氨壓縮機喘振的原因分析及處理

張 威

(河南省中原大化集團有限責任公司，河南濮陽 457000)

河南省中原大化集團有限責任公司500 kt/a甲醇項目冷凍裝置配套的氨壓縮機組，采用沈陽鼓風機集團股份有限公司生產的多級離心壓縮機，型號為MCL807+2MCL805。壓縮機與原動機由膜片聯軸器聯接，壓縮機和汽輪機共用底座，整個機組采用潤滑聯合油站供油[1-2]。原動機采用杭州汽輪機股份有限公司生產的單缸抽汽冷凝式汽輪機，型號為NK25/28/25。

1 氨壓縮機工藝流程

圖1 氨壓縮機工藝流程

氨壓縮機工藝流程如圖1所示。氨壓縮機與工藝系統中的冷卻器05E004、05E008、05E002、01E101及09E001A/B和氨儲罐09T001等設備組成冷凍回路，為工藝系統提供所需的冷量。正常生產時，冷卻器05E004、05E008閃蒸出的氨氣作為氨氣壓縮機一段入口供氣，經入口分離器09S001進入低壓段，分離器前有壓力指示PT09011，壓縮機入口設有壓力指示PT09030。壓縮機防喘振控制，通過防喘振回路將高壓缸出口氨氣由防喘振閥FV09030調節，然后返回到入口分離器09S001入口[3-4]。

2 事故經過

2008年11月8日，氨氣壓縮機啟動，機組低速暖機后，按升速程序提速，當轉速升至2 000 r/min時，壓縮機入口流量指示FI09030在0～18 000 m3之間波動，機組出現異常聲音，確認機組發生喘振。因為之前曾出現2次入口分離器09S001啟動壓差大(具體原因不明)，機組發生喘振，升速到一定轉速后恢復正常。為此，經請示后手動加快轉速，當轉速升至4 800 r/min時，壓縮機出口壓力PT09035指示為0.84 MPa、PT09011指示為0.76 MPa、PT09030指示為0.17 MPa(量程為0～0.2 MPa)；當轉速接近5 000 r/min時，入口分離器09S001壓差已接近0.7 MPa，表明此時分離器不通，機組一直處于喘振狀態，被迫打閘停機。

3 原因分析

3.1 喘振的定義

當離心壓縮機工作在設計點時，氣流的進氣角基本上等于葉輪葉片的進幾何安裝角，氣流順利進入流道，不會出現吸附面層脫離。當流量減少時，氣流軸向速度減小，沖角增大，氣流射向葉片的工作面，使非工作面出現脫離。由于氣流在非工作面上是擴壓流動，出現的脫離很容易擴張，所以流量減小時，脫離發生明顯；當流量減小到某臨界值時，脫離嚴重擴張，以致充滿流道的大部分區域，使損失大大增加，破壞了正常流動，此時流量下降，沖角增大。由于進口氣流本身的不均勻性和加工存在的問題，造成了各葉片間的幾何結構存在微小差異，導致總會在某一個或幾個葉片上最先發生氣流脫離，形成一個或幾個脫離區，稱為“脫離團”。發生氣流脫離葉片附近的流動情況惡化，出現了明顯的流量減小區，受阻滯的氣流使上述葉片附近的氣流方向發生改變，引起流向轉向后面葉片的氣流沖角增大，轉向前面葉片上的沖角減小。由于工況改變，流量明顯減小，出現嚴重的旋轉脫離，流動情況大大惡化。葉輪雖仍在旋轉對氣體做功，但不能提高氣體壓力，壓縮機出口壓力明顯下降。如果壓縮機后面的管網容量較大，其背壓的反應不敏感，就會出現管網中的壓力大于壓縮機出口的壓力，進而引起倒流現象的發生。氣流由壓縮機出口向進口倒灌，一直到管網中的壓力降至低于壓縮機出口壓力為止。當倒流停止，氣流在葉片的作用下正向流動，壓縮機又開始向管網供氣，經過壓縮機的流量增大，壓縮機恢復正常工作。但當管網中的壓力不斷回升，恢復到原來水平時，壓縮機正常排氣又受到阻礙，流量又下降，系統中的氣體又產生倒流。如此循環，在整個系統中發生了周期性的軸向低頻大振幅的氣流振蕩現象，稱之為“喘振”。

3.2 喘振形成的原因

壓縮機喘振是指當壓縮機流量減少到一定時出現的一種不穩定工作狀況，即壓縮機的氣體流量和排氣壓力周期性地低頻、大幅波動，引起機組強烈振動的現象。壓縮機喘振的原因歸結為兩方面：①壓縮機流量減少造成的葉柵氣流的旋轉失速和擴展出現的喘振；②壓縮機與管網工作不協調，表現為壓縮機流量不高于喘振流量和壓縮機排氣壓力低于管網氣體壓力[5-6]。

喘振的發生首先是由于變工況時壓縮機葉柵中的氣動參數和幾何參數不協調，形成旋轉脫離，造成嚴重的旋轉失速；但并不是旋轉失速都一定會導致喘振的發生，喘振還與管網系統有關。喘振發生有內、外兩方面的因素：從內部來說，由于離心式壓縮機在一定條件下流動情況大大惡化，出現了強烈的旋轉失速；從外部來說，與管網的容量及管網特性線有關。外部的影響因素很多，如存在：①系統壓力高，工藝系統憋壓等；②壓縮機進口吸入流量低，入口過濾器阻塞，入口工藝氣減少或切斷；③機械部件損壞或脫落，機械密封、平衡盤密封、O形環等部件安裝不全，安裝位置不準確或者脫落，形成級間竄氣、部件脫落堵塞葉輪、止逆閥失效或破損等；④操作失誤，未遵循“升壓先升速，降速先降壓”的原則，升壓過快或失速，防喘振調節不當；⑤工況改變，壓縮機進入喘振區，蒸汽管網波動、工藝氣參數變化等，未能及時調節；⑥工藝介質組分等介質狀態變化造成喘振。

3.3 喘振的特征和危害

喘振的特征有：①壓縮機工作極不穩定，工藝氣體參數出現周期性的大幅波動；②有強烈的周期性氣流噪音，出現氣流吼叫聲；③極其強烈的振動，機體、軸承等的振幅急劇增加。

管網容量越大，喘振頻率越低，喘振能力越大，危害性越大。喘振的危害有：①可能損壞壓縮機零部件，如密封、O形環等，甚至引起動靜零部件碰撞，對止推軸承產生沖擊力，破壞軸承油膜穩定及軸端密封，造成軸端氣體泄漏等；②可能影響機器安裝質量，破壞各部分調整好的間隙值，甚至引起軸的變形，并造成機器在以后的運行中振動加劇；③可能使一些儀表失靈或準確度降低；④可能造成工藝管路部件(如管道過濾器)損壞。

4 事故原因分析

結合壓縮機喘振時工藝參數的變化查找機組喘振的原因，結果發現是因為壓縮機入口分離器09S001出現堵塞，之前曾打開檢查過該分離器，未發現問題；分析堵塞的原因，可能是09S001出口除沫網有結晶物從而造成流道堵塞。之后利用停車機會，對機組入口氨冷器05E004、05E008進行檢查，發現05E004、05E008均發生泄漏，在05E004、05E008入口管線及封頭處發現大量的白色結晶物，經分析確認為富含二氧化碳的工藝循環甲醇進入冷凍系統，減壓后析出的二氧化碳與氨發生反應，生成了碳酸氫銨結晶物。

5 事故防范及措施

5.1 機組停機后對09S001堵塞的處理

(1) 用高溫鍋爐給水通過09S001底部導淋向內部充水溶解結晶物，拆除頂部安全閥排氣，關閉壓縮機入口大閥，防止熱氣體進入壓縮機。

(2) 當頂部排出水后，關閉充水閥，靜候2 h，使結晶物充分溶解，排水后用工廠空氣吹除干凈，分離器管線復原。

(3) 機組恢復開車，機組啟動升速過程中，注意對分離器底部排放。正常運行中檢測氨冷凍回路單元，所有換熱器應做好記錄。

5.2 預防喘振的措施

(1) 機組正?？刂埔ＷC壓縮機流量大于其喘振流量，檢查入口管線管路不受阻，升降負荷應遵循“升壓先升速，降速先降壓”的原則。

(2) 工藝上要控制好入口氣體組分和參數，防止出現組分含量下降、壓力下降或溫度上升過快等現象，工藝系統壓力要保持穩定，防止出現超壓、憋壓。

(3) 機組啟動過程中，要注意調整各段的流量，避免出現高壓段阻塞、低壓段超壓等現象。

6 結語

通過對氨壓縮機喘振進行分析，找出了機組喘振的原因，結合入口分離器堵塞的現象進行查找，最終找到了引起堵塞的根源，徹底解決了喘振的問題。引起壓縮機喘振的原因很多，結合機組喘振發生時的具體工藝參數進行分析，并結合機組喘振的特性采取了防止喘振的措施，為今后處理機組喘振打下了堅實的基礎。

參考文獻

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