離心式壓縮機的防喘振控制與操作

李敬珂，朱新德

(河南能源化工集團中原大化公司 河南濮陽 457004)

河南能源化工集團中原大化公司(以下簡稱中原大化公司)的合成氨裝置采用ICI- AMV工藝，以天然氣為原料，年產合成氨300 kt。除空氣壓縮機02K001外，該裝置的氣氨壓縮機09K001、合成氣壓縮機07K001、天然氣壓縮機01K001均采用汽輪機驅動，在實際運行中經常出現喘振現象。以09K001為例，針對壓縮機常見的喘振問題進行剖析和探討，總結防喘振的方法和控制要點。

1 09K001的基本參數和工藝流程

1.1 09K001的選型及設備參數

氫氮氣(10 580 kPa，239 ℃)在鐵催化劑的作用下于合成塔內進行氨的合成反應，出合成塔的氣體(10 100 kPa，414 ℃，含氨質量分數16.36%)進入廢熱鍋爐回收熱量，之后依次進入3臺換熱器(08E002，08E003和08E004)換熱，而后經第1氨冷器08E005、第2氨冷器08E006進行冷卻。09K001也稱冰機，其作用是為氨冷器提供冷量，以冷卻分離出合成回路中的氨。中原大化公司合成氨裝置設計為兩級氨冷的冷凍循環，選用2MCL528/1型單缸兩段離心式壓縮機，由HG32/20型背壓蒸汽透平09MT01驅動。09K001的主要結構性能及壓縮參數如表1所示。

表1 09K001的主要結構性能及壓縮參數

項目一段一級二級二段入口壓力/kPa228425908出口壓力/kPa4259341660壓縮比1．862．191．83入口溫度/℃-13．02．542．0出口溫度/℃86．0100．0流量/(kg·h-1)167763764955420葉輪級數/級233葉輪直徑/mm540500470轉速/(r·min-1)10770功率/kW4565

1.2 09K001在合成氨裝置中的工藝流程

來自08E006的氣氨(表壓128 kPa，-15 ℃)與來自08E005和氣體冷卻器10E004的氣氨(表壓325 kPa，0.5 ℃)分別進入09K001一段一級和二級的吸入側，經一段壓縮后的氣氨(表壓為830 kPa，86 ℃)送段間冷卻器09E005冷卻，冷卻后的氣氨與來自氨閃蒸槽09D001的氣氨相匯合，于表壓808 kPa、溫度42 ℃條件下進入09K001的二段吸入側；經二段壓縮后的氣氨(表壓為1 560 kPa，100 ℃)分為3路，第1路經防喘振閥F09001返回至08E006，第2路經防喘振閥F09002返回至08E005，第3路經并聯的水冷器09E002A/B冷卻后冷凝為液氨并送至氨受槽09D002。

09D002中的液氨溫度較高，稱為熱氨。熱氨流經換熱器09E003A/B、氨閃蒸槽09D001及產品氨加熱器09E004后與來自閃蒸槽08D001的冷氨進行熱交換，使之冷卻、減壓降溫，重新送往08E005，08E006和10E004用作冷凍劑。

2 離心式壓縮機喘振的危害、現象及判斷

2.1 喘振的危害

喘振是當離心式壓縮機的進口流量減少至一定程度時所發生的一種非正常工況下的振動，氣體流量、進出口壓力出現波動，從而引起壓縮機轉速及工藝氣強烈波動。

喘振的危害：①由于氣流強烈的脈動和周期性振蕩，會使供氣參數(壓力、流量等)大幅波動，破壞了工藝系統的穩定性；②使壓縮機葉片發生強烈振動，葉輪應力大幅增加，噪聲加劇；③引起動靜部件的摩擦與碰撞，使壓縮機的軸發生彎曲變形，嚴重時會產生軸向竄動，使軸向推力增大，發生燒毀止推軸瓦甚至掃膛事故；④加劇軸承、軸瓦的磨損，破壞潤滑油膜的穩定性，使軸瓦合金產生疲勞裂紋，甚至發生燒瓦抱軸等事故；⑤損壞壓縮機的機械密封及軸封，使壓縮機效率降低，同時由于密封的損壞會造成工藝氣泄漏，極易引發火災、爆炸等事故；⑥影響驅動機的正常運轉，干擾操作人員的正常操作，使一些儀表、儀器的測量準確性降低甚至損壞。一般機組的循環量、壓比、排氣壓力和氣體的密度越大，發生的喘振越嚴重，危害越大。

2.2 喘振的現象

離心式壓縮機發生喘振時，常見的現象：①壓縮機的出口壓力先升高，繼而急劇下降，并呈周期性波動，出口壓力表的指針來回擺動；②壓縮機的流量急劇大幅波動，甚至出現氣體倒灌至吸氣管道，帶動壓縮機的汽輪機指示不穩定；③機組產生強烈的振動，同時發出異常的氣流噪聲；④機組運行聲音異常，有間斷、低沉的吼聲，相關的前后工序裝置工況也隨之大幅波動。

2015年4月30日19：32，操作人員發現09K001的振動增強，迅速查看相關參數，發現其軸振動值X09004和X09005分別達到73 μm和75 μm，超過了正常振值范圍(45～70) μm；09K001的入口壓力PRC09001從正常值1.28×105Pa(表壓)下降至0.92×105Pa(表壓)；壓縮機的流量F09001由正常值21 800 m3/h(標態)下降至17 400 m3/h(標態)，F09002由正常值72 800 m3/h(標態)降至65 100 m3/h(標態)，機組蒸汽用量F09004明顯波動。根據運行參數的變化，立即判斷為壓縮機發生喘振。經檢查發現，08E005的液位L08003實際已上升至82%，初步判斷喘振是壓縮機一段入口氣氨帶液所致。為此，通過降低機組轉速S09001、手動調整08E005進氨閥開度等措施，喘振現象逐漸消失，機組運行逐步恢復正常。

3 喘振發生的條件和引起喘振的原因

3.1 喘振發生的條件

壓縮機的固有特性決定了壓縮機在一定的轉速下有其對應的升壓比，即一定的流量對應一定的出口壓力，并在一定的轉速下存在一個極限流量(即喘振流量)。當流量低于喘振流量時，壓縮機就不能夠穩定運行而發生喘振。

壓縮機出口氣體的壓力大于一定轉速下對應的最高壓力時也會發生喘振，即壓縮機工作時，當系統壓力高于壓縮機在該轉速下對應的極限壓力時，便在壓縮機出口形成很高的“背壓”，使壓縮機出口阻塞、流量減少，甚至出現氣體倒流，造成壓縮機喘振。

3.2 引起喘振的原因

(1) 壓縮機的氣體流量運行點距離喘振邊界太近或進入了喘振區。

(2) 正常生產時，防喘振裕度設定不足或防喘振裝置未及時投自動控制，均會導致操作運行點易接近或進入喘振區而發生喘振。防喘振整定值不準或防喘振裝置與機構失靈，也會導致喘振的發生。

(3) 壓縮機吸入氣體流量不足或出口氣體壓力太高，也容易導致喘振。

(4) 生產工況發生變化時，壓縮機放空閥或回流返回線閥Fv09001和Fv09002未及時打開，將引發喘振。壓縮機氣體出口管線上的止逆閥內漏、損壞或開關不靈活等，導致氣體回路壓力波動，也會引發喘振。

(5) 開停車過程中或生產工況大幅變化時，09K001升速和升壓過快且不平穩，或降速時沒有先降壓，從而導致喘振的發生。

(6) 根據氣體熱力學方程，氣體的溫度、壓力影響流量。壓縮機轉速和出口壓力不變時，入口氣體溫度升高容易造成喘振；當轉速一定時，進氣壓力越高則喘振流量值也會升高；在進出口壓力均一定、轉速也不變的條件下，入口氣體組分發生變化，喘振流量值也會相應變化，其中組分變輕，即分子量降低時易發生喘振。

(7) 壓縮機設備零部件損壞或脫落等設備故障，如機械密封、平衡盤密封、O形環損壞或脫落，均會誘發機組出現喘振。

4 離心式壓縮機喘振的預防措施

(1) 保證壓縮機設備本身及零部件完好無損；進出口管線無泄漏；進出口管道上的調節閥、止逆閥等閥門開關正常、靈活可靠，無卡塞或內外漏等情況。

(2) 定期校驗防喘振值，數值不準及時校正；提前測定各種工況下的防喘振裕度，并控制在1.03～1.50倍。防喘振裕度太大，雖不易發生喘振，但壓力下降，經濟性差；防喘振裕度太小，安全性差。正常生產時需關閉防喘振閥，投自動控制，這樣既安全又經濟。

(3) 檢查壓縮機運行點，防止運行點距喘振邊界太近或落入喘振區。

(4) 控制壓縮機吸入氣體流量和出口氣體壓力，避免流量過低或壓縮機出口壓力太高而引發喘振。

(5) 生產裝置波動時應及時打開壓縮機放空閥或Fv09001和Fv09002，以增大入口氣體流量，防止發生喘振。對空氣、CO2等無毒氣體可采用放空的方法，而對天然氣、氣氨等采取回流循環。

(6) 開停車過程中或生產工況大幅變化時，必須嚴格遵守升壓先升速、降速先降壓的原則，操作時應緩慢、均勻，多次交替完成升壓和變速。

(7) 主控室要密切關注高壓蒸汽P03055的壓力和溫度以及中壓蒸汽P03054的壓力和溫度，防止蒸汽管網大幅波動而影響壓縮機的安全平穩運行。

5 結語

喘振雖然是離心式壓縮機的固有特性，但喘振現象的發生主要取決于管網的特性曲線和離心式壓縮機的特性曲線。喘振形成的原因在于倒流與供氣的周期性交替進行，因此應針對喘振的主要影響因素，分別采取有效的防喘振控制措施，提高壓縮機抗喘振性能，確保合成氨裝置的安全穩定運行和企業良好的經濟效益。