氫氣增壓汽輪機軸振動增大原因及解決措施

王 添

（中國石化青島煉油化工有限責任公司，山東青島266500）

某煉化公司180×104t/a連續重整裝置采用UOP的3代超低壓連續重整反應與再生工藝技術。裝置設2臺多級離心壓縮機組，即重整循環氫壓縮機K-201和氫氣增壓壓縮機K-202，均位于含氫氣體系統中，用以實現含氫氣體的循環與外送。

1 系統簡介

1.1 流程簡述

重整原料經重整反應后進入重整產物分液罐D-201，D-201頂含氫氣體經K-201增壓后大部分作為循環氫返回至重整反應系統，剩余部分氣體經空冷A-202冷卻后至D-202分液，其頂部氣體經增壓機K-202的1級壓縮后，再經空冷A-203冷卻后進入D-203分液，其頂部氣體再進入K-202，進行2級壓縮后，與經過泵P-201升壓后的重整生成油進行再接觸以回收含氫氣體中的輕烴。再接觸罐D-204頂分離出的氫氣經脫氯后進氫氣管網供外部加氫裝置使用。

考慮到機組安全穩定運行，K-202需要避開喘振工況，在K-202的1、2級壓縮機出口均設置了防喘振控制閥，防止機組發生喘振，流程見圖1。

1.2 工藝控制

K-201需完成重整循環氫輸送和重整產氫1級壓縮的任務，K-202需完成將K-201出口1級增壓的重整產氫增壓送至氫管網的任務。重整反應產物分液罐D-201壓力是關系到裝置平穩操作及反應性能的重要控制參數，工藝要求必須穩定［1］。因重整是產氫反應，故重整產氫必須經K-201的1級增壓后再由K-202繼續增壓后送至管網，增壓氫量過少或過多D-201壓力都無法穩定，所以需要用增壓氫量來控制D-201壓力。

圖1 壓縮機系統流程

D-201壓力控制回路見圖2。

圖2 D-201壓力控制回路

D-201壓力控制方案為：K-201入口罐D-201壓力（PIC-20801）—K-202入口罐D-202壓力（PIC-21001A）—氫氣增壓機K-202轉速控制器（SIC-26404）多串級控制，即通過調整K-202轉速調整氫氣外送量，而達到控制D-201壓力的作用。

1.3 設備概況

K-201（BCL904+BCL905）、K-202（BCL707+BCL708）均采用沈鼓1拖2型機組（1臺汽輪機帶動2臺壓縮機），以3.5 MPa蒸汽驅動的背壓式汽輪機（K-201背壓為0.45 MPa，K-202背壓為1.0 MPa）為其驅動機。其設計技術參數見表1、2。

表1 K-201汽輪機技術參數

表2 K-202汽輪機技術參數

2 問題描述

由于疫情影響，重整裝置加工負荷降低，最低降至53%。由于低負荷運行，重整反應產氫量降低，K-201、K-202壓縮氣體量相應降低；產氫量減少導致重整反應器壓力下降，為維持壓力，需增大循環氫量。提高K-201返回重整反應器的循環氫量勢必導致K-202的壓縮氣體量進一步降低。

當裝置加工負荷降至80%、K-202入口流量降至70 000 Nm3/h，汽輪機軸振動開始出現升高趨勢，而后隨著裝置加工負荷的持續降低，汽輪機軸振動峰值最高達到77μm。軸振動偏高會加速汽輪機軸承磨損，不僅增加了設備故障風險，而且對裝置的安全平穩運行造成很大隱患［2，3］。裝置滿負荷與最低負荷53%時K-202運行參數對比見表3。

表3 裝置滿負荷與53%負荷時K-202運行參數

3 問題分析

3.1 研究汽輪機軸振動與轉速的關系

由于K-202汽輪機軸振動問題是在裝置加工負荷降低的時候產生的，所以首先從裝置運行狀態的變化，也就是加工負荷降低角度來分析問題，以尋求加工負荷降低與軸承增大之間的關聯。

裝置加工量直接關系到重整反應產氫量，加工量降低則產氫量降低，相應的K-202的入口流量降低。但是產氫量的影響因素很多，比如原料組成、反應苛刻度以及催化劑性能等等，所以裝置的加工負荷與產氫量沒有必然的對應關系［4］，不能直接用來關聯K-202的運轉狀態，用K-202的入口流量來關聯K-202的運轉狀態更為準確、直觀。

K-202的入口氣體來自D-202頂，氣體流量表測量波動較大較難觀察。而D-202頂氣體流量與D-202壓力直接相關，所以可用D-202壓力來代替K-202的入口流量來關聯K-202的運轉狀態。由上述工藝控制要求可知，D-202壓力控制K-202轉速，所以用K-202轉速來關聯K-202的運轉狀態最為準確。

觀察K-202汽輪機的運轉參數變化發現，在蒸汽耗量＜80 t/h、轉速＜6 350 rpm時，軸振動開始增大，轉速越低軸振動越大。由此可初步認為K-202汽輪機的軸振動與轉速降低有關，可能是進入了臨界轉速。臨界轉速下轉子（即軸承）會發生強烈振動，振幅突然驟增且非常劇烈［5］。

在K-202啟動的過程中，需要注意檢查透平在1 500 rpm、2 300 rpm下運行情況，確認正常后，點擊機組“越臨界轉速”按鈕，透平轉速將自動快速越過臨界轉速，升至調速器控制轉速5 338 rpm下運行。查閱相關資料，得知K-202汽輪機的臨界轉速在2 500～5 200 rpm范圍內。

但是觀察K-202汽輪機的運行記錄發現，汽輪機的轉速一直維持在6 000 rpm以上，處于正常運行范圍內，距離臨界轉速范圍還較遠，但是考慮到臨界轉速只是規定了軸承發生強烈振動的情況，不排除由于靠近臨界轉速而使軸承振動有升高的趨勢。

繼續對比K-202汽輪機的運行記錄，發現此前K-202汽輪機的轉速有很多＜6 000 rpm的情況，軸振動并未出現較大變化，由此可得知“K-202汽輪機的軸振動與轉速降低有關”的設想不成立。

3.2 研究汽輪機軸振動與喘振的關系

由于K-202采用1拖2型機組，1臺汽輪機帶動2臺壓縮機，2臺壓縮機的定子與汽輪機的軸承通過聯軸器相連，通過汽輪機軸承的轉動來帶動2臺壓縮機轉子運行。如果壓縮機出現喘振現象，必然會導致汽輪機軸承振動升高。

對于離心式壓縮機來說，當進入機體的氣體流量小于機組該工況下的最小流量或背壓大于壓縮機出口壓力時，出口管道氣體會倒流至壓縮機；當壓縮機機體出口壓力大于出口管道壓力時，壓縮機又開始排氣，氣流產生強烈的往復脈沖，氣流強烈的無規律震蕩引起機組強烈震動，并發出“哮喘”或“吼叫聲”，此種現象稱為喘振［6］。

K-202的1、2級出口均設置了防喘振控制閥，當壓比高、流量低時，防喘控制控制程序會打開防喘閥，將出口氣返回入口，防止機組喘振。K-202的防喘振控制經過改造后使用美國壓縮機控制公司CCC控制系統，通過壓比高限防喘振控制和流量低限防喘振控制方案來進行防喘振控制。

壓比高限防喘振控制即設置了壓縮機2級出口壓力高限控制（設定點2.3 MPa）和壓縮機1級入口壓力低限控制（設定點0.3 MPa）。當壓力達到設定點時，打開回流閥，以保持壓力不超限；流量低限防喘振控制即CCC的喘振控制通過測量入口流量、出入口壓力、出入口溫度來對1級壓縮機和2級壓縮機分別實時計算出1個無量綱的S值作為控制的測量值，并以S值定義壓縮機運行點在性能曲線圖中的精確坐標位置，當壓縮機運行點在性能曲線圖中的坐標位置進入防喘振區域時，就會打開回流閥，防止喘振的發生［7］。

在K-202入口流量和壓力降低過程中，2級出口壓力和1級入口壓力沒有觸及壓比高限；入口流量的降低導致1級和2級壓縮機的運行點向防喘振區域靠近，但是未進入防喘振區域，防喘振回流閥也未開啟。考慮到防喘振區域設置有可能存在偏差，所以不排除壓縮機出現輕微喘振的可能性。

觀察分析壓縮機的實際運行狀態，發現在汽輪機軸振動增大的這段時間內，1級和2級壓縮機的運轉參數并沒有大幅度波動的現象，定子溫度處于69～73℃之間、徑向振動處于13～16μm之間，均為正常波動范圍。所以可以排除“由于壓縮機喘振引起汽輪機軸振動增大”的設想。

3.3 研究汽輪機軸振動與功率的關系

K-202的1級壓縮機負責K-201出口氣體的1級增壓，2級壓縮機負責將1級壓縮機出口氣體增壓送至氫管網，壓縮過程可近似看做絕熱壓縮。

氫氣管網壓力保持穩定，一般為1.9 MPa，不隨重整產氫量的變化而變化，所以在重整加工負荷降低、產氫量減少時，K-202入口壓力的降低必定導致K-202需要做更多的功（相同壓縮氣體量），才能保證將氣體增壓至氫氣管網壓力。

K-202的2級壓縮機負責將氣體增壓至氫氣管網壓力，也就是說K-202的2級壓縮機出口壓力必須保持穩定，但是同時K-202的1級壓縮機出口壓力并沒有硬性的規定。所以一旦重整產氫量減少，K-202入口壓力下降，必定導致1級壓縮機出口壓力下降，相應的2級壓縮機入口壓力下降，則2級壓縮機需要的功率增大（相同壓縮氣體量），然后就會提高壓縮機的轉速，隨著壓縮機轉速提高，1級壓縮機的功率也會相應的增加。但是K-202汽輪機2側的1、2級壓縮機功率變化量無法確定，就可能會導致K-202汽輪機2側的壓縮機功率差距增大。K-202汽輪機2側的壓縮機功率相差過大導致汽輪機2側負荷不平衡，汽輪機運行狀態不好，使軸振動增大。

接下來將計算K-202不同入口流量的狀態下，壓縮機和汽輪機的功率，并和K-202汽輪機軸振動值作對比，以尋找功率與軸振動之間的關系。裝置處理負荷降低期間，不同入口流量下K-202運轉參數見表4。

表4 不同入口流量下K-202運行參數

理想氣體在離心機內的壓縮過程和在控制閥內的節流過程可視為絕熱過程，其過程理想做功如式（1）、（2）所示。

由式（1）可知，能耗與氣體流量、氣體入口溫度、壓比和氣體絕熱指數有關。查閱該裝置設計數據，r變化范圍為1.26～1.36，為簡化分析，K-202的1級壓縮絕熱指數可視為常數1.29，2級壓縮絕熱指數可視為常數1.3。

式中Ps—入口壓力；Pd—出口壓力；P0——標準狀態壓力；Ts—入口溫度；Td—出口溫度；T0—標準狀態溫度；V—入口流量；Vd—出口流量；V0—標準狀態下流量；r—氣體絕熱指數；Ws—過程軸功，大于0，為壓縮機對氣體所做的軸功；小于0，為氣體對用功或耗功設備所做軸功。

計算時需注意：表4中的壓力單位均為表壓，而公式（1）中的壓力單位均為絕壓，需要進行換算；表4中的溫度單位均為攝氏度，而公式（1）中的溫度單位均為開爾文，需要進行換算。進而根據公式（1）、（2）對各級功率進行計算，同時用蒸汽做功對汽輪機功率進行估算，計算結果見表5。

表5 K-202壓縮機與汽輪機功率的計算結果

對于K-202，若汽輪機功率越小，1、2級壓縮機功率差值越大，則汽輪機運轉越不平衡，軸振動將增大。將1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比和汽輪機軸振動做成趨勢圖，見圖3。

由圖3可以看出，排除數據采集偏差，1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比和汽輪機軸振動存在相關趨勢，即1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比越大，汽輪機的軸振動越高。

為了驗證所得的結論，尋找與此次裝置加工負荷降低、汽輪機軸振動增大類似的運行狀態，來驗證上述推論是否正確。裝置類似低負荷運行情況下K-202的壓縮機和汽輪機功率計算見表6。

圖3 壓縮機功率差值占比與軸振動趨勢

表6 類似情況下K-202壓縮機與汽輪機功率

將1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比和汽輪機軸振動做成趨勢圖，見圖4。

圖4 壓縮機功率差值占比與軸振動趨勢

由圖4可見，排除數據采集偏差，裝置類似低負荷運行情況下，1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比越大，汽輪機的軸振動越高，與上述推論相同，說明推論成立。

3.4 判定標準

根據上述分析，可以得知1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比越大，汽輪機軸振動越大。接下來將取多組數值，嘗試尋找汽輪機軸振動增大的判定標準，見表7，并做成趨勢圖見圖5。

表7 壓縮機功率差值占比與軸振動

圖5 壓縮機功率差值占比與軸振動趨勢

由圖5可以看出，排除數據采集偏差，1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比＜0.07時，汽輪機軸振動維持30μm左右；1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比＞0.07時，汽輪機軸振動開始增大，并且占比越大，汽輪機的軸振動越大。

4 問題解決

經研究得知，減小1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比，是解決K-202汽輪機軸振動增大的有效手段，可以從2方面入手：減小1、2級壓縮機功率差值或是增加汽輪機的功率。

4.1 減小1、2級壓縮機功率差值

K-202的1級壓縮機的功率比2級壓縮機功率大，要減小1、2級壓縮機功率差值，就需減少1級壓縮機的功率或是增加2級壓縮機的功率。

4.1.1減少1級壓縮機功率此處將2級壓縮機功率作為定量、1級壓縮機功率作為變量來討論。

通過公式（1）、（2）可知，若要減少1級壓縮機功率，可以降低其Pd/Ps，或降低其PsVs。

降低1級壓縮機的Pd/Ps，即降低Pd或提高Ps。降低Pd沒有直接手段，只能降低1級壓縮機入口流量、壓力，與提高Ps相矛盾；提高Ps又與降低PsVs相矛盾，功率變化難以確定。所以此方法不可行。

將壓縮氣體近似看做理想氣體，根據公式（2），若要降低PsVs則可以通過降低P0V0/T0或是降低Ts來實現。在入口氣體流量不變、組分不變的情況下，P0V0/T0=nR（n—物質的量，R—普適氣體常量）為定值，無法調節。若要降低P0V0/T0則必須降低n，即降低入口氣體流量，但必定會降低2級壓縮機入口氣體流量，導致2級壓縮機的功率降低，與前提假設相矛盾；降低Ts，會使D-202內的部分輕烴從氣相中析出，同樣會降低1級壓縮機入口氣體流量。所以此方法不可行。

4.1.2增加2級壓縮機功率此處將1級壓縮機功率作為定量、2級壓縮機功率作為變量來討論。

通過公式（1）、（2）可知，若要增加2級壓縮機功率，可以提高Pd/Ps，或是提高2級壓縮機的PsVs。

2級壓縮機出口壓力Ps關系到氫氣管網壓力，基本保持不變，提高Pd/Ps只需要降低Ps即可。但是降低Ps又與降低PsVs相矛盾，功率變化難以確定。所以此方法不可行。

在1級壓縮機運行條件不變的情況下，提高2級壓縮機入口氣體流量可以采取2種方法：提高Ts使分液罐D-203中部分輕烴蒸發進入含氫氣體，以及手動稍開2級壓縮機防喘振閥將部分出口氣體返回至入口。同時，提高2級壓縮機入口氣體流量會提高K-202整體功率，也就會提高K-202汽輪機功率，對問題的解決也是有利的。

（1）提高Ts。在2級壓縮機入口氣體中混入部分輕烴，所以Ts不能提高太多，防止混入輕烴過多導致在2級壓縮的的過程中從氣相中析出，損壞壓縮機內構件，以Ts＜60℃為宜。隨后對措施進行了實施應用，實施前后對比見表8。

表8 提高Ts前后K-202運行參數對比

由表8可以看出，排除生產波動和排除數據采集偏差，2級壓縮機入口溫度Ts提高后，入口氣體流量增加，功率增加，同時汽輪機的功率增加，1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比減小，軸振動明顯降低，措施有效。

（2）開2級壓縮機防喘振閥。在裝置加工負荷持續降低，同時A-203已經沒有調整余地來提高Ts的情況下，手動稍開2級壓縮機防喘振閥將部分出口氣體返回至入口以增加入口氣體流量。措施實施前后對比見表9。

表9 稍開2級防喘振閥前后K-202運行參數

由表9可以看出，排除生產波動和排除數據采集偏差，稍開2級壓縮機防喘振閥后，入口氣體流量增加，功率增加，同時汽輪機的功率增加，1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比減小，軸振動明顯降低，措施有效。

4.2 增加汽輪機功率

在入口氣體流量、組成不變情況下，1級壓縮機功率無法調節。若要改變入口氣體流量、組成，可通過調整進料量、組成來實現，但是裝置進料量、組成需要通過全廠的物料平衡來調節，并和采購的原油有關，無法調整；也可以提高入口溫度Ts，使部分輕烴蒸發進入含氫氣體，以及手動稍開1級壓縮機防喘振閥將出口部分氣體返回至入口。

優化后，提高1級壓縮機入口氣體流量，也就提高了K-202入口氣體流量，相當于提高裝置負荷產生了更多含氫氣體，在理論上是可以增加汽輪機的功率并降低K-202汽輪機軸振動。

但是由于調整K-202的2級壓縮機入口溫度和防喘振閥之后，汽輪機軸振動偏高問題已經解決。為保證裝置安全平穩生產，不再嘗試不同方法進行調整，以免造成生產波動，產生不利影響。

5 結束語

重整裝置在低負荷運行狀態下，產氫量大幅度降低，使氫氣增壓機K-202的1、2級壓縮機功率差值增大，同時汽輪機功率減小，從而1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比增大，導致汽輪機軸振動增大。長時間的軸振動偏高會加速汽輪機軸承磨損，不僅增加設備故障風險，且對裝置平穩運行造成隱患。針對具體原因，從壓縮功率公式角度出發，依據減少裝置調整波動的原則，僅通過提高2級壓縮機入口氣體溫度和稍開2級壓縮機防喘振閥，減少了1、2級壓縮機功率差值在汽輪機功率中的占比，成功降低了汽輪機軸振動，消除了設備隱患，保障了裝置安全平穩運行。