汽輪機驅動氨壓縮機失速分析及對策

張錫德 陳小龍 康 軍 胡 漁 米爾扎提

1. 中國石油天然氣股份有限公司塔里木石化分公司, 新疆 庫爾勒 841000;2. 中國石油天然氣股份有限公司塔西南勘探開發公司, 新疆 喀什 844000

0 前言

某工程具有年產45×104t合成氨/80×104t尿素的大化肥裝置,氨壓縮機組是其五大機組之一,包括氨壓縮機及驅動氨壓縮機的汽輪機，是化肥生產的核心設備,壓縮機及汽輪機均由日本三菱公司制造,于2010年5月投入大化肥裝置的正常生產。2017年11月至2018年2月，因冬季保民用氣,天然氣短缺,裝置處于停工狀態,在此期間對氨壓縮機組進行了計劃性檢修,包括對汽輪機及壓縮機軸瓦進行檢查,對壓縮機干氣密封進行更換,對聯軸器對中度進行復查等。2018年3月2日氨壓縮機啟動,19 h后汽輪機出現了轉速異常波動,隨著機組運行,波動值越來越大,從280 r/min上升到1 670 r/min,造成了高、中壓蒸汽壓力大幅度波動,3月30日05:02:48機組轉速從 10 056 r/min 開始上升,05:25:19轉速上升到13 263 r/min,此時機組完全失控,轉速上升觸發電子跳閘,氨壓縮機防喘振閥打開,進而造成合成氣壓縮機部分連鎖,合成氣壓縮機轉速降至最低工作轉速8 910 r/min,高壓合成圈停車,導致尿素裝置停車,當氨壓縮機組控制系統發出停車命令后,因速關閥不能回座,機組轉速繼續上漲至 14 000 r/min以上,輔操緊急操作速關閥使機組停車。

1 氨壓縮機組情況

氨壓縮機組包括氨壓縮機及驅動氨壓縮機的汽輪機,用于合成氨裝置冷凍系統,其作用是壓縮蒸發的氣氨,使氣氨冷凝溫度提高,為氨合成塔循環氣提供冷量,使循環氣中的氣氨被冷凝。該機組中的氨壓縮機為多級離心式壓縮機,兩段壓縮,其型號為4 H-6 S;汽輪機為高壓背壓透平,其型號為5 BH-2,用膜片聯軸器直聯。

1.1 汽輪機有關參數

機組中的汽輪機有關參數如下:功率為2 342 kW,轉速為11 294 r/min,電子跳閘轉速為13 242 r/min,耗汽量為56 t/h,進汽壓力為10.8 MPa(a),進汽溫度為510 ℃,排汽壓力為4.36 MPa(a),排汽溫度為398 ℃。

1.2 汽輪機控制系統

汽輪機控制系統由轉速探頭、TS 3000(汽輪機和壓縮機集成控制系統)、電液轉換器、錯油門、油動機油門、執行及反饋杠桿及調速閥組成,其功能是對汽輪機轉速進行自動控制[1],見圖1。

圖1 汽輪機調速控制系統示意圖

1.2.1 轉速控制原理

轉速探頭可測出汽輪機轉速,其探頭是磁阻發送器,它將測出轉速轉換成相對應的電壓信號后將其傳輸到TS 3000控制中心,設定轉速與輸入信號值進行比較,偏差值在TS 3000中經過PID調節器(比例-積分-微分調節器)運算后,輸出20～160 mA的電流信號。該信號傳輸到電液轉換器[2-3],在電液轉換器中經過伺服活塞按比例關系被轉換為機械位移信號,推動執行和反饋杠桿運動,進而導致錯油門活塞桿運動,錯油門與油動機油門連接的油路通道被打開,動力油通過錯油門進入油動機油門的油缸腔體,推動油動機活塞桿運動,以實現對汽輪機調節閥開度的控制[4]。

當油動機油門活塞向下運動時,調速閥關小,其活塞桿會帶動執行及反饋桿向下移動,在彈簧力作用下錯油門活塞向下運動,最終使活塞到達錯油門中心位置,其油路關閉,汽輪機完成一次降速調節。當油動機油門活塞向上運動時,調速閥開大,其活塞桿會帶動執行及反饋桿向上移動,在杠桿作用下錯油門活塞壓縮彈簧向上運動,最終活塞回到錯油門中心位置,其油路關閉,汽輪機完成一次增速調節[5-6],見圖2。

圖2 調速機械傳動示意圖

1.2.2 電液轉換器工作原理

電液轉換器主要由伺服力矩馬達、擋板、噴嘴、水平調節彈簧、反饋彈簧、二級線性滑閥、對中彈簧及伺服活塞等元件組成[7]。

本工程電液轉換器型號為TM-25/200 LP,由美國伍德沃德生產,見圖3。

圖3 電液轉換器工作原理示意圖

它將TS 3000控制中心送來的電流信號20～160 mA進行三級放大,第一級為電流通過力矩馬達調節擋板與噴嘴之間間距,將電信號轉化為油壓信號;第二級為二級線性滑閥兩側油壓差來控制二級滑閥活塞運動;第三級為二級滑閥活塞移動來控制伺服活塞運動,經過三級放大,電信號轉化成機械位移信號[8-9]。

當電信號增大時,力矩馬達線圈磁力增大,導致擋板下移,擋板下噴嘴泄油量減小,而上噴嘴泄油量增大,造成二級線性滑閥兩側油壓力改變,pa2>pa1,滑閥活塞向上移動,伺服活塞下油腔進油,上油腔排油,伺服活塞兩側油壓力改變,pb2>pb1,電液轉換器輸出軸上移,調速閥開度增大,伺服活塞向上運動導致反饋彈簧作用力增加,擋板返回而上移,最終水平調節彈簧力和線圈磁力與反饋彈簧力相平衡,擋板返回到中心平衡位置,pa2=pa1,二級滑閥活塞也返回到中心位置,伺服活塞進出油孔被堵,固化伺服活塞位置,完成轉速一次調節,當電信號減小時,其過程相反[10-12]。

2 氨壓縮機組轉速波動及停車情況

2018年3月2日02:25:02啟動氨壓縮機組,當日21:15:39汽輪機轉速出現了波動,波動值為280 r/min。3月3日15:30:01汽輪機轉速波動值開始增大,期間小幅度調整P(比例)I(積分)值,未見到效果,通過大幅度改變PI值,僅延長了波動周期,并沒有改變波動幅值,經過摸索采取目標轉速跟蹤汽輪機實際轉速方法,收到了良好效果,汽輪機頻繁、大幅度的轉速波動得到暫時有效控制,高、中壓蒸汽壓力波動減小,裝置得以平穩運行。3月13日07:30:17汽輪機轉速波動值突然增大到1 670 r/min,經調整后趨于平穩,3月30日05:02:48汽輪機轉速從10 056 r/min開始大幅度上升,人工干預已不起作用,汽輪機轉速完全失控,05:25:19轉速已上升至13 242 r/min,觸發電子跳閘,跳閘后汽輪機轉速繼續上升,05:30:50轉速已達滿量程,在14 000 r/min以上,05:33:32輔操緊急操作速關閥,速關閥突然回座停車。

3 事故原因分析

經分析,導致汽輪機轉速大幅度波動的原因可能有:1)高、中壓蒸汽壓力大幅度波動;2)壓縮機的負載大幅度波動;3)調速閥開度大幅度波動。

從DCS中調取蒸汽管網高、中壓蒸汽壓力值,在汽輪機轉速波動前,蒸汽壓力值分別為10.69和4.29 MPa,其趨勢為一條直線,無波動,所以蒸汽壓力波動原因可以排除。

對于原因2),壓縮機負載出現時而增大時而減小，即壓縮機流量出現時而增大時而減小，經分析壓縮機流量除了與汽輪機轉速有關外,還與喘振閥開度有關,即喘振閥開度波動決定壓縮機流量波動,經查壓縮機一段、二段喘振閥開度均無波動現象,一段喘振閥開度為38.1%,二段喘振閥開度為0,該原因可以排除。

為了確定原因3),對現場調速閥閥位開度進行了觀察,見圖2,發現閥位刻度在10～11.5波動,說明調速閥開度大幅度波動導致了汽輪機轉速波動。

引起汽輪機調速閥開度大幅度波動的原因可能有兩種[13]:1)錯油門工作不正常,其內部油顆粒導致錯油門工作失常,引起調速閥開度變化;2)電液轉換器工作不正常,其輸出的機械信號不正確,導致調速閥開度變化。

3.1 錯油門油顆粒對轉速的影響

3.1.1 油顆粒卡澀錯油門活塞

當錯油門活塞在中心位置時,油動機油門油路被關閉,完成一次調速。實際上,在完成調速后錯油門活塞并沒有完全靜止,而是在上、下顫動,當錯油門活塞向下微動時,油進入油動機油門下腔體,調速閥處于開大狀態,油缸活塞桿帶動執行及反饋杠桿上移,導致錯油門活塞又返回至中心位置,因油動機油門活塞的力量很大,即使錯油門活塞被油顆粒卡上,也阻擋不住執行及反饋杠桿向上運動,所以錯油門顆粒不可能導致調速閥開度增大。

當錯油門活塞向上微動時,油進入油動機油門上腔體,調速閥處于關小狀態,油缸活塞桿帶動執行及反饋杠桿下移,此時錯油門活塞返回中心位置靠彈簧力來完成,見圖2,因彈簧力有限,若錯油門活塞被油顆粒卡住,錯油門活塞就無法移動,油持續進入油動機上腔體,調速閥持續被關小[14-15]。

分析可知,油顆粒卡澀錯油門活塞僅導致調速閥開度減小而非增大,僅造成汽輪機轉速持續下降,而不是汽輪機轉速上下波動,因此該原因可以排除。

3.1.2 油顆粒磨損錯油門活塞

錯油門活塞在上下微動時,若存在顆粒,長時間會使活塞表面及錯油門腔室內表面磨損,導致進入錯油門腔室內油壓力下降,調速信號延遲,造成汽輪機轉速上下波動。同時,活塞處于錯油門中心位置時,因磨損活塞無法完全封住油動機腔室上下油孔,導致汽輪機轉速波動,甚至轉速失控,該原因需對錯油門解體檢查或對現場調速機構位移刻度數據進行分析才能確認。

3.2 電液轉換器對轉速的影響

根據電液轉換器工作原理可知:TS 3000發出的電流信號在電液轉換器中經過三級放大,輸出機械位移信號,控制調速閥開度,理論上講任何一級放大器工作失穩,都會導致輸出機械位移信號不穩定,從而引起汽輪機轉速波動[16-17]。從理論上分析,導致汽輪機轉速波動的具體原因有:

1)力矩馬達工作異常導致輸出信號失穩。

2)二級線性缸套及滑閥活塞磨損導致輸出信號失穩。

3)伺服缸套磨損及活塞密封圈損壞導致輸出信號失穩。

4)伺服活塞桿磨損導致輸出信號失穩。

5)潤滑油不清潔導致一、二級放大輸出信號失穩。

為確定電液轉換器具體故障部位,需將電液轉換器發到專業廠商進行測試和拆檢。

3.3 數據記錄確定故障來源

為進一步確認故障來源,2018年3月11日開始,每2 h對汽輪機轉速、電信號閥位、電液轉換器位移刻度、油動機位移刻度及調速閥實際閥位位移刻度進行一次記錄,特別是轉速波動時,及時記錄實時數據,部分數據見表1。

表1 2018年3月汽輪機啟動相關數據表

分析表1數據可知,在多個時間點,電信號閥位與電液轉換器位移刻度、汽輪機轉速變化趨勢不一致,是混亂的,如:20日13:00電信號閥位為49.3%時,電液轉換器位移刻度為13,汽輪機轉速為11 899 r/min;21日15:00電信號閥位為56.9%時,電液轉換器位移刻度為10.4,汽輪機轉速為10 813 r/min,而電液轉換器位移刻度、油動機位移刻度與調速閥實際閥位位移刻度、汽輪機轉速變化趨勢是一致的,由此可以判斷出錯油門腔室及活塞未磨損,沒有故障,而電液轉換器存在故障,工作異常。

3.4 故障源確定

為徹底查清緣由,2018年4月10日將電液轉換器送到天津伍德沃德工廠,在工廠試驗臺進行性能測試,見圖4。當輸入電信號時,電液轉換器輸出軸運動非常緩慢,同時嚴重滯后,說明其調節敏感度嚴重下降。

a)性能測試

b)濾網堵塞圖4 性能測試及濾網堵塞照片

對電液轉換器進行了解體檢查,發現一級放大兩個進油口和二級放大進油口過濾器均有不同程度的油泥堵塞,同時電液轉換器內部油腔存在油泥,油泥是因曾經潤滑油油品劣化、漆膜形成而帶來的[18-19]。

從上述可知:電液轉換器進油過濾網堵塞,調節敏感度下降,導致輸出機械位移信號紊亂,是造成汽輪機轉速大幅度波動的根本原因。

4 對策

4.1 運行操作措施

氨壓縮機轉速波動直接影響到高、中壓蒸汽壓力波動,隨著機組轉速波動幅度增大,對高、中壓蒸汽產生了巨大影響,進而對化肥生產產生了重大影響,為減小汽輪機轉速波動的頻次及幅度,在操作上采取了以下措施:

1)修改調速系統PI值,減少波動頻次。汽輪機正常運行時PI值為120 40,因汽輪機轉速出現了波動,且波動頻次及幅度越來越大,導致高、中壓蒸汽壓力出現大幅度波動,通過摸索,將PI值逐步調整至40900,調整后汽輪機波動頻次從1次/5 min左右降至1次/20 min,但振動幅值沒有根本好轉。

2)設定目標轉速跟蹤實際轉速,降低波動幅度。為了減小控制系統的輸出信號,防止電信號因電液轉換器工作異常導致轉速波動過大,通過手動干預,修改目標轉速,使目標轉速跟蹤實際轉速,當目標轉速與實際轉速差值達到30 r/min左右時,就重新設定目標轉速,從而減小控制信號輸出值。通過這一措施,降低了汽輪機轉速的波動幅度,使頻繁、大幅度轉速波動得到有效控制,大大減小了高、中壓蒸汽壓力波動,使裝置得以平穩運行。

3)通過調節防喘振閥開度來控制壓縮機出口氣量。

4.2 停車故障處理

2018年3月30日因汽輪機轉速失控,觸發電子跳閘,干預速關閥,機組停車。

4.2.1 現場處理

1)將電液轉換器輸出軸與錯油門斷開,發出電信號,分別為15%、20%、25%,而電液轉換器輸出軸不動作,同時拉動錯油門閥桿,活動自由,可以確認錯油門無故障,故障來源于電液轉換器。

2)對電液轉換器進行更換處理。

3)調節油路增設雙聯過濾器。為防止潤滑油對電液轉換器產生影響,與三菱公司溝通后,在調節油路上增設了可切換的雙聯油過濾器,其精度為10 μm,見圖5。

圖5 雙聯過濾器照片

4)對汽輪機調速系統進行靜態調試,保證輸出信號與調速閥實際開度一致。

5)對速關閥開度位置進行標識,防止速關閥回座失靈。

事故停車后,對速關閥進行了4次停機試驗,分別進行遠程及現場停車,速關閥均成功關閉。通過分析速關閥結構,判斷事故原因為速關閥全開后手輪回旋角度不夠,仍處于速關閥死點范圍[20]。為防止此類事故再次發生,在速關閥閥體及手輪上進行速關閥回旋位置標識。

4.2.2 電液轉換器送檢

1)將舊電液轉換器送天津專業廠商進行檢測,檢測結果:動作非常緩慢,信號嚴重滯后,調節敏感度嚴重下降。

2)拆檢電液轉換器,發現內部過濾網部分堵塞,油腔室內有油泥及顆粒物,對部件清洗,重新組裝,經調試,各項指標達到標準。

4.3 后續措施

2016年底對潤滑油進行了全分析化驗,據化驗結果,發現潤滑油泡沫特性、漆膜傾向性和抗氧劑等指標已劣化,2017年初對機組潤滑油進行了更換處理,因潤滑油僅運行了一年多電液轉化器濾網便出現了堵塞現象,為防止堵塞再次發生,本次事故后決定在油系統中增設一套在線油凈化裝置,它能有效脫除油中的機雜、水分和氣體,使潤滑油始終保持高品質運行。

更換新電液轉換器和油路增設雙聯過濾器,調速系統經過靜態調試后,2018年3月30日12:30啟動氨壓縮機,汽輪機波動故障消失,機組運行正常。

5 結論和建議

對汽輪機驅動氨壓縮機轉速波動及失控造成停機,進而導致合成高壓圈和尿素裝置停車的事故原因進行分析并采取措施進行處理,得出以下結論:

1)電液轉換器內部過濾網堵塞是造成汽輪機轉速波動及失控的根本原因。

2)錯油門油顆粒僅導致汽輪機轉速持續下降,不會導致汽輪機轉速上下波動。

3)記錄調速系統現場刻度能有效判定汽輪機轉速波動的故障來源。

4)大幅度改變PI值,同時設定目標轉速跟蹤實際轉速,能有效減少汽輪機轉速波動頻次及幅值。

5)速關閥處于死點位置是造成速關閥不能打閘的根本原因。

6)油路上增設過濾器可防止潤滑油對電液轉換器產生的影響。

7)潤滑油清潔度(包括水分)對電液轉換器工作穩定性影響很大。

8)電液轉換器內部密封元件磨損會造成調速系統工作不穩定。

為確保調速系統工作正常,提出以下對策和建議:

1)新機組設計上應考慮控制油系統獨立于潤滑油系統,避免控制油系統被污染。

2)新機組可考慮采取新型電液轉換器,也可用于對老電液轉換器更新改造,該電液轉換器對潤滑油清潔度(如臟物、金屬顆粒、巴氏合金及其它污染物)的要求較低。

3)操作機組時要嚴防蒸汽、水分進入油系統,造成潤滑油提前劣化及乳化。因此需確保汽輪機軸封抽氣系統完好,以保證抽氣噴射器運行正常。油封隔離氣要正常投用,以保證隔離氣的正常壓力。

4)增加潤滑油清潔度分析化驗指標,采用美國航空航天工業聯合會AS 4059-2005 《液壓油污染物等級》或國際標準組織ISO 4406-1999 《液壓傳動 油液固體顆粒污染等級代號》標準,潤滑油清潔度等級為6級。

5)修訂潤滑油水分指標,將小于0.1%改為0.01%。對于 10 000 r/min以上的壓縮機及汽輪機機組,潤滑油水分指標設定為小于0.1%是不科學的,需將指標提高至0.01%。

6)油系統可考慮增設在線油凈化裝置,能有效脫除油中的機械雜質、水分和氣體。

7)電液轉換器需定期送專業廠商進行維護保養,更換磨損的封件,有效防止故障發生。

8)修改完善潤滑油管理制度,在常規性化驗基礎上,增加非常規性化驗。潤滑油(脂)常規分析項目有黏度、酸值、閃點、水份、機械雜質等指標,當潤滑油使用年限超過3年應至少每年進行一次非常規化驗,化驗項目至少包含旋轉氧彈值、泡沫特性、空氣釋放性、漆膜傾向性、抗氧劑、抗乳化度和抗氧化安定性等,根據化驗結果,對潤滑油進行進一步處理。