離心壓縮機反轉(zhuǎn)的原因及預防

中石化股份公司天津分公司 侯振宇 劉春旺

在生產(chǎn)中，離心壓縮機停機時轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)引起廣泛關(guān)注。通過對此種情況發(fā)生的原因進行深入分析，提出了防止轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的措施。

1.引言

裂解氣壓縮機、丙烯壓縮機、乙烯壓縮機(簡稱“乙烯3機”)是乙烯裝置中最關(guān)鍵的3種離心壓縮機組。壓縮機一旦出現(xiàn)問題，不僅乙烯裝置停產(chǎn)，以乙烯為原料的下游裝置也都將停產(chǎn)，損失巨大。由于沒有備用機，機組又必須滿足安全、穩(wěn)定、長周期運轉(zhuǎn)的條件，對機組的要求非常高。

在新建或改擴建乙烯裝置中，離心式壓縮機軸端密封普遍采用干氣密封。與單向旋轉(zhuǎn)式干氣密封相比，雙向旋轉(zhuǎn)干氣密封端面產(chǎn)生的氣膜剛度較小、抗干擾能力稍差，所以目前大部分機組的干氣密封均為單向旋轉(zhuǎn)式。單向旋轉(zhuǎn)式干氣密封在運行中嚴禁反轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生，以避免氣膜建立失敗、端面會越轉(zhuǎn)越緊，從而使密封損壞。

2.反轉(zhuǎn)原因分析

離心式壓縮機反轉(zhuǎn)的機理是當驅(qū)動機不輸出功時，壓縮機轉(zhuǎn)子開始降速，此時由于防喘振閥的開啟，高壓側(cè)氣體通過防喘振線也向低壓側(cè)流動。壓縮機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在反向氣流的作用下迅速下降為零，如果此時段間壓差仍沒有平衡，管路中尚存大量的高壓氣體，這些高壓氣體便會倒流使壓縮機轉(zhuǎn)子發(fā)生反轉(zhuǎn)。

通常，為防止離心式壓縮機發(fā)生喘振，要從壓縮機排氣口引出部分氣體返到壓縮機吸入口，以使壓縮機運行點流量值高于最小喘振量。三缸五段式壓縮機組有兩條防喘振管線：一條是由三段出口返回一段入口的“三返一”線，另一條是五段出口返回四段入口的“五返四”線。系統(tǒng)采用流量和壓力來作為控制防喘振閥開閉的參數(shù)，保持入口流量高于喘振發(fā)生的臨界值。一方面，當壓縮機開停或負荷大幅度改變而出現(xiàn)喘振，防喘振系統(tǒng)自動控制一部分排氣返回至吸氣管；另一方面，當機組跳車時，系統(tǒng)電磁閥將會中斷去防喘振閥的控制氣體，使防喘振閥完全打開，這為壓縮機轉(zhuǎn)子在停機時發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)創(chuàng)造了必要條件。

因此，系統(tǒng)防喘振閥和防喘振流量的設置與機組緊急停車后轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的關(guān)系重大。在現(xiàn)有乙烯裝置的設計中，防喘振閥的選擇通常以最大轉(zhuǎn)速下的喘振流量作為計算防喘振控制閥門系數(shù)的基準，取基準點對應CV值的2倍作為選擇閥門的依據(jù)，同時保證閥門正常工作時的流量要保持閥門開度在50%~70%范圍內(nèi)，而對防止機組停車轉(zhuǎn)子可能發(fā)生反轉(zhuǎn)的可能并沒有考慮。

3.預防反轉(zhuǎn)措施

(1)在壓縮機各段出口管路上安裝逆止閥，安裝位置應盡量靠近出口法蘭處，使這段管路中的氣體容量減到最小，以防止機組緊急停車時儲存的氣體不致造成反轉(zhuǎn)。

(2)根據(jù)各機組的實際情況安設放空閥、排氣閥或再循環(huán)管線，在停機時可及時打開這些閥門將壓縮機出口的高壓氣體排空，以減少反轉(zhuǎn)機會。

(3)壓縮機末段出口增設火炬閥、增加聯(lián)鎖打開功能，防止壓縮機段間壓差不平衡而出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，但該措施存在聯(lián)鎖誤報的風險。

(4)對防喘振管線調(diào)節(jié)閥進行調(diào)校，檢查現(xiàn)場實際閥位與中控開度是否一致，防止閥位偏差導致返回線流量不足而造成壓縮機轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)事故。

(5)選擇合理的防喘振管線管徑尺寸。防喘振管線管徑較細時，一方面導致回流氣體壓力平衡時間過長易引起反轉(zhuǎn)，但另一方面管徑細、反應時間快，在正常生產(chǎn)時調(diào)節(jié)能力強。因此需重新核算機組防喘振管線的平衡能力，對防喘振系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，選擇合適的管道尺寸和控制閥門。

(6)采用碳石墨與碳化鎢或碳化硅組合的干氣密封，以減小反轉(zhuǎn)對密封造成的損害。

4.反轉(zhuǎn)案例

某石化企業(yè)丙烯壓縮機采用抽凝式透平、單缸四段壓縮，軸端采用約翰·克蘭串聯(lián)式干氣密封。開工準備階段該機組聯(lián)鎖停車過程中多次發(fā)生反轉(zhuǎn)事件，機組緊急停機最短時間僅為25s。圖1為該機組在線監(jiān)測系統(tǒng)記錄的某次反轉(zhuǎn)發(fā)生時的轉(zhuǎn)速/時間曲線，停車開始時(A點)機組各軸承處轉(zhuǎn)子基頻振動的軸心軌跡正常。圖2為BC段選取轉(zhuǎn)速為364 r/min時各軸承處轉(zhuǎn)子基頻振動的軸心軌跡圖，各軸心軌跡均出現(xiàn)反進動，說明該機組在停車過程轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。

為了防止壓縮機組由于吸入量不足而發(fā)生喘振，在機組的4段排出設置了去各段間罐的防喘振線，同時防喘振閥在聯(lián)鎖時快速開啟。聯(lián)鎖停車后出現(xiàn)多次反轉(zhuǎn)情況，說明該機組聯(lián)鎖停車后防喘閥在2s內(nèi)全開不能滿足機組要求，機組內(nèi)部還存在較大的反向阻力。

為了防止機組緊急停車反轉(zhuǎn)事件的再次發(fā)生，車間修改了該機組的停車邏輯，將邏輯加上停車后出口放火炬閥自動打開，并分別在原防喘振線上并聯(lián)增設一條管線及控制碟閥，機組緊急停車時新增管線閥門與原防喘線上閥門同時快速開啟，保證機組出口、入口壓力盡快平衡，大大降低了壓縮機反轉(zhuǎn)的可能性，保證設備不受損害。機組運行至今僅發(fā)生一次非計劃停車事件，機組轉(zhuǎn)子未發(fā)生反轉(zhuǎn)事故，說明以上整改措施起到良好的效果。

5.結(jié)語

壓縮機反轉(zhuǎn)嚴重影響到機組的安全平穩(wěn)運行，防止離心壓縮機轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的根本在于系統(tǒng)設計與機組轉(zhuǎn)子動力學設計的匹配，即反向推動力、系統(tǒng)平衡時間和惰走時間的匹配，研究如何確保機組停車時轉(zhuǎn)子不發(fā)生反轉(zhuǎn)的課題意義重大。

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