淺談日立二氧化碳壓縮機原始開車問題及解決措施

程晶晶

（重慶機電職業技術學院，中國 重慶 402760）

重慶建峰工業集團化肥分公司第二套大化肥（簡稱建峰二化），建峰二化年產80 萬噸尿素裝置采用荷蘭斯塔米卡邦的二氧化碳汽提工藝，二氧化碳壓縮機組采用日本日立兩缸四段壓縮機，高壓缸型號2BCH306/A，低壓缸型號2MCH606，由抽汽注汽冷凝式汽輪機驅動。控制系統為美國TRICONEX 公司的TRICONTS3000 系統，該系統采用三重冗余容錯的結構，有較高的控制精度和可靠性。機組的監測系統采用BENTLY NEVADA 的3500 系統。二氧化碳壓縮機在試車過程中，因低壓缸喘振和齒輪箱振動高跳車，導致無法開車同時也影響了設備的正常使用壽命。

1 二氧化碳壓縮機工藝流程簡介

二氧化碳壓縮機采用46bar385℃的蒸汽透平驅動，將合成氨送來的壓力為15kPa 的CO2升壓到14.7MPa，二氧化碳壓縮機的工藝流程由潤滑油系統、密封氣系統、工藝氣流程和防喘振流程等構成。密封氣在開車前采用氮氣，開車之后采用3 段出口的二氧化碳作為密封氣，供氣壓力為0.6MPa 以上，通過自力式調節閥調節到壓差為10KPa 后進入壓縮機的密封系統。

2 機組調速模式介紹

以10 種模式控制二氧化碳壓縮機電子調速，修改前的升速模式如表1 所示。

表1 升速模式

電子調速系統：

電子調速系統包含了TS3000 速度控制器，獨立的電子超速保護控制器，無源轉速探頭，油動機執行機構，超速跳車聯鎖系統。

1）超速保護控制

本套系統設置了獨立的電子超速保護系統實現汽輪機組的超速保護功能，通過3 個獨立的轉速探頭和速度模塊進行轉速的測定和超速的判定，通過繼電器模塊三取二邏輯實現。超速保護系統檢測到汽輪機超速信號，發出跳閘信號到獨立的跳車電磁閥，跳車電磁閥發出動作，將去速關閥的調速油泄掉，速關閥靠本身彈簧的力量迅速關閉，截斷主蒸汽進入，壓縮機停機。

2）電子調速

電子調速由電子調速器控制汽輪機由零轉速按照設備要求自動升速至汽輪機正常工作轉速和安全停車，由成熟的電子測速系統和油動機執行機構實現電子調速控制和蒸汽壓力控制。二氧化碳壓縮機機組安裝6 個無源轉速探頭，其中3 個獨立的轉速探頭進行轉速的測定實現三取二聯鎖跳車，2 個轉速探討用作轉速顯示，1 個轉速探頭去實現電子超速跳車。系統內的速度控制模塊接收經PI 卡處理過的速度信號，采取三取中、二取高、一取一的選擇策略，進行調速運算，控制調速閥實現汽輪機自動啟動、速度控制、臨界轉速避免、超速試驗等功能。性能控制模塊以出口壓力作為控制變量，經PID 回路運算串級控制汽輪機轉速，同時可設置轉速作為替代控制變量，在主控回路出現故障時可自動切換到替代回路。

3 機組在轉速為4400～5300rpm 期間低壓缸的喘振

3.1 臨界轉速概念

轉子是一個彈性體，具有一定的自由振動頻率，即轉子固有振動頻率。轉子在制造過程中，由于軸的中心和轉子的中心不可能完全重合，總有一定偏心，當轉子轉動后就產生離心力，離心力就引起轉子的強迫振動，當強迫振動頻率和轉子固有頻率相同或成比例時，就會產生共振，使振幅突然增大，這時的轉速即為臨界轉速。同時轉子還存在固有的扭轉自振頻率，也是轉子軸系的固有特性，取決于轉子本身的材料、結構、連接方式、聯軸器的結構和材料等時，轉子處于共振狀態，這時的轉速即為扭轉臨界轉速。臨界轉速主要是研究轉子的橫向彎曲振動與扭轉振動問題[1]。

當轉子在啟停的升速或降速過程中，如果轉子在臨界轉速下或停滯在其附近運行時，會出現劇烈的振動，軸的彎曲度明顯增大，疲勞加劇，運行時間稍長還會造成軸的嚴重彎曲變形或折斷，以至軸或軸上零件乃至整個機器遭到破壞。因此，壓縮機轉子的轉速應避開臨界轉速，一般工作轉速偏離臨界轉速10%以上。在機組啟動升速過程中要加大升速速率迅速且平穩地通過臨界轉速，而不應該在臨界轉速下或者臨界區附近停留。

3.2 處理方法

二氧化碳壓縮機開車過程中，在二氧化碳入口壓力和蒸汽透平運行穩定的情況下，當機組轉速從0rpm～4400rpm 時機組一切正常，此時在機組控制系統ITCC 的調節下二段壓縮回一段及四段壓縮回三段的兩段防喘閥自動全開。當轉速越過4400rpm 后低壓缸開始出現異音，在二段壓縮出口管線上能聽見明顯的異音同時能看見管道的振動。隨著轉速的進一步升高，在S01/S102/S103 分離罐處能明顯聽見氣體的來回震蕩的異音。在機組通過5300rpm 后在沒有進行任何操作干預的前提下喘振迅速消失。反之在機組正常停運過程，當轉速在ITCC 的控制下轉速由工作轉速逐漸下降5300rpm 后開始喘振。但軸承的振動和溫度沒有異常變化。

處理方法：將二段壓縮回一段的防喘閥FV7001 解體沒有發現明顯異常。壓縮機原來設計臨界轉速為2500rpm，經過分析認為是低壓缸在低轉速下流通能力不足造成，將一階暖機轉速由2950rpm 調整至3200rpm，將二階暖機轉速由4400rpm 調整至5200rpm，日立和我廠人員共同討論后同時采用的辦法是通過人為在現場手動打開一段、二段出口安全閥副線將二氧化碳部分放空，最終喘振現象消除。

結論：雖然通過調整暖機轉速和調節安全閥副線消除啟動過程低壓缸的喘振，但日立沒有提出有充分的證據解釋為何會出現這種狀況，而僅僅認為是二氧化碳本身的特性決定了機組易喘振。此外臨時采取的開安全閥副線的應急措施畢竟不是正規的操作方法。一方面，長期這樣操作必會造成安全閥副線由于沖刷出現泄漏，給機組本身和尿素裝置的穩定運行造成影響；另一方面，由于必須到現場操作和配合在緊急停車的情況下會由于操作不及時、不匹配造成機組喘振或停車。

4 齒輪箱低速軸振動高

現象及處理方法：二氧化碳壓縮機開車過程中，在二氧化碳機轉速從5300rpm 開始后齒輪箱低速軸振動由10μm 左右開始上漲，隨著機組轉速上升當到達6300rpm 左右時齒輪箱振動急速增加。二氧化碳壓縮機的軸系圖如圖一所示，試車過程中機組轉速在5500～5900rpm曾因振動值超過147μm 而聯鎖停車。最后日立提出修改振動聯鎖值，將聯鎖值由147μm 提高到200μm，而機組振動值的量程為0～200μm，機組在6700～6800rpm 時最高達到180μm，在機組轉速超過6950rpm左右時振動瞬間下降到10μm 左右。在機組正常停運過程，當轉速在ITCC 的控制下轉速由工作轉速逐漸下降5900rpm 后振動開始上升。但軸承的振動和溫度沒有異常變化。修改升速曲線，改變暖機轉速。

表2 升速模式

模式修改后兼顧了低壓缸喘振和低速振動兩方面因素，修改后的二氧化碳壓縮機升速曲線和暖機時間如下表2，轉速升從5200rpm 升至最低運行轉速7000rpm 的升速速率由原來的596rpm改為1000rpm，修改后的升速曲線能夠快速通過喘振區和高振動區。

結論：雖然通過修改聯鎖值和升速速率，但振動高的現象仍然存在，只是保證了機組可以將轉速升到設計值，同時減少了在振動區的停留時間進而降低對設備的影響程度。

［1］黃鐘岳,王曉放.透平式壓縮機[M].北京:化學工業出版社,2004.