透平式氯壓機的相對過載與運行調整

楊金順

（中國平煤神馬集團開封東大化工有限公司，河南 開封 475003）

YANG Jin-shun

（China Pingdingshan Coal Shenma Group Kaifeng Dongda Chemical Co.，Ltd.，Kaifeng 475003，China）

由于透平式氯氣壓縮機（以下簡稱氯氣透平機）具有效率高，流量-壓力曲線平坦，輸送能力大，自動化程度高，對生產負荷適應能力強等優點，已在中國氯堿行業廣泛應用。對于大型的透平式氯壓機，多采用德國KK＆K 公司及中航黎明集團錦化機公司的產品，而眾多小型的氯氣壓縮機，則由杭州陽光集團求是透平機公司和杭州振興公司提供，其中，求是透平機公司產品目前在線運行的有近三百臺/套，其單臺氯堿適應能力覆蓋范圍已達3萬～15萬t/a，且新產品正在不斷地研發和投用。在眾多在線運行的氯氣透平機中，大多反映運行狀況良好，但也有個別企業、個別臺位、個別時段、個別型號的氯氣透平機故障較多，即使是某些運行狀況較好的氯氣透平機，也存在運行不十分理想，不夠經濟，工況點過于靠近喘振臨界點或過于偏離設計工況，檢修周期偏短等情況。而在分析這些設備運行狀況時，用戶大多認為運行工況沒有問題，甚至認為是在優于設計條件下運行的，在商討出現的問題時，常常出現難以理解，難以溝通，難以協調的情況，延誤了問題的解決。

1 透平式氯壓機的相對過載現象

為了便于解釋問題的原因，把大多運行參數正常，個別參數過于偏離設計工況點，甚至超出正常運行許可范圍的工況，稱之為“相對過載”。

1.1 壓縮比偏高

透平式氯壓機與容積式壓縮機一樣，也存在壓縮比問題，其數值等于透平機出口絕對壓力與進口絕對壓力之比。容積式壓縮機運行壓縮比過高，往往存在電機負載過高及設備強度安全問題，而透平式壓縮機根據其特性曲線，往往電機負載不高，甚至偏低，其設計留有余地較大，往往也不存在強度安全問題，其危害性往往表現為運行工況太過于臨近或達到喘振點，出現喘振前兆甚至是喘振。

關于喘振，文獻資料大多認為是隨著透平機流量的減小（個別文獻認為是隨著出口壓力升高而導致流量減小），介質會在葉輪表面出現分離現象，從而出現周期性的聲響及振動。設備使用說明書往往也標注出預計喘振流量。上述解釋雖正確但不直觀，在指導操作上意義不大，因為大多數裝置在機組出口處都未安裝流量計。如果把喘振解釋為由于機組壓縮比過高，使介質在葉輪表面出現“打滑”現象，與后系統的設備及管道形成共振系統，從而使得介質通過葉輪流道周期性地輸出及回流，發出周期性聲響與振動，這樣的解釋則因透平機進、排氣口均裝有壓力計而對運行指導意義較大。

喘振對透平機組危害極大，它可使轉動部件乃至整機在短時間內嚴重損壞，修復費用很高，且往往影響整個氯堿系統的運行，因而備受重視。

喘振前兆是因機組壓縮比偏高，但未達喘振點，其危害往往表現為軸振增加，聲音有所變化，軸承溫度升高，瓦塊磨損加快，檢修周期偏短等情況。經過分析對兩級壓縮機組來說，后級情況甚于前級，此問題往往會因其特征及危害不夠明顯而被忽視。但也有例外，山東某企業在半年多時間里，（當然也不排除有其他原因影響），設備運行周期往往僅為3～5天，3臺透平機輪番維修，嚴重影響生產運行。最后，還是通過調低壓縮比才使設備轉入正常運行。

引起壓縮比偏高有以下原因。

（1）出口壓力過高。由于強調后續工序需要，比如考慮氯氣液化的節能而使透平機排氣壓力過高。

（2）進氣壓力過低。有的企業后續工序需求壓力不高，生產負荷偏低，為了節能，轉而調低進口壓力，從而使壓縮比偏高。多臺氯氣透平機并聯運行，而進氣閥門實際開度不一，導致個別機組的進氣壓力過低。

（3）氯氣純度偏低。氯氣中的雜質組份多為空氣和少量氫氣，其密度要比氯氣低許多。氯堿系統在開車初期，氯氣純度往往偏低，透平機檢修后如置換不充分，進入機組的氯氣純度也會偏低。系統正常運行時的氯氣純度偏低，往往是因泵前負壓系統密封不良而漏入空氣造成的。氯氣純度較低時，由于介質密度降低，透平機提升排氣壓力的能力就會降低，如仍按正常壓縮比運行，則會超出設備此工況下的實際能力。

（4）進氣溫度偏高。溫度偏高會引起進氣密度降低。大多企業因氯氣干燥需要，氯氣溫度控制較嚴，故透平機進氣溫度偏差不是很大。

（5）壓力測量位置不正確。有的企業將進氣壓力變送器裝在進氣閥之前，排氣壓力變送器裝在排氣閥之后，或遠離透平機出口，從而使測量數據與透平機運行工況嚴重不符。

（6）多套氯處理并聯共用1套后續系統。設計壓力低的氯氣透平機遷就設計壓力高的氯氣透平機。

進氣密度對氯氣透平機的影響，僅理解為對壓縮比的影響是不夠準確的。透平機是離心式輸送機械，其對介質壓力的升高量（即透平機排氣與進氣壓力之差，暫稱作‘升壓'）與進氣介質密度成正比，而壓縮比為進出口絕對壓力之比。在排氣壓力不太高的情況下，進氣密度對‘升壓'的影響要大于對壓縮比的影響。

1.2 機組軸功率偏高

機組軸功率偏高按理說是真正意義上的過載，但因透平機流量-壓力曲線平坦及電機安全需要，機組配用功率一般富裕較大。即使機組軸功率超過設計值，也因運行電流與電機額定電流相比仍有余地而被忽視。所以，仍把它視作相對過載。

軸功率偏高的危害首先是對電機電器安全運行不利，其次是浪費電能，再次是問題不易發現，使各運轉部件長期超負荷運行，加速其磨損而失效。

軸功率偏高可能由以下原因引起。

（1）多臺氯氣透平機并聯運行，由于進氣閥門實際開度不一，導致出現個別機組偏載。

（2）幾套氯堿及氯處理系統并聯運行共同為同一后續系統服務，而每套氯氣透平機系統設計條件不一，設計排氣壓力高的系統照顧設計壓力低的系統，使其在排氣壓力低于設計值下運行。

（3）設計的排氣壓力較生產運行壓力富裕過大。由于氯氣透平機流量—壓力曲線較平坦，排氣壓力稍降，流量就會明顯增加，軸功率隨之上升，如表1所示。

表1 某透平機性能數據

（4）強調電解電流升降的變化需要，即強調生產負荷的靈活性，要求透平機組的大回流有較大的流量，以利于生產負荷的調節。其實，大回流流量大些雖有利于生產調節，但氯氣加壓后再減壓回流是一種能源浪費，過大回流運行是不經濟的。應根據自身生產負荷變化規律，摸索出適宜的大回流自動閥門開度。

由于企業為了保證項目的成功，在生產裝置設計選型時，在價格一定情況下，總希望買能力大的設備；在試車及生產組織時，為了生產負荷調節的方便；在設備運行中，為了提高對生產的保障程度；在設備設計時，為了滿足用戶的要求等，使氯氣透平機的實際能力層層加碼，以至于遠大于生產需要。在實際使用中，看似有利于安全運行，其實，反而增加了運行時的軸功率，不利于設備的安全運行。建議在上述各環節中，企業或生產工藝設計者，要如實提供工況條件，在制造企業設計時，會適當考慮余量。在設備運行時，要保證在設計工況點附近運行。這樣，既能保證設備的正常運行，又能減少能源浪費。

1.3 每級壓縮運行參數不合理

每級壓縮運行參數不合理主要表現在以下方面。

（1）級間冷卻不良。壓縮機在設計時，為了降低排氣溫度、控制每級合理的壓縮比及提高壓縮效率而節能，氣體在每級壓縮后要冷卻至近乎常溫再進入下一級壓縮。對于大多數用戶，更重視壓縮機進口與出口的運行數據，而忽視級間運行數據。如果級間冷卻不良，勢必造成前級排氣壓力升高后級則因進氣溫度升高而增加流量見圖1。引起機組軸功率升高。

圖1 排氣壓力升高及進氣流量增加情況

（2）前級壓縮比偏高。其原因一是其后冷卻不良使得該級排氣壓力升高；二是大量事實證明，對于二級壓縮的機組，前級的壓縮比受機組總壓縮比影響較小，其值是相對穩定的，當機組總壓縮比偏低時，反而使前級壓縮比在總壓縮比中占的比例偏高；三是進氣壓力升高，而排氣壓力受后系統控制不能升高，使前級壓縮比在總壓縮比中占的比例偏高，見圖2。

圖2 前級進氣溫度與后級排氣壓力變化情況

（3）末級壓縮比偏低。由于前級及中間級壓縮比的相對穩定性，當機組排氣壓力偏低時，后級壓縮比在總壓縮比中占的比例顯得偏低。

關于是否存在前級壓縮比偏低，后級壓縮比偏高的情況，因壓縮比偏高的危害已經得到認同，容易引起重視，不再介紹。當機組排氣壓力偏高時，末級壓縮比會偏高，但對前面各級壓縮比影響相對較小。

1.4 機組壓縮比偏低

機組壓縮比偏高容易引起喘振，盡量避免，但卻容易產生另一種極端情況——機組壓縮比偏低。其危害主要表現在以下方面。

（1）壓縮比偏低往往是由于排氣壓力偏低所致，如前所述，它可能引起機組軸功率升高甚至過載。

（2）各級壓縮比分配不合理。表現為前級壓縮比相對偏高，末級壓縮比相對偏低。

（3）各級壓縮軸功率分配不合理。從分析看，容易產生前級分擔軸功率過多，末級分擔軸功率較少的情況。對于二級壓縮的透平機而言，出現這種情況后，前級葉輪可能因超負荷而發生抖動。故前級的問題要甚于后級，有的用戶的前級高速軸承及軸封頻繁損壞，經分析，可能與此有關。如調取其歷史數據，可見，早期一切正常，一段時間后，軸振與軸承溫度同步上升，具有同步性、漸進性，直至損壞，具有明顯磨損破壞特征，見圖3。

（4）機組流量過大，大回流流量過大，導致能源浪費。

圖3 軸承溫度與軸振現象變化情況

（5）運轉部件磨損加劇，檢修周期變短。

（6）問題較隱蔽，不易發現故分析排除困難。

2 相對過載的運行調節

根據以上分析，出現相對過載時，運行調節非常簡單。

（1）壓縮比過高時，適當開大進氣閥門并適當降低排氣壓力即可。但當喘振發生或有明顯前兆時，可先適量打開小回流閥消除之，然后，再適量開大進口閥，關閉小回流閥。

（2）壓縮比過低時，可適當關小進氣閥門，使進氣壓力降低，從而提高壓縮比。在受生產負荷限制，不便將進口閥關得過小時，可配合適當關小排氣閥門，提高透平機排氣壓力，同樣可以升高壓縮比。此時，不必擔心電機電流，因提高排氣壓力時，軸功率是趨向變小的。

（3）級間冷卻不良時，可開大級間冷卻器供水閥門，或者降低供水溫度。

（4）加強生產調度，合理分配機組運行負荷，統籌協調各工序關系。

關于機組流量的調節，使用說明書給定三種方式：進口閥調節；出口閥調節；回流閥調節。有的文獻推薦的透平機流量調節還有旁路放空調節和轉速調節，前者顯然不適宜于氯氣系統，而后者主要用于蒸汽輪機驅動的情況。但其推薦的優先選用進氣閥調節，仍值得采用，因其更安全，更方便，更經濟，更合理。

3 結語

對于透平式氯壓機的過載問題，既要從廣義的角度分析問題，又要結合具體情況具體分析。不僅要關注機組的整體運行參數，還要關注機組內部各級運行參數的關系。

從上述分析看，高于設計工況運行的屬于過載，而低于設計工況運行的，比如排氣壓力過低，則會轉化為另一種過載——流量過大，進而是軸功率過載。且會因加劇各級壓縮參數分配的不合理，導致某些局部易發生故障。