汽拖空壓機在空分空壓裝置中的問題及對策

陳貝琳 , 魏 軍

(1.洛陽煉化宏達實業有限責任公司 洛陽分公司 , 河南 洛陽 471012 ; 2.中國石化 洛陽分公司 , 河南 洛陽 471012)

空分空壓裝置是諸多現代工業行業中的動力源,起到了將空氣中的組分分離,產生氧氣、氮氣等氣體,將其有效凈化并持續輸送的作用。空氣壓縮機作為空分空壓裝置中的核心設備,最常用的是電拖離心式空壓機。電動機作為驅動設備,離心式壓縮機通過葉輪做功,使之動能增大,然后經擴壓器使氣體的壓力提高,并持續輸出穩定氣源,為石油煉化行業中工業風、儀表風及氮氣系統提供有力保障。而電動機的持續驅動,離心式壓縮機的高效運行,無疑成為了這份保障中的關鍵。隨著現代工業的不斷發展,汽輪機的安全性及穩定性也日益成熟,其在石油化工行業中的應用也日益頻繁。在企業生產工藝達到儲備足量過剩蒸汽且蒸汽價格合理的前提下,從經濟及能效轉換的角度分析,如何在空分空壓裝置中,用汽輪機替代電動機,實現汽輪機驅動離心機,既保證汽拖空壓機安全、穩定運行的同時,又能為企業節約大量用電成本,成為現代石油煉化行業在空分系統中的主要探討方向。

1 空分空壓裝置現狀

1.1 裝置概述

某公司空分空壓裝置設置有凈化壓縮空氣管網、非凈化壓縮空氣管網及氮氣管網。凈化壓縮空氣為儀表用壓縮空氣,非凈化壓縮空氣主要是吹掃用氣,氮氣為保護用氣。

空分空壓站包括空氣壓縮和空氣分離兩部分。主要由3臺離心式空氣壓縮機、2臺冷凍式干燥機、2臺微熱再生干燥機、3臺變壓吸附制氮機組成。離心式空氣壓縮機1臺為汽輪機驅動,2臺為電機驅動。

除生產裝置自產蒸汽外,目前蒸汽來源為外購3.5 MPa蒸汽,其中部分中壓蒸汽進入中壓蒸汽管網,部分中壓蒸汽通過汽輪機及減溫減壓器降至1.0 MPa蒸汽送入低壓蒸汽管網。

由于公司屬于石油煉化行業,3.5 MPa蒸汽及1.0 MPa蒸汽使用消耗量大,故選用汽拖空壓機作為空分空壓裝置主要驅動設備,為企業節約大量用電成本。

1.2 設備主要參數

電拖離心式空壓機2臺,型號ZH1600,空氣流量240 Nm3/min,空氣進口壓力為常壓,出口壓力為0.9 MPa,額定轉速2 980 r/min。汽拖離心式空壓機1臺,型號ZH1600,空氣流量240 Nm3/min,空氣進口壓力為常壓,出口壓力為0.9 MPa,額定轉速為2 980 r/min。

1.3 設備主要能耗

汽拖空壓機用汽負荷:壓力3.4 MPa,溫度為(420±30) ℃,用汽量30 t/h;產汽負荷:壓力(1.2±0.1)MPa,溫度為300 ℃,產汽量30 t/h。

電拖空壓機電壓10 000 V,操作設備1臺,備用設備1臺,電機操作功率1 600 kW,備用功率1 600 kW。

2 汽拖空壓機存在的主要問題

2.1 汽輪機升速過程中振動超標導致聯鎖停機

汽輪機在單機試運時,低速暖機結束后的升速過程中,臨近額定轉速2 980 r/min時,蒸汽側振動頻繁超標導致聯鎖停機。即在汽輪機升速階段,蒸汽側振動值持續上升,當運行轉速臨近2 500 r/min時振動高報,當運行轉速臨近2 980 r/min時振動聯鎖導致停機,振動高報值為62 μm,振動聯鎖值為76 μm。

2.2 汽輪機在升速結束時失速導致聯鎖停機

汽輪機在汽拖空壓機整機聯運啟動后,汽輪機升速結束時,汽輪機轉速頻繁波動,無法穩定在額定轉速2 980 r/min,最終導致汽輪機失速觸發聯鎖停機。當汽輪機505控制系統設定轉速為2 980r/min,汽輪機在升速結束時,實際運行轉速無法得到有效控制最終超速,達到3 040 r/min聯鎖值導致機組停機。

2.3 汽輪機在運行過程中失速導致連鎖停機

汽拖空壓機啟動完成,離心空壓機出口空氣并入氣路管網時,由于離心空壓機出口壓力為恒壓控制,在空壓機入口IGV及出口BOV控制閥依靠PID自動調整閥位,穩定出口壓力的過程中,汽輪機轉速出現大幅波動,導致汽輪機失速觸發聯鎖停機。當空壓機控制閥PID調節、穩定空壓機出口壓力時,汽輪機的實際運行轉速來回震蕩波動且呈逐漸放大趨勢,最終失速導致聯鎖停機。

3 解決方案

由于汽輪機與離心式壓縮機在空分系統中的應用不多,離心式壓縮機對驅動機的需求也高,需求驅動轉速更加穩定的同時,其實際需求轉速也僅為2 980 r/min。低轉速、高穩定性對汽輪機來說,均存在一定挑戰性,尤其是出現振動超標聯鎖等一系列難點,更需要全面充分考慮。除了從設備本身著手之外,還需要充分結合空分空壓裝置的生產特性,在保護離心式空壓機的前提下,做好汽輪機與離心式壓縮機的有機融合,確保單個設備安全運行的同時,盡可能優化汽拖空壓機的控制系統,保證設備安全穩定運行。

3.1 汽輪機振動超標問題解決方案

動設備出現振動超標問題始終是行業內的難題。尤其是汽輪機,除了工藝管線設計方存在設計缺陷之外,應從以下幾點逐步分析。

3.1.1檢查并確認設備使用潤滑油油質是否異常

在設備安裝期間,應充分做好設備潤滑油箱、潤滑油管路的跑油工作,避免雜質進入軸瓦等關鍵潤滑部位,確保油沖洗合格。油沖洗應以循環方式進行,每8 h在35～70 ℃內升降油溫1～2次,直至油沖洗合格;與此同時,自上游向下游按油的流向先主管、后支管對各油管道分段反復沖洗,按油的流向用木錘沿管線敲擊各焊縫、彎頭和三通,定期排放并清理油路的死角和最低處積存的污物。

待油沖洗循環多次后(連續沖洗4 h),在設備本體進油管口上加裝的80～75 μm(180～200目)臨時濾網上,1 cm2面積上肉眼可見軟性雜質≤3點,且不允許存在硬質顆粒為合格標準。油系統沖洗合格后,油系統內沖洗油應全部退出換成新油。在此基礎上,加強對在用潤滑油的閃點、運動黏度、酸值、機械雜質及水分的分析頻次,確保在用潤滑油油質合格。

3.1.2拆檢設備本體確認軸瓦及各主要間隙無異常

在設備到廠安裝階段,應嚴格做好翻瓦工作,確認軸瓦內表面無明顯損傷,當機組出現振動較大時,更應著重對設備進行拆檢檢查。

復查的主要項目有:軸承箱進回油路檢查、軸瓦表面及油道檢查、軸瓦徑向間隙復查、軸瓦推力間隙復查、軸瓦滲透探傷復查、轉子竄量復查、葉片及圍帶檢查、噴嘴間隙復查、油封表面及間隙復查、氣封表面及間隙復查、碳刷間隙及磨損情況復查、轉子機械及電子跳動檢查、轉子動平衡實驗。

需要指出的是,作為基礎檢查項,軸承箱及軸瓦的相關檢查須在第一時間進行,以此判斷軸瓦安裝情況或潤滑油質是否存在異常,為下一步拆檢方案或處理方式提供初步依據。

3.1.3復查汽輪機進出口管線布局及支撐形式

重新復查汽輪機進出口管線及閥門布局、支撐位置及形式,每條蒸汽管線及膨脹彎的位置和標高,每個彈簧支吊架或滑動支撐的位置和形式,施工過程中的微小疏漏導致與設計存在的偏差,均可能造成汽輪機進出口管線應力不均勻。

對現場與設計圖紙存在偏差的閥門、滑動支撐及彈簧支吊架進行全面調整,需根據設備開停需要適當調整設計方案。

3.1.4加強汽拖空壓機設備底座及基礎強度

設備底座和基礎強度是動設備平穩運行的關鍵。對設備現有基礎進行充分核算,并對汽輪機底座、汽拖空壓機聯合底座進行加固,調整地腳螺栓形式,確保設備底座及基礎強度符合設計要求。

3.1.5復查汽輪機進出口管線應力情況

動設備進出口管線無應力檢查,是動設備安裝合格后的重要指標之一。在進行進出口管線無應力檢查之前,應確保進出口管線所有連接螺栓緊固到位,彈簧支吊架及滑動支撐端面在適中位置,設備本體固定螺栓全部緊固到位,避免出現為應對檢查而出現的故意虛緊情況。

3.1.6做好試運前汽拖空壓機整體靜態振動檢測

汽輪機在升速過程中出現振動超標聯鎖,即代表設備在現有狀態下,其升速過程中產生的振動幅度是始終存在的,最終導致振動始終無法降低,從而導致超標聯鎖。故在設備及管線復查結束后,對設備整體的靜態振動檢測尤為關鍵。

通過整機靜態振動檢測,分析整機在現安裝狀態下的振動頻率是否滿足設計要求,振動頻率盡可能遠離機組滿負荷50 Hz頻率的前提下,找出在0～50 Hz可能存在的振動點,從而在汽輪機505控制系統中進行針對性調整,汽輪機升速過程中快速跨過此頻率點。

3.1.7結合離心空壓機設計確認各級臨界轉速

公司離心空壓機設計為3級增壓,其每級轉動軸均對應有不同的相對臨界轉速,分別核算出996、1 192、1 364 r/min為3處臨近轉速點,并在汽輪機505控制系統中進行針對性調整,使汽輪機升速過程中快速跨過各級臨界轉速。

根據靜態振動頻率及各級臨界轉速點,可將汽輪機升速速率進行調整,即當汽輪機轉速<500r/min時,升速速率為1 500 r/min;當汽輪機轉速為900～1 500 r/min、1 900～2 650 r/min時,升速速率為3 000 r/min,此時汽輪機迅速升速跨過易激發振動的臨界區域,剩余轉速段的升速速率為900r/min。

3.1.8復查汽輪機入口蒸汽管線蒸汽打靶結果

重新對汽輪機入口蒸汽管線進行打靶實驗,確認入口管線內清潔度滿足要求,確保進入汽輪機內的蒸汽品質良好,不會對機組穩定運行造成影響。

3.1.9對汽輪機進行充分暖機

汽輪機低速暖機,需要指出的是務必要暖機徹底。由于汽拖空壓機在空分空壓裝置中的應用,多數依靠的是成套控制系統,設備的啟動過程大多數依靠已經設定好的程序執行。在此種情況下,汽輪機的低速暖機時間是否合適,需要以現場汽輪機缸體溫度為主要衡量指標。

3.2 汽輪機在升速結束時失速問題解決方案

針對汽輪機在升速結束時失速導致聯鎖停機問題,主要在于汽輪機本體無法實現穩定控速,應從以下幾點進行分析:

①復查汽輪機入口調節汽閥線性程度。結合汽輪機廠家,重新對調節汽閥進行拉閥實驗、校驗行程點的同時,結合現有裝置波動情況,確認調節汽閥的控制形式,即選用氣動控制還是液壓控制,確保調節汽閥本體適用于機組現有工況,從而提高調節汽閥的抗波動性,使其更為穩定。②調整控制系統中調節汽閥PID參數。在升速程序的基礎上,調整汽閥的PID參數,使其更適用于現有的升速程序,從而確保調節汽閥的控制幅度可控,避免造成機組頻繁失速。

3.3 汽輪機在運行過程中失速問題解決方案

汽拖空壓機在運行過程中失速導致聯鎖停機問題,除了蒸汽波動導致失速的原因之外,主要原因在于汽拖空壓機的控制模式設計思路是否滿足空分系統恒壓穩壓工況需求。

空分空壓裝置空壓機設計主要以出口恒壓為準,離心式壓縮機的入口IGV及出口BOV控制閥控制模式,均以盡可能恒定空壓機出口壓力為調整基準,即當出口壓力達到設定壓力的一定偏差范圍時,IGV與BOV控制閥會相互配合,通過已設定的PID參數調整閥門開度,對出口壓力進行調整。

根據設備運行工況調整固定比例控制模式下的詳細參數,根據空壓機空氣出口設定壓力與實際壓力的偏差情況,將偏差范圍劃分為6個區域(如表1所示),且每個區域內IGV控制閥按一定比例/秒調整閥門開度。

表1 控制閥固定比例控制模式參數表

4 結論

經過上述調整后,空壓機IGV控制閥在按固定比例調整時,既滿足空壓機空氣出口壓力穩定的同時,又降低了空壓機控制閥的波動頻次,大大提高整機負荷的穩定程度。汽拖空壓機在出口空氣并網后的運行過程中,未再出現因空壓機空氣出口壓力波動而造成汽輪機失速聯鎖停機,汽輪機運行轉速趨勢平穩,未再出現震蕩型波動,極大地提高了汽拖空壓機的穩定性,確保了蒸汽系統及空氣系統的雙平衡。

汽拖空壓機在空分空壓裝置的合理應用,為企業節約了大量的用電成本。用汽拖空壓機代替傳統的電拖空壓機,雖帶來了一定的經濟效益,但其首次投用成本高、建設周期長、管理難度高、抗蒸汽負荷波動性較差等因素,仍是后續該設備在各領域應用時,企業需要多方面考慮的關鍵因素。