增壓機(jī)故障停機(jī)原因分析及對(duì)策

（渤化永利化工股份有限公司，天津300400）

大型內(nèi)壓縮流程空分裝置，為達(dá)到合理地組織熱交換系統(tǒng)的目的，均設(shè)置增壓機(jī)。這樣可以將高壓液體的低溫冷量盡可能轉(zhuǎn)換成同等質(zhì)量的高壓空氣的低溫冷量，并盡可能地減少不可逆損失，既降低裝置的能耗，又提高了裝置提取率。

永利化工煤氣化系統(tǒng)配套的2×60000Nm3/h(O2)空分裝置，空氣壓縮機(jī)組選用先進(jìn)的進(jìn)口MAN TURBO設(shè)備，為一拖二設(shè)計(jì)，一臺(tái)汽輪機(jī)拖動(dòng)空壓機(jī)與增壓機(jī)，其中，增壓機(jī)型號(hào)：RG56-3（R:表示離心式；G:齒輪；56：渦殼內(nèi)的最大直徑；3：表示有3級(jí)壓縮）,主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 增壓機(jī)主要性能參數(shù)

1 增壓機(jī)故障跳車(chē)的經(jīng)過(guò)及檢查情況

兩套空分2010年10月份相繼投入生產(chǎn)運(yùn)行后，壓縮機(jī)組隨空分裝置同步運(yùn)行、維護(hù)。其中兩臺(tái)增壓機(jī)分別在2014年（2#增壓機(jī)）和2016年（1#增壓機(jī)）先后對(duì)存在制造缺陷的大齒輪進(jìn)行更新，機(jī)組的運(yùn)行可靠性得到了很大提升，2016年兩套空分裝置實(shí)現(xiàn)了全年無(wú)故障運(yùn)行。

但是，進(jìn)入2017年后，隨著煤氣化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和負(fù)荷的不斷提升，空分裝置負(fù)荷逐漸增加，壓縮機(jī)組接近滿負(fù)荷。1#增壓機(jī)先后三次出現(xiàn)了因一級(jí)軸振動(dòng)高聯(lián)鎖停機(jī)事故，造成1#空分裝置及對(duì)應(yīng)的煤氣化一個(gè)系統(tǒng)全停。

1）事故情況：第一次是在2017年4月28日14時(shí)38分，因1#增壓機(jī)一級(jí)振動(dòng)VT7211B振動(dòng)值突然升高，觸及聯(lián)鎖值跳車(chē)，造成1#空分裝置停車(chē)。

初步分析原因可能是一級(jí)級(jí)間喘振或入口管線存在溫變應(yīng)力。對(duì)此，采取了控制三級(jí)出口壓力34 bar；調(diào)整分子篩均壓時(shí)間等措施，并在DCS上設(shè)置了級(jí)運(yùn)行壓比的監(jiān)控。

第二次是在2017年12月6日13時(shí)58分16秒，同樣由于增壓機(jī)1#增壓機(jī)VT7211B振動(dòng)值高導(dǎo)致高聯(lián)鎖而跳車(chē)。此時(shí)檢測(cè)到聯(lián)鎖跳車(chē)時(shí)1級(jí)運(yùn)行壓比高于設(shè)計(jì)壓比。

分析可能原因是級(jí)間喘振導(dǎo)致了聯(lián)鎖停車(chē)。再次開(kāi)車(chē)前對(duì)增壓機(jī)喘振控制邏輯進(jìn)行臨時(shí)修改，一旦振動(dòng)值超過(guò)30，即設(shè)定回流閥自動(dòng)開(kāi)啟25%；同時(shí)聲光報(bào)警提示，便于操作及時(shí)干預(yù)。

第三次是在2018年3月13日14時(shí)20分，1#增壓機(jī)第三次因VT7211B振動(dòng)值高導(dǎo)致高聯(lián)鎖而跳車(chē)。

2）大修檢查情況:為徹底消除1#增壓機(jī)一級(jí)振動(dòng)故障的隱患，2018年4月份利用園區(qū)停工檢修機(jī)會(huì)，對(duì)1#增壓機(jī)進(jìn)行了一次大修檢查。

首先在壓縮機(jī)拆卸前，我們測(cè)量了各工藝管道的應(yīng)力與壓縮機(jī)的連接對(duì)中情況，結(jié)果均存在一定偏差。

拆卸1級(jí)葉輪密封進(jìn)氣擴(kuò)壓器后，發(fā)現(xiàn)底部密封區(qū)域有輕度的摩擦痕跡(見(jiàn)圖1)。

圖1

卸除齒輪上部后，發(fā)現(xiàn)其中1和2級(jí)小齒輪的一級(jí)側(cè)齒輪一個(gè)缺陷(見(jiàn)圖2)。

圖2

1和2級(jí)小齒輪工作面與大齒輪接觸面積只有約40%～50%左右，遠(yuǎn)低于80%的設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

2 原因分析及措施

三次故障跳車(chē)聯(lián)鎖點(diǎn)均為一級(jí)軸振高，從拆機(jī)檢查1級(jí)葉輪密封進(jìn)氣擴(kuò)壓器底部密封區(qū)域有輕度的摩擦痕跡情況看，應(yīng)該是發(fā)生了動(dòng)靜部件的摩碰，導(dǎo)致一級(jí)振動(dòng)瞬間升高，這是引發(fā)跳車(chē)的主要觸發(fā)點(diǎn)。

軸振動(dòng)記錄顯示，故障跳車(chē)觸發(fā)之前，一級(jí)軸振動(dòng)從平穩(wěn)狀態(tài)開(kāi)始有數(shù)分鐘的緩慢升高階段，說(shuō)明引起軸振動(dòng)升高的因素有一個(gè)數(shù)分鐘的發(fā)展過(guò)程。

能夠使正常運(yùn)行中設(shè)備軸振動(dòng)值升高的因素：

2.1 增壓機(jī)本體機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)部分

從增壓機(jī)本體大修檢查情況，存在一些缺陷，相關(guān)的主要問(wèn)題：一是1和2級(jí)小齒輪的一級(jí)側(cè)齒輪的缺陷；二是1和2級(jí)小齒輪工作面與大齒輪接觸面積只有約40%～50%，與要求80%以上差別較大。這些都是振動(dòng)高的原因，但只是基礎(chǔ)振值提高的因素，對(duì)已在正常運(yùn)行的設(shè)備，如果沒(méi)有其他外來(lái)因素，一般不會(huì)突發(fā)性振動(dòng)升高。

2.2 增壓機(jī)進(jìn)口氣體溫度的變化

分析三次故障情況，有一個(gè)共同點(diǎn)，均是存在增壓機(jī)進(jìn)口氣體溫度的上升時(shí)發(fā)生的。因此，不排除溫度變化與軸振動(dòng)升高的相關(guān)性。空分裝置工藝流程中，增壓機(jī)一級(jí)吸入氣體來(lái)自分子篩純化器出口，因此，其溫度主要是隨分子篩純化器出口空氣溫度而變化。

分子篩純化器簡(jiǎn)要流程（見(jiàn)圖3）。

圖3

空氣從進(jìn)口空氣過(guò)濾器出來(lái)的流程空氣被去除了塵埃和其他機(jī)械雜質(zhì)后，經(jīng)過(guò)多級(jí)離心空壓機(jī)壓縮至所需壓力。此空氣進(jìn)入雙級(jí)空冷塔，進(jìn)行清洗冷卻降溫。

從空冷塔出口出來(lái)的空氣通過(guò)分子篩純化器(R01)和(R02)所組成的一個(gè)吸附水、二氧化碳和碳?xì)浠衔锏奈较到y(tǒng)。這兩個(gè)純化器交替運(yùn)行：當(dāng)一只在運(yùn)行的時(shí)候，另一只被來(lái)自冷箱的污氮再生。在吸附劑加熱再生階段，常規(guī)再生時(shí)，污氮?dú)庠谠偕羝訜崞髦屑訜岷笏偷郊兓鳌?/p>

經(jīng)過(guò)分子篩純化器的一部分凈化空氣進(jìn)入增壓機(jī)，在空氣增壓機(jī)中壓縮至所需壓力后分為兩部分，其中一部分送入主換熱器中冷卻至適當(dāng)溫度，然后經(jīng)透平膨脹機(jī)膨脹后送入中壓塔。另一部分送入透平增壓機(jī)中增壓后的高壓空氣進(jìn)入高壓產(chǎn)品換熱器與高壓液體換熱。

分子篩再生是利用高溫解吸的原理，再生時(shí)通入熱干燥氣體把所吸附的雜質(zhì)帶出分子篩吸附器，達(dá)到設(shè)定溫度后表示再生完成。

分子篩再生時(shí)冷吹的作用：分子篩低溫吸附的特性決定分子篩一般都是在低溫時(shí)工作,所以當(dāng)加熱再生結(jié)束時(shí)，分子篩要有一定的時(shí)間用溫度低的氣體來(lái)冷卻，這就是冷吹。冷吹的作用就是使再生的分子篩溫度降低到與另個(gè)工作的分子篩一致，然后切換過(guò)來(lái)。

由于分子篩吸附屬于物理吸附，在吸附過(guò)程中，氣體分子移向固體表面，其分子運(yùn)動(dòng)速度會(huì)大大降低，因此釋放出熱量，所以吸附過(guò)程是放熱的。分子篩純化器在每次切換開(kāi)始吸附工作初期，出口空氣溫度會(huì)有一個(gè)短期溫升過(guò)程。這樣就不可避免的使增壓機(jī)入口出現(xiàn)短暫的溫度波動(dòng)。

分子篩純化器運(yùn)行程序是按時(shí)間設(shè)定的，如果加熱解吸、冷吹、并聯(lián)等任何環(huán)節(jié)期間有輕微不到位現(xiàn)象，都會(huì)體現(xiàn)在出口溫度上。從運(yùn)行記錄看，2017年4月28日、2018年3月13日兩次故障時(shí)，分子篩出口空氣溫度相對(duì)偏高。

2.3 級(jí)間喘振（見(jiàn)圖4）

圖4

喘振是離心壓縮機(jī)固有特性，它是離心式壓縮機(jī)一種不穩(wěn)定狀態(tài)。從離心壓縮機(jī)特性曲線可以看到，出現(xiàn)喘振的主要原因：一是壓縮機(jī)的體積流量過(guò)小接近或進(jìn)入喘振區(qū)；二是由于壓縮機(jī)的壓比過(guò)高，接近或進(jìn)入喘振區(qū)，就會(huì)容易產(chǎn)生喘振。

另外，喘振發(fā)生與氣體介質(zhì)的狀態(tài)也有較大關(guān)系，一般來(lái)講，入口溫度恒壓恒轉(zhuǎn)速下氣體入口溫度越高，越容易發(fā)生喘振；

2017年4月28日、2018年3月13日兩次故障就是氣體入口溫度相對(duì)偏高；2017年12月6日則是一級(jí)運(yùn)行壓比高于設(shè)計(jì)壓比。不排除以上情況是接近喘振工況，而造成轉(zhuǎn)子軸振動(dòng)升高。

2.4 工藝管線熱應(yīng)力

工藝管線與機(jī)組之間的應(yīng)力是常見(jiàn)的導(dǎo)致離心式壓縮機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異常的原因之一。其對(duì)機(jī)組的影響較為顯著，經(jīng)常會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子軸振動(dòng)升高等問(wèn)題。

工藝管線應(yīng)力通常產(chǎn)生于其安裝和運(yùn)行過(guò)程中，主要分為殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力兩種類型，導(dǎo)致其應(yīng)力產(chǎn)生的原因主要包括以下兩個(gè)方面：其一，機(jī)組安裝或檢修階段管線與機(jī)組對(duì)中存在偏差，未采取有效的應(yīng)力消除措施，導(dǎo)致工藝管線與機(jī)組之間殘留著一定的安裝應(yīng)力。其二，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，工藝管線中流動(dòng)介質(zhì)存在較大的溫差變化，導(dǎo)致工藝管線膨脹變形不均衡，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，無(wú)法抵消的應(yīng)力就會(huì)導(dǎo)致機(jī)組位移。

另外，離心式壓縮機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中本身會(huì)產(chǎn)生高溫，因此會(huì)導(dǎo)致機(jī)組本體以及與其相連接的工藝管線溫度出現(xiàn)增高，進(jìn)而產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)力。

1#增壓機(jī)一級(jí)進(jìn)出口管線均未設(shè)置膨脹節(jié)；從本次大修檢查情況看，本身存在工藝管線與機(jī)組對(duì)中偏差；2017年4月28日、2018年3月13日兩次故障時(shí)氣體入口溫度相對(duì)偏高；這些都是可能引起管線應(yīng)力的關(guān)鍵因素。

3 結(jié)論

壓縮機(jī)振動(dòng)問(wèn)題是一個(gè)普遍性的難題，原因十分復(fù)雜，通常會(huì)是幾種因素相互疊加、相互作用引發(fā)。就本機(jī)而言，齒輪缺陷和齒輪嚙合接觸面積機(jī)組機(jī)械性能下降，壓縮機(jī)運(yùn)行中基礎(chǔ)振值就偏高；分子篩純化器運(yùn)行參數(shù)偏離致使壓縮機(jī)入口空氣溫度波動(dòng)，入口空氣溫度的波動(dòng)是壓縮機(jī)工況波動(dòng)的主要因素，又可能引起工藝管線膨脹變形產(chǎn)生熱應(yīng)力。在增壓機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，由于基礎(chǔ)振值偏高，上述任何波動(dòng)都有可能引發(fā)軸振動(dòng)幅度超過(guò)1級(jí)葉輪進(jìn)氣擴(kuò)壓器密封間隙，引起動(dòng)靜磨碰，造成轉(zhuǎn)子軸振突發(fā)性升高。

4 措施

1）首先就是要保障機(jī)組機(jī)械性能處于最佳穩(wěn)定狀態(tài)。依照檢修規(guī)程按時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢查、維修，及時(shí)消除潛在問(wèn)題。

2）優(yōu)化分子篩純化器運(yùn)行，適當(dāng)調(diào)整各程序參數(shù)，保持純化系統(tǒng)穩(wěn)定，避免產(chǎn)生氣體溫度的較大波動(dòng)。

3）優(yōu)化壓縮機(jī)防喘振系統(tǒng)。由于增壓機(jī)一級(jí)出口設(shè)計(jì)沒(méi)有回流控制，當(dāng)一級(jí)壓比升高可能進(jìn)入級(jí)間喘振工況后，設(shè)置適當(dāng)?shù)姆来癯绦颍煌瑫r(shí)設(shè)置振值升高時(shí)自動(dòng)降負(fù)荷程序。

4）適當(dāng)機(jī)會(huì)在工藝管線上加裝具有較大變形補(bǔ)償量的金屬波紋管膨脹節(jié)；經(jīng)常檢查工藝管線支吊架，根據(jù)離心式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)安裝規(guī)范，及時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)與相連接的工藝管線的無(wú)應(yīng)力連接；消除工藝管線應(yīng)力影響。

以上所有分析和措施只是基于目前認(rèn)知范圍內(nèi)的初步安排，并不一定能涵蓋全部問(wèn)題，有些措施還是以犧牲運(yùn)行效率來(lái)保障可靠性。對(duì)于未知的和深層次原因，已經(jīng)與國(guó)外制造商進(jìn)一步溝通，同時(shí)就機(jī)組運(yùn)行效率與可靠性的平衡點(diǎn)進(jìn)行深入的研討。