壓縮機喘振放空閥全開原因分析及解決措施

張錫德 阿不都熱合木·托乎提 辜興春

中國石油塔里木石化分公司，新疆 庫爾勒 841000

0 前言

中國石油塔里木石化分公司有年產45×104t合成氨，80×104t尿素項目。該項目合成氨裝置的工藝空氣壓縮機選用德國Atlas Copco公司生產的多軸離心式空氣壓縮機，其驅動設備為杭汽生產的中壓注汽冷凝式汽輪機。該項目于2010年5月投入正常生產，2011年12月28日，在裝置開車的過程中，多軸離心式空氣壓縮機喘振放空閥三次突然全開，使二段爐斷空氣，造成除一段爐及脫碳裝置以外其它所有裝置停車。對此，中國石油塔里木石化分公司成立了調查組，對該事故進行了調查和分析，找出了其影響因素，提出了解決措施。

1 多軸離心式空氣壓縮機簡述

1.1 工藝描述

中國石油塔里木石化分公司多軸離心式空氣壓縮機由中壓注汽冷凝式汽輪機驅動，用于化肥合成氨裝置，為二段爐提供燃燒轉換空氣。壓縮機帶增速齒輪箱，在增速齒輪箱和汽輪機之間安裝了中間齒輪箱，來降低壓縮機齒輪箱的輸入轉速。壓縮機分為兩段，一段由四級壓縮組成，二段由兩級壓縮組成。一段各級出口分別安裝了水冷器，正常運行時，空氣經過過濾器到壓縮機的一段被壓縮到1.42MPa（a），然后經過一段水冷器被冷卻到34.5°C，其中一部分空氣被抽出作為儀表空氣和尿素防腐空氣之用，另一部分進入壓縮機二段，被壓縮至3.82MPa（a），進入二段爐。壓縮機狀態監測見圖1。

1.2 壓縮機控制描述

在運行時，壓縮機一、二段入口導葉（IGV）用于控制壓縮機的流量及壓力，如增加壓縮機的流量及出口壓力時需增大導葉開度，反之減小。若葉輪內的流量停滯，發生喘振，則會對壓縮機機械部件造成很大應力，故要求壓縮機實際流量必須大于最小容積流量。運行中，壓縮機進入最小流量前喘振放空閥會自動打開，為確保壓縮機遠離喘振線而安全運行，在分散控制系統（DCS）中安裝了防喘振控制系統，由其控制防喘振放空閥的啟、閉，以避免壓縮機發生喘振。

圖1 壓縮機狀態監測

為確保壓縮機穩定操作，多軸式壓縮機配備了一、二段防喘振放空閥，由喘振控制器自動控制防喘振放空閥。穩定和不穩定運行的分界線稱作喘振線，其取決于多種因素，如溫度、壓力等。對喘振線留有一定的安全余量，這條安全線稱為放空線，它與喘振線平行，其安全余量是設計流量的8%［1-2］，從而確保了壓縮機的穩定、安全運行，見圖2。

圖2 壓縮機喘振控制線

防喘振放空閥和入口導葉控制壓縮機流量。壓縮機一段額定流量的30%由一段導葉調節控制，即通過導葉調節可使壓縮機額定流量從100%減少到70%，如果流量需進一步減小，只能依靠調節一段喘振放空閥的開度來實現。當壓縮機流量＞70%時，喘振放空閥將自動完全關閉，當一段喘振放空閥關閉后，一段導葉將開始從最小操作位置打開。

壓縮機二段額定流量的38%由二段導葉調節控制，即通過導葉調整可使額定流量從100%減少到62%，如果流量需進一步減小，只能依靠調節二段喘振放空閥的開度來實現，當壓縮機的流量＞62%時，喘振放空閥將自動完全關閉，當二段喘振放空閥關閉后，二段導葉將開始從最小操作位置打開。

壓縮機的流量是通過導葉調節來實現的，即一級入口導葉控制壓縮機一段流量，五級入口導葉控制壓縮機二段流量。

實際運行中，為防止壓縮機喘振，同時在極端條件下能迅速全開喘振放空閥，壓縮機喘振控制器要求設置在自動模式，根據AtlasCopco公司提供的壓縮機使用手冊可知，一段喘振流量設定值為3 450m3/h，二段喘振流量設定值為1 750m3/h，當壓縮機流量大于喘振流量設定值時，喘振放空閥自動關閉，當小于喘振流量設定值時，喘振放空閥自動開啟。

對于壓縮機的一、二段出口壓力，設置了安全控制器，它的作用是避免壓縮機一、二段出口壓力大于最大允許值，它由可編程邏輯控制器（PLC）進行控制，運行時應設置為自動模式。在極端操作條件下，即當一段出口壓力＞1.5MPa或二段出口壓力＞4.2MPa時，一、二段喘振放空閥會瞬間全開，反之關閉。

當汽輪機轉速升至最小轉速＞5 743 r/m時，在全自動模式下，可對壓縮機進行加載，在操作畫面上逐步增加一、二段出口壓力的設定值，這時，喘振放空閥會先逐漸關閉，當全關后，入口導葉才逐步打開，完成加載。需卸載時，減小一、二段出口壓力的設定值，這時導葉開始逐步關閉，當完全關閉后，喘振放空閥才開始逐步打開，完成卸載。

當汽輪機的轉速＜5 743 r/m時，電磁閥失電，一、二段喘振放空閥瞬間全開，導葉瞬間全關。

2 喘振放空閥突然全開因素及對策

通過以上分析可知，運行中造成壓縮機一、二段喘振放空閥瞬間全開的因素有兩個：一段出口壓力＞1.5MPa或二段出口壓力＞4.2 MPa；汽輪機的轉速＜5 743 r/m。

在合成氨裝置開車過程中，2011年12月28日多軸離心式空氣壓縮機一天內出現了三次喘振放空閥突然打開，二段爐斷空氣，造成除一段爐及脫碳裝置以外其它所有裝置停車。

2.1 原因分析

2.1.1 第一次喘振放空閥全開

2011年12月28日凌晨 01∶04∶36合成氣壓縮機汽輪機TK431在投抽汽時，多軸離心式空氣壓縮機一、二段喘振放空閥突然打開，造成機組甩負荷，其運行狀況見圖3。

圖3 壓縮機運行狀況

從圖3可見，當汽輪機轉速下降至5 667.6 r/m時，其轉速已＜5 743 r/m，達到了壓縮機喘振放空閥突然打開的條件，喘振放空閥打開，因壓縮機突然甩負荷，汽輪機轉速上升，1m后其轉速最高達到6 330 r/m，但未上升到汽輪機電子跳閘轉速6 645 r/m［3］，所以汽輪機并未跳車。

將中壓蒸汽管網的壓力、溫度及多軸離心式空氣壓縮機汽輪機轉速的狀態趨勢調出后發現，在01∶05∶27中壓蒸汽管網的蒸汽溫度由392℃下降至258℃，隨之汽輪機的轉速下降至5 609 r/m，見圖4。由于圖3與圖4在不同計算機屏幕上截取的畫面，因此存在一定的時間誤差。

圖4 中壓蒸汽壓力、溫度及汽輪機轉速

調出合成氣壓縮機汽輪機TK431抽汽的溫度歷史記錄后發現，01∶05∶20合成氣壓縮機汽輪機TK431正在投抽汽系統，在投抽汽前，其抽汽線內的蒸汽溫度為126.5℃，在投抽汽后其溫度為258.96℃，見圖5。操作人員曾發現在投抽汽后，溫度逐漸下降，很難控制，由此可推斷出減溫水閥TV7046存在內漏，其內漏會增加暖管難度。

圖5 TK431汽輪機抽汽溫度狀況

上述可得，合成氣壓縮機汽輪機TK431在投抽汽前，因操作人員沒有很好地對抽汽管線進行暖管，加之減溫水閥內漏，增加了暖管難度，在投汽時將抽汽管線中大量的冷凝水瞬間帶入到中壓蒸汽管網，使管網內的蒸汽溫度很快下降到258℃，蒸汽溫度的下降導致多軸離心式空氣壓縮機汽輪機轉速從5 860 r/m迅速下降到5 743 r/m以下，造成壓縮機一、二段喘振放空閥突然打開。

2.1.2 第二次喘振放空閥全開

壓縮機第一次喘振放空閥全開后造成了二段爐斷空氣，進而系統連鎖反應造成合成氣壓縮機跳車，這時多軸離心式空氣壓縮機處于空負荷狀態運行，01∶40∶20多軸離心式空氣壓縮機加壓提負荷，經過00∶1∶25該壓縮機一、二段喘振放空閥突然打開，其運行狀況見圖6。

從圖6可見，在壓縮機提負荷時，操作人員逐步關閉一段、二段喘振放空閥，一段出口壓力迅速上升。對此，操作人員馬上打開一段喘振放空閥，但仍然沒有遏制住壓縮機一段出口壓力的上升，01∶41∶45一段出口壓力達到1.555MPa，其壓力已＞1.5MPa，達到了壓縮機喘振放空閥突然打開的條件，喘振放空閥打開，因壓縮機突然甩負荷，汽輪機轉速急速上升，01∶42∶01其轉速達到6 641 r/m，汽輪機電子跳閘停車。

圖6 壓縮機運行狀況

調出多軸離心式空氣壓縮機的出口閥FV2011開度情況、壓縮機出口流量以及汽輪機轉速狀態趨勢后發現，在第一次多軸離心式空氣壓縮機喘振放空閥打開后，壓縮機甩負荷，其出口閥FV2011隨即關閉，此后該閥一直處于關閉狀態，見圖7。同時調出壓縮機出口副線閥開度趨勢后發現該閥也一直處于關閉狀態。

上述分析可得，多軸離心式空氣壓縮機在加負荷提

圖7 出口閥FV2011開度及汽輪機轉速

壓時，其出口閥FV2011及副線伐一直處于關閉狀態，憋壓導致壓縮機一段出口壓力迅速上升，操作人員馬上打開一段喘振放空閥，然而其壓力仍繼續上升達到1.5 MPa以上，造成壓縮機一、二段喘振放空閥突然打開，緊接著汽輪機轉速迅速達到電子跳閘轉速而跳車。

2.1.3 第三次喘振放空閥全開

2011年12月28日20∶18∶12合成氣壓縮機汽輪機TK431在投抽汽時，多軸離心式空氣壓縮機一、二段喘振放空閥又一次突然打開，造成機組甩負荷。

通過調查、分析，其原因與第一次喘振放空閥全開原因一樣，皆因在合成氣壓縮機汽輪機投抽汽時暖管不充分，冷凝液瞬間帶入到中壓蒸汽管網，使管網的蒸汽溫度大幅度下降，而造成多軸離心式空氣壓縮機汽輪機轉速下降到5 743 r/m以下，造成喘振放空閥突然打開。

2.2 解決措施

為防止此類事故再次發生，做出以下操作規定：

a）在合成氣壓縮機汽輪機投抽汽前，操作人員要充分進行暖管，打開導淋放凈冷凝液，在其溫度＞280℃后［4-5］，方可投汽。

b）為降低暖管難度，對減溫水閥TV7046進行檢修，避免其內漏。

c）在壓縮機提負荷時，壓縮機崗位與轉化崗位要充分溝通和聯系，嚴防壓縮機出口閥FV2011或副線閥未及時打開，造成壓縮機憋壓。

以上措施的實施有效地防止了由該類原因造成壓縮機喘振閥突然全開的嚴重后果，保障了裝置長周期運行。

3 結論

對多軸離心式空氣壓縮機一天內三次喘振放空閥突然打開的事故進行了深入調查和分析，找出了事故的原因，并采取相應解決措施：為防止合成氣壓縮機汽輪機在投抽汽時造成管網蒸汽溫度低而影響多軸離心式空氣壓縮機汽輪機的轉速，進而導致喘振放空閥打開，要求在投抽汽前充分暖管，檢查減溫水閥的運行狀態；為防止多軸離心式空氣壓縮機出口過高而造成喘振放空閥打開，要求壓縮機崗位與轉化崗位要密切配合，及時打開壓縮機出口閥FV2011或副線閥，避免此類問題再次發生。

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