離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)和判定方法

陳云偉 葛婧 柳鵬 江文佳

【摘 要】壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)嚴(yán)重影響到機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行，防止離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的根本在于系統(tǒng)設(shè)計(jì)與機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的匹配，即反向推動(dòng)力、系統(tǒng)平衡時(shí)間和惰走時(shí)間的匹配，研究如何確保機(jī)組停車時(shí)轉(zhuǎn)子不發(fā)生反轉(zhuǎn)的課題意義重大。

【關(guān)鍵詞】離心壓縮機(jī)；故障診斷；小波分析

一、概述

裂解氣壓縮機(jī)、丙烯壓縮機(jī)、乙烯壓縮機(jī)（簡(jiǎn)稱“乙烯3機(jī)”）是乙烯裝置中最關(guān)鍵的3種離心壓縮機(jī)組。壓縮機(jī)一旦出現(xiàn)問題，不僅乙烯裝置停產(chǎn)，以乙烯為原料的下游裝置也都將停產(chǎn)，損失巨大。由于沒有備用機(jī)，機(jī)組又必須滿足安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)的條件，對(duì)機(jī)組的要求非常高。在新建或改擴(kuò)建乙烯裝置中，離心式壓縮機(jī)軸端密封普遍采用干氣密封。與單向旋轉(zhuǎn)式干氣密封相比，雙向旋轉(zhuǎn)干氣密封端面產(chǎn)生的氣膜剛度較小、抗干擾能力稍差，所以目前大部分機(jī)組的干氣密封均為單向旋轉(zhuǎn)式。單向旋轉(zhuǎn)式干氣密封在運(yùn)行中嚴(yán)禁反轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生，以避免氣膜建立失敗、端面會(huì)越轉(zhuǎn)越緊，從而使密封損壞。

二、轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)分析

1、對(duì)密封的影響。壓縮機(jī)若裝配了浮環(huán)式軸封，如果轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，只要保證正常的油氣壓差，軸封一般不會(huì)發(fā)生泄漏事故。若裝配干氣密封，對(duì)于單向旋轉(zhuǎn)式密封，密封環(huán)如下圖所示，只有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)密封槽才能形成密封動(dòng)壓，一旦反轉(zhuǎn)，密封極易泄漏。因此，操作技術(shù)規(guī)程明確規(guī)定“禁止反轉(zhuǎn)”，而對(duì)于雙向旋轉(zhuǎn)式密封，密封環(huán)如下圖所示，由于密封槽為對(duì)稱形式，轉(zhuǎn)向?qū)?dòng)壓的形成沒有影響。由于同尺寸的端面，單向旋轉(zhuǎn)式密封正常運(yùn)行的密封效果好于雙向旋轉(zhuǎn)式，目前大部分機(jī)組安裝了單向旋轉(zhuǎn)式干氣密封。

2、對(duì)軸承的影響。大型壓縮機(jī)均配置可傾瓦軸承。對(duì)于單向旋轉(zhuǎn)型，為了獲得最大承載能力Lp/L，Lp是進(jìn)油端到支點(diǎn)的瓦塊弧長(zhǎng)，L為全瓦塊弧長(zhǎng)（一般取0.58～0.7），一旦反轉(zhuǎn)可能引起軸承故障。對(duì)于雙向旋轉(zhuǎn)型，Lp/L為0.5，反轉(zhuǎn)不會(huì)對(duì)其壽命產(chǎn)生影響。目前，大部分機(jī)組安裝的是單向旋轉(zhuǎn)式滑動(dòng)軸承。

3、產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)明顯增加，一次緊急停機(jī)3次過臨界轉(zhuǎn)速，易造成滑動(dòng)軸承和迷宮密封磨損。下圖是一臺(tái)1995年投產(chǎn)某乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)（有在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），2008年5月緊急停機(jī)時(shí)的振動(dòng)情況，當(dāng)轉(zhuǎn)速2400r/min時(shí)，振動(dòng)明顯增加（正常運(yùn)行V2001X為14.8μm，V2001Y為16.4μm），3次高峰的間隔分別是7s，12s。綜上分析，緊急停機(jī)過程中轉(zhuǎn)子短時(shí)反轉(zhuǎn)，對(duì)軸承和迷宮密封損傷有限，本壓縮機(jī)組兩年內(nèi)發(fā)生6次緊急停機(jī)均未導(dǎo)致其直接損壞。緊急停機(jī)時(shí)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)對(duì)機(jī)組影響最大的是軸封。本壓縮機(jī)裝配了浮環(huán)式軸封，6次緊急停機(jī)均未發(fā)生泄漏事故，而2009年投產(chǎn)的另4臺(tái)類似的壓縮機(jī)裝配了單向旋轉(zhuǎn)的干氣密封，緊急停機(jī)時(shí)均發(fā)生不同程度損壞，輕者密封環(huán)磨損，重者密封環(huán)破裂。

三、反轉(zhuǎn)原因分析

離心式壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)的機(jī)理是當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)不輸出功時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子開始降速，此時(shí)由于防喘振閥的開啟，高壓側(cè)氣體通過防喘振線也向低壓側(cè)流動(dòng)。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在反向氣流的作用下迅速下降為零，如果此時(shí)段間壓差仍沒有平衡，管路中尚存大量的高壓氣體，這些高壓氣體便會(huì)倒流使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生反轉(zhuǎn)。通常，為防止離心式壓縮機(jī)發(fā)生喘振，要從壓縮機(jī)排氣口引出部分氣體返到壓縮機(jī)吸入口，以使壓縮機(jī)運(yùn)行點(diǎn)流量值高于最小喘振量。三缸五段式壓縮機(jī)組有兩條防喘振管線：一條是由三段出口返回一段入口的“三返一”線，另一條是五段出口返回四段入口的“五返四”線。系統(tǒng)采用流量和壓力來作為控制防喘振閥開閉的參數(shù)，保持入口流量高于喘振發(fā)生的臨界值。一方面，當(dāng)壓縮機(jī)開?；蜇?fù)荷大幅度改變而出現(xiàn)喘振，防喘振系統(tǒng)自動(dòng)控制一部分排氣返回至吸氣管；另一方面，當(dāng)機(jī)組跳車時(shí)，系統(tǒng)電磁閥將會(huì)中斷去防喘振閥的控制氣體，使防喘振閥完全打開，這為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子在停機(jī)時(shí)發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)創(chuàng)造了必要條件。因此，系統(tǒng)防喘振閥和防喘振流量的設(shè)置與機(jī)組緊急停車后轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的關(guān)系重大。在現(xiàn)有乙烯裝置的設(shè)計(jì)中，防喘振閥的選擇通常以最大轉(zhuǎn)速下的喘振流量作為計(jì)算防喘振控制閥門系數(shù)的基準(zhǔn)，取基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)CV值的2倍作為選擇閥門的依據(jù)，同時(shí)保證閥門正常工作時(shí)的流量要保持閥門開度在50%～70%范圍內(nèi)，而對(duì)防止機(jī)組停車轉(zhuǎn)子可能發(fā)生反轉(zhuǎn)的可能并沒有考慮。

四、預(yù)防反轉(zhuǎn)措施

在壓縮機(jī)各段出口管路上安裝逆止閥，安裝位置應(yīng)盡量靠近出口法蘭處，使這段管路中的氣體容量減到最小，以防止機(jī)組緊急停車時(shí)儲(chǔ)存的氣體不致造成反轉(zhuǎn)。根據(jù)各機(jī)組的實(shí)際情況安設(shè)放空閥、排氣閥或再循環(huán)管線，在停機(jī)時(shí)可及時(shí)打開這些閥門將壓縮機(jī)出口的高壓氣體排空，以減少反轉(zhuǎn)機(jī)會(huì)。壓縮機(jī)末段出口增設(shè)火炬閥、增加聯(lián)鎖打開功能，防止壓縮機(jī)段間壓差不平衡而出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，但該措施存在聯(lián)鎖誤報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)防喘振管線調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)校，檢查現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際閥位與中控開度是否一致，防止閥位偏差導(dǎo)致返回線流量不足而造成壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)事故。選擇合理的防喘振管線管徑尺寸。防喘振管線管徑較細(xì)時(shí)，一方面導(dǎo)致回流氣體壓力平衡時(shí)間過長(zhǎng)易引起反轉(zhuǎn)，但另一方面管徑細(xì)、反應(yīng)時(shí)間快，在正常生產(chǎn)時(shí)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。因此需重新核算機(jī)組防喘振管線的平衡能力，對(duì)防喘振系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇合適的管道尺寸和控制閥門。采用碳石墨與碳化鎢或碳化硅組合的干氣密封，以減小反轉(zhuǎn)對(duì)密封造成的損害。

五、反轉(zhuǎn)案例

某石化企業(yè)丙烯壓縮機(jī)采用抽凝式透平、單缸四段壓縮，軸端采用約翰·克蘭串聯(lián)式干氣密封。開工準(zhǔn)備階段該機(jī)組聯(lián)鎖停車過程中多次發(fā)生反轉(zhuǎn)事件，機(jī)組緊急停機(jī)最短時(shí)間僅為25s。圖1為該機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的某次反轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)的轉(zhuǎn)速/時(shí)間曲線，停車開始時(shí)（A點(diǎn)）機(jī)組各軸承處轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)的軸心軌跡正常。圖2為BC段選取轉(zhuǎn)速為364r/min時(shí)各軸承處轉(zhuǎn)子基頻振動(dòng)的軸心軌跡圖，各軸心軌跡均出現(xiàn)反進(jìn)動(dòng)，說明該機(jī)組在停車過程轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。

為了防止壓縮機(jī)組由于吸入量不足而發(fā)生喘振，在機(jī)組的4段排出設(shè)置了去各段間罐的防喘振線，同時(shí)防喘振閥在聯(lián)鎖時(shí)快速開啟。聯(lián)鎖停車后出現(xiàn)多次反轉(zhuǎn)情況，說明該機(jī)組聯(lián)鎖停車后防喘閥在2s內(nèi)全開不能滿足機(jī)組要求，機(jī)組內(nèi)部還存在較大的反向阻力。為了防止機(jī)組緊急停車反轉(zhuǎn)事件的再次發(fā)生，車間修改了該機(jī)組的停車邏輯，將邏輯加上停車后出口放火炬閥自動(dòng)打開，并分別在原防喘振線上并聯(lián)增設(shè)一條管線及控制碟閥，機(jī)組緊急停車時(shí)新增管線閥門與原防喘線上閥門同時(shí)快速開啟，保證機(jī)組出口、入口壓力盡快平衡，大大降低了壓縮機(jī)反轉(zhuǎn)的可能性，保證設(shè)備不受損害。機(jī)組運(yùn)行至今僅發(fā)生一次非計(jì)劃停車事件，機(jī)組轉(zhuǎn)子未發(fā)生反轉(zhuǎn)事故，說明以上整改措施起到良好的效果。

結(jié)束語

綜上所述，建議將壓縮機(jī)與生產(chǎn)裝置作為整體進(jìn)行研究分析，無論是增加出口側(cè)的泄流措施還是選用抗干擾能力強(qiáng)的設(shè)備，既要考慮到正常運(yùn)行時(shí)安全和效率，更要重視緊急停機(jī)時(shí)的設(shè)備安全。轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的判定：首先看驅(qū)動(dòng)單元的轉(zhuǎn)子的軸心軌跡，是否與正常運(yùn)行的軌跡相反；其次看轉(zhuǎn)子的惰走曲線，是否過零點(diǎn)及后程曲線記為負(fù)值后整體曲線是否為連續(xù)光滑過渡的曲線。若這些均成立，即判定為轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

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