空氣壓縮機(jī)導(dǎo)葉閥故障原因分析及改進(jìn)措施

張起源

（中國(guó)石化巴陵石化分公司煤化工部，湖南岳陽(yáng) 414003）

某企業(yè)煤氣化裝置空分單元的空氣壓縮機(jī)采用的是四級(jí)離心式壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的安全可靠運(yùn)行對(duì)生產(chǎn)意義重大。喘振是離心式壓縮機(jī)在入口流量減少到一定程度時(shí)所發(fā)生的一種非正常工況下的振動(dòng)，對(duì)于離心式壓縮機(jī)有嚴(yán)重?fù)p害[1]。壓縮機(jī)的流量控制通過(guò)改變?nèi)肟趯?dǎo)葉閥的導(dǎo)葉葉片開(kāi)度即旋轉(zhuǎn)角度來(lái)控制進(jìn)氣量大小，由分散控制系統(tǒng)（DCS）根據(jù)導(dǎo)葉閥進(jìn)口流量經(jīng)過(guò)比例積分微分（PID）運(yùn)算發(fā)出4～20 mA控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)閥門(mén)定位器使活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)連桿控制導(dǎo)葉葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)[2]。離心式壓縮機(jī)設(shè)有防喘振的自動(dòng)放散閥，一旦出口壓力過(guò)高，壓縮機(jī)接近喘振區(qū)或者發(fā)生喘振時(shí)，該閥門(mén)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，以解除喘振。

煤氣化裝置因空氣壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉閥HV1111故障造成兩次非計(jì)劃停車(chē)，從停車(chē)狀況來(lái)看，導(dǎo)葉葉片開(kāi)度突然過(guò)小或過(guò)大都會(huì)直接引發(fā)空氣壓縮機(jī)防喘振動(dòng)作造成裝置停車(chē)。該文分析了導(dǎo)葉閥產(chǎn)生故障的原因，并提出改進(jìn)措施，防止再次發(fā)生因空氣壓縮機(jī)導(dǎo)葉閥故障而停車(chē)，保證了裝置的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 導(dǎo)葉閥結(jié)構(gòu)及故障經(jīng)過(guò)

1.1 導(dǎo)葉閥結(jié)構(gòu)

空氣壓縮機(jī)2006 年投用，入口導(dǎo)葉閥HV1111執(zhí)行機(jī)構(gòu)型號(hào)為Fisher3030SF，控制附件為智能定 位器DVC6200，減壓閥95H，過(guò)濾器262K。空氣 壓縮機(jī)導(dǎo)葉閥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

導(dǎo)葉閥主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、活塞桿、氣源閥、過(guò)濾器、氣源減壓閥、智能定位器等部件組成。導(dǎo)葉閥定位器接收來(lái)自DCS 控制系統(tǒng)的4 ～20 mA 控制信號(hào)，根據(jù)信號(hào)大小將其轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的0.02～0.1 MPa氣源信號(hào)作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣缸，通過(guò)在氣缸上下兩側(cè)形成壓力差，活塞帶動(dòng)活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連桿控制導(dǎo)葉葉片的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉葉片的開(kāi)關(guān)。當(dāng)定位器接收到4 mA控制指令時(shí)，導(dǎo)葉葉片全開(kāi)；當(dāng)定位器接收到20 mA控制指令時(shí)，導(dǎo)葉葉片全關(guān)，同時(shí)將導(dǎo)葉葉片的動(dòng)作情況通過(guò)位置傳感器反饋給閥門(mén)定位器，由閥門(mén)定位器輸出4～20 mA閥位反饋信號(hào)，在DCS系統(tǒng)上進(jìn)行顯示。

圖1 空氣壓縮機(jī)導(dǎo)葉閥結(jié)構(gòu)

1.2 導(dǎo)葉閥故障經(jīng)過(guò)

2020 年11 月15 日煤氣化裝置空分單元空氣壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉閥HV1111 導(dǎo)葉葉片由43%快速關(guān)閉至14%，壓縮機(jī)入口流量低造成防喘振閥FV1110全開(kāi)，冷箱聯(lián)鎖空分停車(chē)，進(jìn)而氧氣中斷導(dǎo)致氣化單元聯(lián)鎖停車(chē)。經(jīng)分析判斷為HV1111 閥門(mén)定位器故障，更換定位器并增加機(jī)械下限位后重新開(kāi)車(chē)。

11月16日HV1111導(dǎo)葉葉片突然由40%全開(kāi)至100%，壓縮機(jī)入口流量PDI1110 超過(guò)量程上限16 kPa，綜合控制系統(tǒng)（ITCC）設(shè)置為當(dāng)PDI1110超量程時(shí)，壓縮機(jī)入口流量指示為0，防喘振閥FV1110全開(kāi)，冷箱聯(lián)鎖停車(chē)，氧氣中斷導(dǎo)致氣化裝置聯(lián)鎖停車(chē)。

11 月20 日HV1111 導(dǎo)葉葉片再次突然關(guān)小至下限位32.5%（控制器命令輸出為40%～50%，但 實(shí)際閥門(mén)一直在下限位）造成空分短時(shí)間內(nèi)降負(fù)荷運(yùn)行，空氣負(fù)荷由236 000 Nm3/h降低到215 000 Nm3/h，氬系統(tǒng)發(fā)生氮塞停運(yùn)的嚴(yán)重情況。

11月25日HV1111導(dǎo)葉葉片又出現(xiàn)突然關(guān)至下限位，嘗試開(kāi)關(guān)多次后才打開(kāi)。

12 月1 日HV1111 導(dǎo)葉葉片再次出現(xiàn)突然關(guān)閉至下限位的情況，空氣負(fù)荷由238 000 Nm3/h 降低到230 000 Nm3/h左右。反復(fù)開(kāi)關(guān)20多次仍無(wú)法打開(kāi)，過(guò)程持續(xù)時(shí)間達(dá)35 min，后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)短時(shí)斷開(kāi)氣源的方法，導(dǎo)葉閥才開(kāi)始工作。

2021 年1 月9 日HV1111 導(dǎo)葉 葉片再次突然關(guān)小至下限位，總控?zé)o法調(diào)節(jié)閥門(mén)，閥門(mén)一直處于下限位狀態(tài)。反復(fù)嘗試開(kāi)大關(guān)小閥門(mén)、現(xiàn)場(chǎng)停儀表氣源、現(xiàn)場(chǎng)拆下氣缸氣源管等方式都無(wú)法開(kāi)大閥門(mén)。只能通過(guò)直接在閥門(mén)上氣缸加壓的方式才得以開(kāi)大閥門(mén)，處理過(guò)程中氣缸漏氣。

2 原因分析

針對(duì)導(dǎo)葉閥故障可能存在的原因進(jìn)行了分析，主要有以下幾點(diǎn)。

2.1 定位器故障及行程參數(shù)設(shè)置不合理

定位器故障。第一次停車(chē)后，檢查了導(dǎo)葉閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)械部件的動(dòng)作情況，判斷導(dǎo)葉閥HV1111定位器存在故障導(dǎo)致導(dǎo)葉葉片關(guān)小。

定位器參數(shù)設(shè)置不夠合理。第一次停車(chē)后定位器的行程整定參數(shù)由最慢響應(yīng)C設(shè)置為較快響應(yīng)H，閥門(mén)空載動(dòng)作正常，由于閥門(mén)參數(shù)的設(shè)定都是在閥門(mén)空載下進(jìn)行，閥門(mén)帶載后定位器響應(yīng)不夠迅速，閥門(mén)在0%～50%行程部分有卡澀現(xiàn)象。

2.2 感應(yīng)磁條偏轉(zhuǎn)及感應(yīng)行程過(guò)大

感應(yīng)磁條偏轉(zhuǎn)。由于空氣壓縮機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致磁條固定軸存在一定角度偏轉(zhuǎn)，安裝于軸上的行程傳感器磁條也隨之偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致定位器測(cè)量到的磁場(chǎng)大小發(fā)生改變，從而導(dǎo)致在導(dǎo)葉葉片沒(méi)有動(dòng)作的情況下，定位器檢測(cè)到的閥位隨著磁條的偏轉(zhuǎn)發(fā)生變化。在導(dǎo)葉葉片不動(dòng)的情況下，閥位反饋磁條的偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致閥位反饋信號(hào)超過(guò)10%的變化時(shí)，閥位反饋信號(hào)的偏差會(huì)導(dǎo)致定位器短時(shí)間內(nèi)無(wú)法跟蹤給定信號(hào)，導(dǎo)葉葉片出現(xiàn)動(dòng)作滯后以及突然打開(kāi)或關(guān)閉的風(fēng)險(xiǎn)。

磁條感應(yīng)行程過(guò)大。使用的感應(yīng)磁條能檢測(cè)到的行程范圍為0 ～110 mm，而閥門(mén)的實(shí)際反饋行程為0～18 mm，磁條的感應(yīng)行程過(guò)大導(dǎo)致閥位反饋信號(hào)測(cè)量誤差由0.5%放大至1%。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)竄氣

執(zhí)行機(jī)構(gòu)竄氣嚴(yán)重，導(dǎo)致導(dǎo)葉葉片通過(guò)多種手段都無(wú)法打開(kāi)。檢查后發(fā)現(xiàn)是因?yàn)閷?dǎo)葉閥動(dòng)作頻率較高，氣缸活塞和氣缸內(nèi)壁經(jīng)常處于摩擦狀態(tài)，造成密封件磨損嚴(yán)重密封性變差，致使氣缸竄氣造成導(dǎo)葉閥失控。

3 改進(jìn)措施

3.1 更換定位器并優(yōu)化定位器行程整定參數(shù)

更換定位器。將原DVC6200定位器更換為智能型分體式定位器DVC6205＋DVC6215，分體式定位器控制信號(hào)4～20 mA，自帶位置反饋。

優(yōu)化定位器行程整定參數(shù)。將定位器行程整定參數(shù)H改為最快響應(yīng)M，重新對(duì)定位器進(jìn)行了校驗(yàn)，閥門(mén)動(dòng)作正常。空分開(kāi)車(chē)后對(duì)導(dǎo)葉閥進(jìn)行帶載測(cè)試，閥位反饋信號(hào)與控制信號(hào)偏差小于1%，閥門(mén)運(yùn)行穩(wěn)定。

3.2 固定感應(yīng)磁條轉(zhuǎn)軸并更換磁條

固定閥位感應(yīng)磁條的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行加固以防止發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且將閥位反饋磁條長(zhǎng)度從110 mm 更換為50 mm。

3.3 增加機(jī)械上下限位

為防止導(dǎo)葉葉片突然關(guān)閉或打開(kāi)，根據(jù)正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)葉葉片開(kāi)度情況，現(xiàn)場(chǎng)增加機(jī)械上下限位。目前上限位設(shè)置為導(dǎo)葉葉片開(kāi)度的53.5%，下限位設(shè)置為導(dǎo)葉葉片開(kāi)度的30%。機(jī)械上下限位示意見(jiàn)圖2。

3.4 更換執(zhí)行機(jī)構(gòu)

更換新執(zhí)行機(jī)構(gòu)PS32-S01/1X，解決執(zhí)行機(jī)構(gòu)的竄氣問(wèn)題。新執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶有成套安裝的失氣保位閥377和成套安裝在定位器上的過(guò)濾減壓閥67CFR。雙作用氣缸失電、失信號(hào)時(shí)故障開(kāi)，失氣時(shí)故障保位。控制信號(hào)為4～20 mA，4 mA活塞桿完全伸出，20 mA活塞桿完全縮回。

圖2 機(jī)械上下限位

3.5 增加偏差報(bào)警

為監(jiān)控閥門(mén)出現(xiàn)卡澀等異常情況，增加FIC2615（空壓機(jī)入口導(dǎo)葉流量控制器）與PIC2615（空壓機(jī)入口導(dǎo)葉壓力控制器）選小后的輸出值與導(dǎo)葉閥位反饋信號(hào)正負(fù)偏差為5%的一級(jí)報(bào)警，同時(shí)將導(dǎo)葉閥位置反饋信號(hào)趨勢(shì)圖放在DCS主動(dòng)性監(jiān)控屏幕來(lái)加強(qiáng)監(jiān)控，增加閥門(mén)定位器HART信號(hào)在線診斷 過(guò)程。

3.6 制定以可靠性為中心的預(yù)防性維修（RCM）策略

為保證裝置長(zhǎng)周期的安全運(yùn)行，將空壓機(jī)入口導(dǎo)葉閥HV1111納入RCM管理。RCM管理是通過(guò)分析設(shè)備功能以及故障模式，采用安全以及最小資源消耗的維修策略，確定設(shè)備的維修級(jí)別、類(lèi)型、內(nèi)容以及檢修頻率，達(dá)到優(yōu)化維修的目的。首先將導(dǎo)葉閥HV1111 識(shí)別為裝置安全關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)制造商提供的指導(dǎo)性設(shè)備平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間為5 年，通過(guò)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、定位器、儀表氣源的失效模式和失效原因進(jìn)行分析，確定設(shè)備維修頻率為大修期2年，最終編制預(yù)防性維修工單。工單內(nèi)容包括：在日常維護(hù)中要經(jīng)常檢查緊固感應(yīng)磁條轉(zhuǎn)軸，加強(qiáng)對(duì)閥位反饋信號(hào)的監(jiān)控；每次大修期間對(duì)定位器進(jìn)行診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)類(lèi)似缺陷；對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行泄漏性測(cè)試，檢查是否竄氣；并且制定合理的更換周期對(duì)閥門(mén)定期進(jìn)行更換，預(yù)防因設(shè)備老化引起的故障，每次大修定期觸發(fā)并執(zhí)行。

4 改進(jìn)效果

以上措施取得了較為明顯的效果。導(dǎo)葉閥運(yùn)行狀況良好，再未出現(xiàn)導(dǎo)葉葉片開(kāi)度突然過(guò)大或過(guò)小的現(xiàn)象，有效提高了導(dǎo)葉閥工作穩(wěn)定性，成功消除安全隱患，有利于裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

5 結(jié)論

（1）某石化企業(yè)煤化工部空氣壓縮機(jī)入口導(dǎo)葉閥故障的原因是定位器故障和行程整定參數(shù)設(shè)置不夠合理、感應(yīng)磁條固定軸偏轉(zhuǎn)和感應(yīng)行程過(guò)大導(dǎo)致閥位反饋信號(hào)精度不高，同時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，內(nèi)部密封件老化。

（2）首先通過(guò)更換定位器并重新設(shè)置行程整定參數(shù)、更換感應(yīng)磁條并固定其轉(zhuǎn)軸、增加機(jī)械上下限位和偏差報(bào)警等措施，保證裝置正常生產(chǎn)；然后通過(guò)更換新的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，徹底解決了空壓機(jī)導(dǎo)葉閥反復(fù)發(fā)生的故障問(wèn)題。

（3）通過(guò)執(zhí)行導(dǎo)葉閥的預(yù)防性維修，使得設(shè)備維修管理有序，設(shè)備維修檔案記錄有追溯，合理的維修頻率同時(shí)意味著維修費(fèi)的節(jié)省，并且杜絕了因儀表設(shè)備失效而引起的裝置非計(jì)劃停車(chē)，為裝置長(zhǎng)周期安全運(yùn)行提供強(qiáng)有力保障。