuǎn)可能會導致轉(zhuǎn)子變形、干氣密封燒毀等設備事故。

3 原因分析

造成反轉(zhuǎn)的原因是機組停車時入口和出口存在壓力差，當機組失去驅(qū)動力后，壓縮機出口和二段入口的高壓氣體會向一段均壓，氣體在壓縮機缸體內(nèi)膨脹做功，驅(qū)動壓縮機反轉(zhuǎn)。

停車時，CH001緊急停車卸載閥沒有及時關閉，壓縮機出口氣體反竄至一段入口，導致轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，因壓縮機出口設有止回閥，不排除止回閥故障的可能性或止回閥位置設計不合理。

機組拍停前沒有將一二段防喘閥全開。ITCC中設計的正常停車過程需要按一定的速率將機組轉(zhuǎn)速降低至600 r/min，并穩(wěn)定運行一段時間后才可以停車，但是丙烯壓縮機組在實際運行中發(fā)現(xiàn)，機組轉(zhuǎn)速很難降低至3 910 r/min。

橫坐標Hc%的計算方法如下：

(1)流量補償

流量補償值由式(1)計算決定

式中：MFLOW為壓縮機補償流量；MFLOWmax為最大質(zhì)量流量；h為文丘里管流量0～100%(壓縮機入口流量)；Pfo為壓縮機入口壓力(MPaG)；Pfob為限流板設計壓力條件(MPaA)；Tfo為壓縮機入口溫度(℃)；Tfob為限流板設計溫度條件(℃)。

(2)操作點

操作點位置通過下式計：

式中：MFLOW為壓縮機補償流量；MFLOWmax為最大質(zhì)量流量；Hc為喘振控制器測量點(操作點位置)；Ps為壓縮機入口壓力(MPaG)；Psb為壓縮機基準壓力條件(MPaA)；Ts為壓縮機入口溫度(℃)；Tsb為壓縮機基準溫度條件(℃)。

(3)縱坐標

壓縮機壓比課通過下式計算：

式中：PRAT為壓縮機壓比；Ps為壓縮機入口壓力(MPaG)；Pd為壓縮機出口壓力(MPaG)。

壓縮機在低轉(zhuǎn)速運行時入口沒有足夠吸力，需要開大防喘閥來補充流量，一段入口流量上限為255 000 kg/h，當防喘閥足夠大時，實際流量就會超過這個數(shù)值，但ITCC中一段入口流量最大的就是255 000 kg/h，導致壓縮機在降速過程中ITCC畫面中出現(xiàn)喘振，所以通常認為機組轉(zhuǎn)速在4 200～4 400 r/min，一二段防喘閥門開度50%以上，機組具備停車條件，可進行拍停操作。因為ITCC的局限性，導致每次停車一二段防喘閥都不是全開[2]。

通過對多次停車曲線的分析，機組拍停后二段入口流量大幅上漲。機組停車時可以通過兩種方式均壓：一種通過防喘均壓；另一種通過壓縮機缸體均壓。壓縮機二段入口管線為DN450，二段防喘管線為DN200，防喘管線小于入口管線管徑，所以氣體通過缸體均壓速度大于防喘均壓速度，以此判斷驅(qū)動轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的主要來源為二段入口。

4 丙烯壓縮機組停車過程反轉(zhuǎn)解決方案探析

4.1 停車時全開一二段防喘閥

參考空分和首站壓縮機，停車前需要將機組轉(zhuǎn)速降低至最小運行轉(zhuǎn)速，并全開防喘閥。丙烯壓縮機組拍停前需將轉(zhuǎn)速降低至3 910 r/min，將一二段防喘閥全開，出口壓力降低至1.3 MPa以下，盡可能降低壓縮機出口和入口的壓差。

為了避免降速過程中ITCC畫面中出現(xiàn)喘振報警，需要將一段入口流量CF121量程擴大(擴大量程可能改變流量的測量方式，需要與設計院進行溝通)，使其能夠正確反映機組在低轉(zhuǎn)速、高防喘閥位情況下的流量。這種方法目前只存在理論上的可能性，實際是否有效還需要進行驗證[3]。

4.2 關閉一段回氣閥門

經(jīng)過實際驗證關閉一段回氣閥可以解決停車反轉(zhuǎn)問題，但因一段回氣閥門為DN1300蝶閥，開關時需要勞動強度大，時間較長，只能在計劃停車時進行，在緊急停車時無法快速關閉，需要將此閥門的執(zhí)行機構(gòu)更改為電動或氣動機構(gòu)。

4.3 使用ITCC中正常停車程序

ITCC中正常停車程序：

啟動升速到暖機升速速率：40 r/min；升速階段升速速率：60 r/min(冷啟)，120 r/min(熱啟)；跨臨界升速速率：8 000 r/min：調(diào)速接管后升速速率：140 r/min；升速到超速試驗的升速速率為：140 r/min。從整體上來看，共有8個運行模式。第一是跳車模式 Turbine Tripped/Shutdown，第二是準備啟機 Ready to Start，第三是暖機#1 ldle Speed #1 (600 r/min)，第四是暖機#2 ldle Speed #2 (1500 r/min)，第五是升速模式 Acceleration，第六是正常運行模式 Run (3 910～4 833 r/min)，第七書超速試驗 Over Speed Test (OS Trip 4 876 r/min)，第八時間正常停車Normal Stop(600 r/min)。

因目前缺少相關技術資料，ITCC無法實現(xiàn)正常停車程序，需要儀控對ITCC系統(tǒng)進行完善[4]。

5 停車程序及步驟

5.1 停車操作步驟

接到停機通知后，在降低負荷的同時進行緩慢降速，避免壓縮機喘振。關閉丙烯蒸發(fā)器自調(diào)閥CL002、CL004、CL041、CL010、CL014，使壓縮機與低溫甲醇洗丙烯蒸發(fā)器系統(tǒng)切斷，轉(zhuǎn)入自身循環(huán)使系統(tǒng)內(nèi)大部分的液態(tài)丙烯存留在儲罐B001AB內(nèi)。

F001、F002將液位控制為0%。

關閉壓縮機一、二段回氣閥。

汽輪機降速，直至機組的最低轉(zhuǎn)速。

壓縮機停車時轉(zhuǎn)速降到3 910 r/min，按輔助操作盤“緊急停車”按鈕。

關閉一、二段激冷調(diào)節(jié)主線和副線閥門。

關閉主蒸汽大閥CH004、CH005，開速關閥前放空。打開汽輪機缸體導淋排液。

當壓縮機轉(zhuǎn)速到0 r/min后，關閉一二級密封氣，隔離氣正常投用。

啟動盤車裝置，為軸瓦降溫。

開熱井集液箱脫鹽水補水閥，汽輪機停車后凝結(jié)水泵、疏水泵運行一段時間，排凈凝液。

空冷島風機停運，關百葉窗，冬季時拉上空冷島棉簾保溫。

關閉B001A/B下液閥、出液閥門及丙烯蒸發(fā)器自調(diào)閥前后截止閥。

關軸封蒸汽閥門，停抽氣器，打開破真空閥。

現(xiàn)場將凝結(jié)水泵、疏水泵就地開關切換至“就地”位置，現(xiàn)場按凝結(jié)水泵、疏水泵“停止”按鈕，停運凝結(jié)水泵、疏水泵。

關閉熱井、集液箱補水閥、凝結(jié)水泵、疏水泵的出口閥、軸承冷卻水的進、出口閥，關閉6512、6520、6513、6521自調(diào)閥的前后截止閥。

停潤滑油系統(tǒng)后軸瓦溫度復溫不超過70 ℃，停運盤車和油系統(tǒng)(約16 h)，10 min后關閉隔離氣針形閥。

現(xiàn)場停運排油煙風機。

5.2 連鎖緊急停車程序及步驟

首先，應關閉一、二段激冷調(diào)節(jié)主線和副線閥門，以及主蒸汽大閥CH004/CH005，開速關閥前放空，并打開汽輪機缸體導淋排液。其次，當壓縮機轉(zhuǎn)速到0 r/min后，關閉一、二級密封氣，隔離氣正常投用。接下來要啟動盤車，開熱井集液箱脫鹽水補水閥，凝結(jié)水泵、疏水泵運行。最后，需要停空冷器風機，關閉B001A/B出液閥、下液閥門及丙烯蒸發(fā)器自調(diào)閥前后截止閥及副線閥。在此過程中，需要特別注意的是冬季空冷島風機在停運過程中，必須保證百葉窗的關閉狀態(tài)，拉上空冷島棉簾防凍，這點是至關重要的，相關領域必須以充分重視。

5.3 停車過程中可能出現(xiàn)異常及事故的處理程序

熱井液位高是停車過程中常見的一個問題，造成該問題的原因主要為[5]：首先，針對熱井液位的參數(shù)設定本身就存在偏高的問題，造成凝結(jié)水泵不打量。其次，造成熱井液位高的原因也與冷凝液量有著密切的關系，因此，必須注重冷凝液的大小，并作出科學合理的把控。與此同時，必須進一步針對冷凝管網(wǎng)問題進行解決，有效地避免由于冷凝液管網(wǎng)壓力高的問題。最后，備用泵出口止逆閥內(nèi)漏以及液位調(diào)節(jié)閥故障或液位變送器指示不準確也會造成熱井液位高的問題。

5.3.1 解決方案或處理措施

(1)降低液位設定值。

(2)檢查泵和電機是否正常；檢查泵進口排氣閥是否打開，泵進口及備用泵有無泄漏；冷凝液泵入口是否漏氣；

(3)減小脫鹽水補水閥開度或機組降負荷；

(4)啟動備用泵，隔離檢修止逆閥；

(5)聯(lián)系調(diào)度確認管網(wǎng)是否暢通；

(6)聯(lián)系儀表檢查處理。

其次，壓縮機停車過程中的異常振動和異常噪音是極其容易引發(fā)機組損壞的誘導因素。

5.3.2 異常原因分析和判斷

(1)機組找正精度被破壞，不對中；

(2)轉(zhuǎn)子不平衡；

(3)轉(zhuǎn)子葉輪摩擦與損壞；

(4)主軸彎曲；

(5)聯(lián)軸器的故障或不平衡；

(6)軸承不正常；

(7)地腳螺栓松動，地基不堅固；

(8)油壓、油溫不正常；

(9)油中有污垢，不清潔，使軸承發(fā)生磨損；

(10)機內(nèi)侵入或附著夾雜物；

(11)壓縮機喘振；

(12)氣體管道對機殼有附加應力；

(13)壓縮機負荷急劇變化。

5.3.3 解決方案或處理措施

第一，相關領域必須進一步加強檢查力度，制定完善的檢查方案，并嚴格落實。在實際的檢查過程中，特別需要針對機組振動情況，軸向振幅大，振動頻率與轉(zhuǎn)速問題予以充分的重視。通常情況下，其振值為2～3倍左右。與此同時，必須卸下聯(lián)軸器，使原動機單獨轉(zhuǎn)動，如果原動機無異常振動，則可能為不對中，應重新找正。第二，必須停車檢查轉(zhuǎn)子是否有污垢或破損，必要時轉(zhuǎn)子重新做動平衡。真對轉(zhuǎn)子葉輪有應進一步加強檢查力度，并做好相應的記錄工作查看其表面是否有摩擦和損壞，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，必要時要根據(jù)具體問題具體分析，進行修復或更換。第三，需要進一步檢查主軸是否彎曲，必要時進行校正直軸。針對檢查聯(lián)軸器問題，在的檢查過程中，必須將聯(lián)軸器進行拆除，綜合的分析其平衡狀況，發(fā)現(xiàn)問題及時修復，以免問題的擴大化。第四，必須檢查軸承徑向間隙，并進行調(diào)整，檢查軸承蓋與軸承瓦背之間的過盈量，如過小則應加大；若軸承合金損壞，則換瓦。第五，要修補地基，緊固地腳螺栓。第六，需要檢查各油系統(tǒng)的油壓、油溫和工作情況，在油溫過低的情況下要加入潤滑油這點是至關重要的。第七，針對油質(zhì)的檢查問題，必須嚴格落實，特別是針對過濾環(huán)節(jié)必須予以充分的重視，進一步加強過濾環(huán)節(jié)，定期換油。第八，檢查壓縮機運行時是否遠離喘振點，防喘裕度是否足夠，按規(guī)定的性能曲線改變運行工況點，加大吸入量檢查防喘振裝置是否正常工作[6]。

6 結(jié)語

解決壓縮機反轉(zhuǎn)的方法就是通過各種措施使機組在盡可能短短時間內(nèi)完成一段入口、二段入口和出口的均壓，從根本上消除誘發(fā)丙烯機組反轉(zhuǎn)的因素和條件保障設備無損使用。