丙烯壓縮機組停車過程反轉解決方案探析

劉亞鵬(內蒙古大唐國際克什克騰旗煤制天然氣有限公司，內蒙古 赤峰 025350)

0 引言

丙烯壓縮機是一項重要的設備以及特有的優勢，對相關領域的應用有著積極的意義和深遠的影響。但是，從當前的實際現狀來看，丙烯壓縮機組在實際應用的過程中，仍然面臨著諸多的問題尚未得到有效的解決，對此，相關領域必須予以充分的重視。基于此，相關領域必須進一步加大對于該領域的研究力度，從提高技術工藝、優化應用流程，完善基礎設備三方面著手進行，旨在全方位、多層次、多角度的發現問題分析問題和解決問題，切實地將丙烯壓縮機反轉問題得到有效的解決，從而達到降低丙烯消耗率的目的，進而科學有效的提高經濟效益和社會效益，提高核心競爭力，更好地適應現代化發展的實際需要。

1 工藝流程簡介

自低溫甲醇洗-40 ℃級蒸發器送來的氣態丙烯，壓力0.02 MPaG，流量183 007 kg/h，進入丙烯分離器Ⅰ(F001)，分離液體后的氣體進入壓縮機進行壓縮，從低溫甲醇洗0 ℃級蒸發器送來的氣態丙烯，進入丙烯分離器Ⅱ(F002)，壓力0.45 MPaG，流量80 443 kg/h， 分離液體后從補氣口進入壓縮機，與壓縮機一段進氣壓縮后的氣體混合后繼續壓縮到1.8 MPaG，99.3 ℃，壓縮后的氣態丙烯經出口并聯的冷凝器，用循環水冷凝冷卻降溫至40 ℃進入丙烯貯槽。丙烯貯槽中液態丙烯經過丙烯冷卻器再次降溫后送往低溫甲醇洗丙烯蒸發器。當機組在非滿負荷情況下運行時，壓縮機出口閥前有部分高溫高壓氣體經過防喘閥FV011(一段防喘閥)、FV012(二段防喘閥)分別引回到丙烯分離器Ⅰ (F001)和丙烯分離器Ⅱ(F002)內，作為防喘振回流補充氣體，用以維持機組穩定運行[1]。

2 現象分析

2020年7月19日丙烯壓縮A單元停車，因停車過程中卸載閥CH001沒有及時關閉，導致大量丙烯反串，使反轉轉速達到1 700 r/min，以下是停車曲線 (CP121：一段入口壓力；CP123：二段入口壓力；CP125：壓縮機出口壓力；CF121：一段入口流量；CP123：二段入口流量；SE082/083：機組轉速)。

通過原因分析判定為機組停車后，部分出口氣體和二段入口氣體通過壓縮機缸體內向一段均壓，在缸體內氣體膨脹做功，驅使轉子反轉。2020年10月25日A單元停車時將F01和F02回氣閥關閉后，再次拍停機組，得到正常惰走曲線。

雖然此次停車轉子正常惰走，但分析一二段入口流量，拍停機組后，一段入口流量迅速降為0，幾秒后再次出現流量；二段入口流量在機組拍停后流量大幅上漲，可見即便將一二段回氣閥門關閉，在壓縮機缸體內仍會有氣體向一段均壓。

2020年11月25日A單元停車時將二段回氣閥門關閉，拍停壓縮機，但并沒有解決停車反轉問題，在停車后同樣出現了反轉現象。

雖然關閉了二段回氣閥，但卻沒有改變停車轉子反轉現象，可見解決停車反轉的有效的措施之一是關閉一段回氣閥。

2021年7月4日丙烯 A單元停車將一段回氣閥門關閉，拍停壓縮機，得到正常惰走曲線，因沒有復制ITCC數據，A單元ITCC停車照片(黃色曲線為轉速曲線如圖1所示)。

圖1 A單元ITCC停車照片

2021年7月26日機組沖轉過程中出口壓力達到2 000 kPa，無法進行繼續沖轉，被迫停車。停車時將一二段防喘閥全開，用驗證在防喘閥全開的情況下是否還會出現倒轉的現象。

2021年7月26日停車前因為系統內不凝汽聚集太多，出口壓力太大，出口和入口壓差在1 000 kPa以上，壓縮機運行工況惡劣。雖然在停車前將一二段防喘閥全開，但并沒有減少出口和入口的壓差，停車時仍然出現反轉。

機組反轉可能會導致轉子變形、干氣密封燒毀等設備事故。

3 原因分析

造成反轉的原因是機組停車時入口和出口存在壓力差，當機組失去驅動力后，壓縮機出口和二段入口的高壓氣體會向一段均壓，氣體在壓縮機缸體內膨脹做功，驅動壓縮機反轉。

停車時，CH001緊急停車卸載閥沒有及時關閉，壓縮機出口氣體反竄至一段入口，導致轉子反轉，因壓縮機出口設有止回閥，不排除止回閥故障的可能性或止回閥位置設計不合理。

機組拍停前沒有將一二段防喘閥全開。ITCC中設計的正常停車過程需要按一定的速率將機組轉速降低至600 r/min，并穩定運行一段時間后才可以停車，但是丙烯壓縮機組在實際運行中發現，機組轉速很難降低至3 910 r/min。

橫坐標Hc%的計算方法如下：

(1)流量補償

流量補償值由式(1)計算決定

式中：MFLOW為壓縮機補償流量；MFLOWmax為最大質量流量；h為文丘里管流量0～100%(壓縮機入口流量)；Pfo為壓縮機入口壓力(MPaG)；Pfob為限流板設計壓力條件(MPaA)；Tfo為壓縮機入口溫度(℃)；Tfob為限流板設計溫度條件(℃)。

(2)操作點

操作點位置通過下式計：

式中：MFLOW為壓縮機補償流量；MFLOWmax為最大質量流量；Hc為喘振控制器測量點(操作點位置)；Ps為壓縮機入口壓力(MPaG)；Psb為壓縮機基準壓力條件(MPaA)；Ts為壓縮機入口溫度(℃)；Tsb為壓縮機基準溫度條件(℃)。

(3)縱坐標

壓縮機壓比課通過下式計算：

式中：PRAT為壓縮機壓比；Ps為壓縮機入口壓力(MPaG)；Pd為壓縮機出口壓力(MPaG)。

壓縮機在低轉速運行時入口沒有足夠吸力，需要開大防喘閥來補充流量，一段入口流量上限為255 000 kg/h，當防喘閥足夠大時，實際流量就會超過這個數值，但ITCC中一段入口流量最大的就是255 000 kg/h，導致壓縮機在降速過程中ITCC畫面中出現喘振，所以通常認為機組轉速在4 200～4 400 r/min，一二段防喘閥門開度50%以上，機組具備停車條件，可進行拍停操作。因為ITCC的局限性，導致每次停車一二段防喘閥都不是全開[2]。

通過對多次停車曲線的分析，機組拍停后二段入口流量大幅上漲。機組停車時可以通過兩種方式均壓：一種通過防喘均壓；另一種通過壓縮機缸體均壓。壓縮機二段入口管線為DN450，二段防喘管線為DN200，防喘管線小于入口管線管徑，所以氣體通過缸體均壓速度大于防喘均壓速度，以此判斷驅動轉子反轉的主要來源為二段入口。

4 丙烯壓縮機組停車過程反轉解決方案探析

4.1 停車時全開一二段防喘閥

參考空分和首站壓縮機，停車前需要將機組轉速降低至最小運行轉速，并全開防喘閥。丙烯壓縮機組拍停前需將轉速降低至3 910 r/min，將一二段防喘閥全開，出口壓力降低至1.3 MPa以下，盡可能降低壓縮機出口和入口的壓差。

為了避免降速過程中ITCC畫面中出現喘振報警，需要將一段入口流量CF121量程擴大(擴大量程可能改變流量的測量方式，需要與設計院進行溝通)，使其能夠正確反映機組在低轉速、高防喘閥位情況下的流量。這種方法目前只存在理論上的可能性，實際是否有效還需要進行驗證[3]。

4.2 關閉一段回氣閥門

經過實際驗證關閉一段回氣閥可以解決停車反轉問題，但因一段回氣閥門為DN1300蝶閥，開關時需要勞動強度大，時間較長，只能在計劃停車時進行，在緊急停車時無法快速關閉，需要將此閥門的執行機構更改為電動或氣動機構。

4.3 使用ITCC中正常停車程序

ITCC中正常停車程序：

啟動升速到暖機升速速率：40 r/min；升速階段升速速率：60 r/min(冷啟)，120 r/min(熱啟)；跨臨界升速速率：8 000 r/min：調速接管后升速速率：140 r/min；升速到超速試驗的升速速率為：140 r/min。從整體上來看，共有8個運行模式。第一是跳車模式 Turbine Tripped/Shutdown，第二是準備啟機 Ready to Start，第三是暖機#1 ldle Speed #1 (600 r/min)，第四是暖機#2 ldle Speed #2 (1500 r/min)，第五是升速模式 Acceleration，第六是正常運行模式 Run (3 910～4 833 r/min)，第七書超速試驗 Over Speed Test (OS Trip 4 876 r/min)，第八時間正常停車Normal Stop(600 r/min)。

因目前缺少相關技術資料，ITCC無法實現正常停車程序，需要儀控對ITCC系統進行完善[4]。

5 停車程序及步驟

5.1 停車操作步驟

接到停機通知后，在降低負荷的同時進行緩慢降速，避免壓縮機喘振。關閉丙烯蒸發器自調閥CL002、CL004、CL041、CL010、CL014，使壓縮機與低溫甲醇洗丙烯蒸發器系統切斷，轉入自身循環使系統內大部分的液態丙烯存留在儲罐B001AB內。

F001、F002將液位控制為0%。

關閉壓縮機一、二段回氣閥。

汽輪機降速，直至機組的最低轉速。

壓縮機停車時轉速降到3 910 r/min，按輔助操作盤“緊急停車”按鈕。

關閉一、二段激冷調節主線和副線閥門。

關閉主蒸汽大閥CH004、CH005，開速關閥前放空。打開汽輪機缸體導淋排液。

當壓縮機轉速到0 r/min后，關閉一二級密封氣，隔離氣正常投用。

啟動盤車裝置，為軸瓦降溫。

開熱井集液箱脫鹽水補水閥，汽輪機停車后凝結水泵、疏水泵運行一段時間，排凈凝液。

空冷島風機停運，關百葉窗，冬季時拉上空冷島棉簾保溫。

關閉B001A/B下液閥、出液閥門及丙烯蒸發器自調閥前后截止閥。

關軸封蒸汽閥門，停抽氣器，打開破真空閥。

現場將凝結水泵、疏水泵就地開關切換至“就地”位置，現場按凝結水泵、疏水泵“停止”按鈕，停運凝結水泵、疏水泵。

關閉熱井、集液箱補水閥、凝結水泵、疏水泵的出口閥、軸承冷卻水的進、出口閥，關閉6512、6520、6513、6521自調閥的前后截止閥。

停潤滑油系統后軸瓦溫度復溫不超過70 ℃，停運盤車和油系統(約16 h)，10 min后關閉隔離氣針形閥。

現場停運排油煙風機。

5.2 連鎖緊急停車程序及步驟

首先，應關閉一、二段激冷調節主線和副線閥門，以及主蒸汽大閥CH004/CH005，開速關閥前放空，并打開汽輪機缸體導淋排液。其次，當壓縮機轉速到0 r/min后，關閉一、二級密封氣，隔離氣正常投用。接下來要啟動盤車，開熱井集液箱脫鹽水補水閥，凝結水泵、疏水泵運行。最后，需要?？绽淦黠L機，關閉B001A/B出液閥、下液閥門及丙烯蒸發器自調閥前后截止閥及副線閥。在此過程中，需要特別注意的是冬季空冷島風機在停運過程中，必須保證百葉窗的關閉狀態，拉上空冷島棉簾防凍，這點是至關重要的，相關領域必須以充分重視。

5.3 停車過程中可能出現異常及事故的處理程序

熱井液位高是停車過程中常見的一個問題，造成該問題的原因主要為[5]：首先，針對熱井液位的參數設定本身就存在偏高的問題，造成凝結水泵不打量。其次，造成熱井液位高的原因也與冷凝液量有著密切的關系，因此，必須注重冷凝液的大小，并作出科學合理的把控。與此同時，必須進一步針對冷凝管網問題進行解決，有效地避免由于冷凝液管網壓力高的問題。最后，備用泵出口止逆閥內漏以及液位調節閥故障或液位變送器指示不準確也會造成熱井液位高的問題。

5.3.1 解決方案或處理措施

(1)降低液位設定值。

(2)檢查泵和電機是否正常；檢查泵進口排氣閥是否打開，泵進口及備用泵有無泄漏；冷凝液泵入口是否漏氣；

(3)減小脫鹽水補水閥開度或機組降負荷；

(4)啟動備用泵，隔離檢修止逆閥；

(5)聯系調度確認管網是否暢通；

(6)聯系儀表檢查處理。

其次，壓縮機停車過程中的異常振動和異常噪音是極其容易引發機組損壞的誘導因素。

5.3.2 異常原因分析和判斷

(1)機組找正精度被破壞，不對中；

(2)轉子不平衡；

(3)轉子葉輪摩擦與損壞；

(4)主軸彎曲；

(5)聯軸器的故障或不平衡；

(6)軸承不正常；

(7)地腳螺栓松動，地基不堅固；

(8)油壓、油溫不正常；

(9)油中有污垢，不清潔，使軸承發生磨損；

(10)機內侵入或附著夾雜物；

(11)壓縮機喘振；

(12)氣體管道對機殼有附加應力；

(13)壓縮機負荷急劇變化。

5.3.3 解決方案或處理措施

第一，相關領域必須進一步加強檢查力度，制定完善的檢查方案，并嚴格落實。在實際的檢查過程中，特別需要針對機組振動情況，軸向振幅大，振動頻率與轉速問題予以充分的重視。通常情況下，其振值為2～3倍左右。與此同時，必須卸下聯軸器，使原動機單獨轉動，如果原動機無異常振動，則可能為不對中，應重新找正。第二，必須停車檢查轉子是否有污垢或破損，必要時轉子重新做動平衡。真對轉子葉輪有應進一步加強檢查力度，并做好相應的記錄工作查看其表面是否有摩擦和損壞，發現問題及時解決，必要時要根據具體問題具體分析，進行修復或更換。第三，需要進一步檢查主軸是否彎曲，必要時進行校正直軸。針對檢查聯軸器問題，在的檢查過程中，必須將聯軸器進行拆除，綜合的分析其平衡狀況，發現問題及時修復，以免問題的擴大化。第四，必須檢查軸承徑向間隙，并進行調整，檢查軸承蓋與軸承瓦背之間的過盈量，如過小則應加大；若軸承合金損壞，則換瓦。第五，要修補地基，緊固地腳螺栓。第六，需要檢查各油系統的油壓、油溫和工作情況，在油溫過低的情況下要加入潤滑油這點是至關重要的。第七，針對油質的檢查問題，必須嚴格落實，特別是針對過濾環節必須予以充分的重視，進一步加強過濾環節，定期換油。第八，檢查壓縮機運行時是否遠離喘振點，防喘裕度是否足夠，按規定的性能曲線改變運行工況點，加大吸入量檢查防喘振裝置是否正常工作[6]。

6 結語

解決壓縮機反轉的方法就是通過各種措施使機組在盡可能短短時間內完成一段入口、二段入口和出口的均壓，從根本上消除誘發丙烯機組反轉的因素和條件保障設備無損使用。