淺談日立二氧化碳壓縮機(jī)原始開車問題及解決措施

程晶晶

（重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國 重慶 402760）

重慶建峰工業(yè)集團(tuán)化肥分公司第二套大化肥（簡稱建峰二化），建峰二化年產(chǎn)80 萬噸尿素裝置采用荷蘭斯塔米卡邦的二氧化碳汽提工藝，二氧化碳壓縮機(jī)組采用日本日立兩缸四段壓縮機(jī)，高壓缸型號2BCH306/A，低壓缸型號2MCH606，由抽汽注汽冷凝式汽輪機(jī)驅(qū)動。控制系統(tǒng)為美國TRICONEX 公司的TRICONTS3000 系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用三重冗余容錯的結(jié)構(gòu)，有較高的控制精度和可靠性。機(jī)組的監(jiān)測系統(tǒng)采用BENTLY NEVADA 的3500 系統(tǒng)。二氧化碳壓縮機(jī)在試車過程中，因低壓缸喘振和齒輪箱振動高跳車，導(dǎo)致無法開車同時也影響了設(shè)備的正常使用壽命。

1 二氧化碳壓縮機(jī)工藝流程簡介

二氧化碳壓縮機(jī)采用46bar385℃的蒸汽透平驅(qū)動，將合成氨送來的壓力為15kPa 的CO2升壓到14.7MPa，二氧化碳壓縮機(jī)的工藝流程由潤滑油系統(tǒng)、密封氣系統(tǒng)、工藝氣流程和防喘振流程等構(gòu)成。密封氣在開車前采用氮?dú)猓_車之后采用3 段出口的二氧化碳作為密封氣，供氣壓力為0.6MPa 以上，通過自力式調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)到壓差為10KPa 后進(jìn)入壓縮機(jī)的密封系統(tǒng)。

2 機(jī)組調(diào)速模式介紹

以10 種模式控制二氧化碳壓縮機(jī)電子調(diào)速，修改前的升速模式如表1 所示。

表1 升速模式

電子調(diào)速系統(tǒng)：

電子調(diào)速系統(tǒng)包含了TS3000 速度控制器，獨(dú)立的電子超速保護(hù)控制器，無源轉(zhuǎn)速探頭，油動機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，超速跳車聯(lián)鎖系統(tǒng)。

1）超速保護(hù)控制

本套系統(tǒng)設(shè)置了獨(dú)立的電子超速保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)組的超速保護(hù)功能，通過3 個獨(dú)立的轉(zhuǎn)速探頭和速度模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測定和超速的判定，通過繼電器模塊三取二邏輯實(shí)現(xiàn)。超速保護(hù)系統(tǒng)檢測到汽輪機(jī)超速信號，發(fā)出跳閘信號到獨(dú)立的跳車電磁閥，跳車電磁閥發(fā)出動作，將去速關(guān)閥的調(diào)速油泄掉，速關(guān)閥靠本身彈簧的力量迅速關(guān)閉，截?cái)嘀髡羝M(jìn)入，壓縮機(jī)停機(jī)。

2）電子調(diào)速

電子調(diào)速由電子調(diào)速器控制汽輪機(jī)由零轉(zhuǎn)速按照設(shè)備要求自動升速至汽輪機(jī)正常工作轉(zhuǎn)速和安全停車，由成熟的電子測速系統(tǒng)和油動機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電子調(diào)速控制和蒸汽壓力控制。二氧化碳壓縮機(jī)機(jī)組安裝6 個無源轉(zhuǎn)速探頭，其中3 個獨(dú)立的轉(zhuǎn)速探頭進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測定實(shí)現(xiàn)三取二聯(lián)鎖跳車，2 個轉(zhuǎn)速探討用作轉(zhuǎn)速顯示，1 個轉(zhuǎn)速探頭去實(shí)現(xiàn)電子超速跳車。系統(tǒng)內(nèi)的速度控制模塊接收經(jīng)PI 卡處理過的速度信號，采取三取中、二取高、一取一的選擇策略，進(jìn)行調(diào)速運(yùn)算，控制調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)自動啟動、速度控制、臨界轉(zhuǎn)速避免、超速試驗(yàn)等功能。性能控制模塊以出口壓力作為控制變量，經(jīng)PID 回路運(yùn)算串級控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，同時可設(shè)置轉(zhuǎn)速作為替代控制變量，在主控回路出現(xiàn)故障時可自動切換到替代回路。

3 機(jī)組在轉(zhuǎn)速為4400～5300rpm 期間低壓缸的喘振

3.1 臨界轉(zhuǎn)速概念

轉(zhuǎn)子是一個彈性體，具有一定的自由振動頻率，即轉(zhuǎn)子固有振動頻率。轉(zhuǎn)子在制造過程中，由于軸的中心和轉(zhuǎn)子的中心不可能完全重合，總有一定偏心，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動后就產(chǎn)生離心力，離心力就引起轉(zhuǎn)子的強(qiáng)迫振動，當(dāng)強(qiáng)迫振動頻率和轉(zhuǎn)子固有頻率相同或成比例時，就會產(chǎn)生共振，使振幅突然增大，這時的轉(zhuǎn)速即為臨界轉(zhuǎn)速。同時轉(zhuǎn)子還存在固有的扭轉(zhuǎn)自振頻率，也是轉(zhuǎn)子軸系的固有特性，取決于轉(zhuǎn)子本身的材料、結(jié)構(gòu)、連接方式、聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)和材料等時，轉(zhuǎn)子處于共振狀態(tài)，這時的轉(zhuǎn)速即為扭轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速主要是研究轉(zhuǎn)子的橫向彎曲振動與扭轉(zhuǎn)振動問題[1]。

當(dāng)轉(zhuǎn)子在啟停的升速或降速過程中，如果轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速下或停滯在其附近運(yùn)行時，會出現(xiàn)劇烈的振動，軸的彎曲度明顯增大，疲勞加劇，運(yùn)行時間稍長還會造成軸的嚴(yán)重彎曲變形或折斷，以至軸或軸上零件乃至整個機(jī)器遭到破壞。因此，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速應(yīng)避開臨界轉(zhuǎn)速，一般工作轉(zhuǎn)速偏離臨界轉(zhuǎn)速10%以上。在機(jī)組啟動升速過程中要加大升速速率迅速且平穩(wěn)地通過臨界轉(zhuǎn)速，而不應(yīng)該在臨界轉(zhuǎn)速下或者臨界區(qū)附近停留。

3.2 處理方法

二氧化碳壓縮機(jī)開車過程中，在二氧化碳入口壓力和蒸汽透平運(yùn)行穩(wěn)定的情況下，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速從0rpm～4400rpm 時機(jī)組一切正常，此時在機(jī)組控制系統(tǒng)ITCC 的調(diào)節(jié)下二段壓縮回一段及四段壓縮回三段的兩段防喘閥自動全開。當(dāng)轉(zhuǎn)速越過4400rpm 后低壓缸開始出現(xiàn)異音，在二段壓縮出口管線上能聽見明顯的異音同時能看見管道的振動。隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步升高，在S01/S102/S103 分離罐處能明顯聽見氣體的來回震蕩的異音。在機(jī)組通過5300rpm 后在沒有進(jìn)行任何操作干預(yù)的前提下喘振迅速消失。反之在機(jī)組正常停運(yùn)過程，當(dāng)轉(zhuǎn)速在ITCC 的控制下轉(zhuǎn)速由工作轉(zhuǎn)速逐漸下降5300rpm 后開始喘振。但軸承的振動和溫度沒有異常變化。

處理方法：將二段壓縮回一段的防喘閥FV7001 解體沒有發(fā)現(xiàn)明顯異常。壓縮機(jī)原來設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速為2500rpm，經(jīng)過分析認(rèn)為是低壓缸在低轉(zhuǎn)速下流通能力不足造成，將一階暖機(jī)轉(zhuǎn)速由2950rpm 調(diào)整至3200rpm，將二階暖機(jī)轉(zhuǎn)速由4400rpm 調(diào)整至5200rpm，日立和我廠人員共同討論后同時采用的辦法是通過人為在現(xiàn)場手動打開一段、二段出口安全閥副線將二氧化碳部分放空，最終喘振現(xiàn)象消除。

結(jié)論：雖然通過調(diào)整暖機(jī)轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)安全閥副線消除啟動過程低壓缸的喘振，但日立沒有提出有充分的證據(jù)解釋為何會出現(xiàn)這種狀況，而僅僅認(rèn)為是二氧化碳本身的特性決定了機(jī)組易喘振。此外臨時采取的開安全閥副線的應(yīng)急措施畢竟不是正規(guī)的操作方法。一方面，長期這樣操作必會造成安全閥副線由于沖刷出現(xiàn)泄漏，給機(jī)組本身和尿素裝置的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響；另一方面，由于必須到現(xiàn)場操作和配合在緊急停車的情況下會由于操作不及時、不匹配造成機(jī)組喘振或停車。

4 齒輪箱低速軸振動高

現(xiàn)象及處理方法：二氧化碳壓縮機(jī)開車過程中，在二氧化碳機(jī)轉(zhuǎn)速從5300rpm 開始后齒輪箱低速軸振動由10μm 左右開始上漲，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速上升當(dāng)?shù)竭_(dá)6300rpm 左右時齒輪箱振動急速增加。二氧化碳壓縮機(jī)的軸系圖如圖一所示，試車過程中機(jī)組轉(zhuǎn)速在5500～5900rpm曾因振動值超過147μm 而聯(lián)鎖停車。最后日立提出修改振動聯(lián)鎖值，將聯(lián)鎖值由147μm 提高到200μm，而機(jī)組振動值的量程為0～200μm，機(jī)組在6700～6800rpm 時最高達(dá)到180μm，在機(jī)組轉(zhuǎn)速超過6950rpm左右時振動瞬間下降到10μm 左右。在機(jī)組正常停運(yùn)過程，當(dāng)轉(zhuǎn)速在ITCC 的控制下轉(zhuǎn)速由工作轉(zhuǎn)速逐漸下降5900rpm 后振動開始上升。但軸承的振動和溫度沒有異常變化。修改升速曲線，改變暖機(jī)轉(zhuǎn)速。

表2 升速模式

模式修改后兼顧了低壓缸喘振和低速振動兩方面因素，修改后的二氧化碳壓縮機(jī)升速曲線和暖機(jī)時間如下表2，轉(zhuǎn)速升從5200rpm 升至最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速7000rpm 的升速速率由原來的596rpm改為1000rpm，修改后的升速曲線能夠快速通過喘振區(qū)和高振動區(qū)。

結(jié)論：雖然通過修改聯(lián)鎖值和升速速率，但振動高的現(xiàn)象仍然存在，只是保證了機(jī)組可以將轉(zhuǎn)速升到設(shè)計(jì)值，同時減少了在振動區(qū)的停留時間進(jìn)而降低對設(shè)備的影響程度。

［1］黃鐘岳,王曉放.透平式壓縮機(jī)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.