透平式壓縮機壓縮比異常現象及影響因素

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）

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透平式壓縮機壓縮比異常現象及影響因素

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）

摘要：通過透平式壓縮機壓縮比異常現象，分析了影響壓縮比計算的因素并提出了綜合判斷壓縮比狀況的方法。

關鍵詞：透平；壓縮機；壓縮比；影響因素

在氯堿行業氯氣輸送設備中，透平式氯壓機因輸送能力大、效率高、能耗低而被廣泛應用。但透平式壓縮機因高速轉子的可傾瓦軸承軸瓦及氣體密封件損壞而停運維修的占絕大部分，綜其原因，多與發生振動甚至喘振有關。

1　壓縮比異常的征兆

透平機的壓縮比是其進排氣絕對壓力之比。在計算透平機壓縮比時，往往會出現壓縮比并不高，但又出現了喘振前兆甚至因振動而損壞。影響壓縮比計算因素如下。

（1）主機振動及噪聲增大。如出現明顯振動且伴有周期性喘息狀異響，則是喘振發生，須立即采取措施，最快速有效的方法是迅速開啟小回流（即防喘裝置），然后再調整進氣閥門或協調其他工段以改善透平機的運行狀況。其主要目的是降低壓縮比以增加流量，即使未發生喘振，但主機在運行中出現振動及噪聲，也多與壓縮比過高有關，處置方法是適當提高進氣壓力或降低排氣壓力。

（2）高速軸振幅增大。如出現喘振前兆，其表現往往是高速軸振幅增加，當壓縮比偏大但并不十分接近喘振流量對應的壓縮比時，其振幅增加往往是漸進性的，只要查看DCS歷史趨勢曲線即可發現。這是因為當高速軸受到的振動力增加時，其軸承磨損會增加，軸承間隙隨之增大，油膜剛度、強度下降，軸承對軸的約束力削弱，軸的振幅就會增大，且隨磨損的增大，振幅增大的速度加快。

（3）高速軸瓦、氣封、葉輪及端封磨損加快。根據軸功率傳遞及軸承受力分析，對兩級壓縮的透平機而言，當壓縮比偏高時，二級側各件易發生磨損。反之，如壓縮比偏低時，一級側各件易發生磨損。

（4）軸瓦溫升增大。當供油壓力穩定時，其對各摩擦副的供油量也應是穩定的。如果壓縮比異常，則軸承摩擦加劇，摩擦功耗增大，軸瓦的溫升就會增加。

（5）供油與油箱溫差增加。因排油溫度沒有測量設置，只能通過油箱油溫間接顯示。如上同理，當壓縮比異常而軸承摩擦加劇時，油箱溫度會隨回油溫度的升高而升高，而供油是經油冷卻器冷卻的，在冷卻水溫度基本不變的情況下，供油溫度相對穩定，或變化較小且變化相對滯后，結果是供油與油箱溫差就會增加。

（6）電流異常。電流偏低兆示壓縮比偏高；電流偏高，意味著壓縮比偏低。

2　影響透平機壓縮比計算的因素

2.1海拔高度的影響

由于透平機供應廠家均處低海拔地區，已習慣于直接以表壓數據加上標準大氣壓作為絕對壓力用于計算壓縮比，這種方法對于低海拔地區且透平機運行壓縮比較設計接近時，其誤差并不大。但對于海拔較高地區，此方法計算結果與實際情況相去甚遠。如甘肅某氯堿企業，其氯氣透平機訂貨參數：進氣為0.100 5 MPa（G），排氣為0.3 MPa（A），壓縮比約為4。多次反映運行情況不好，其反饋信息為進氣-10 kPa （G），排氣220 kPa（G），按低海拔地區習慣算法壓縮比約為（220+100/（-10+100）=3.56，壓縮比并不高。應該公司要求，陽光集團派技術人員去現場協助排查原因。當問及當地大氣壓時，回答是82.5 kPa（A）。再查當地高程及大氣壓時發現當地海拔為1 650 m，應為82 kPa（A）左右。計算透平機運行壓縮比為：（220+82）/（-10+82）=4.2。查看該企業運行數據，有不少時段壓縮比超過設計值。再考慮之前其反映電流不足250 A，而配備200 kW電機的其他機組電流多在300 A以上，且有低于290 A就無法運行的先例。進一步證實該機組是由于忽略了海拔高程對大氣壓的影響，從而使壓縮比計算偏差所致。該企業在陽光集團技術人員指導下調整了壓縮比后運行情況良好。

此事例提示地處海拔較高的地區，特別是地處青藏、云貴、黃土、內蒙古等高原的企業在根據表壓數據計算壓縮比時尤其要注意當地大氣壓的影響。

2.2氣體雜質使進口堵塞

氣體雜質使葉輪堵塞能夠引起透平式壓縮機高速轉子振動、磨損，對這一點一般不會質疑，但對由于進氣口堵塞而影響運行壓縮比這一點往往會被忽略。尤其是進氣濾網堵塞，因其設置在進氣測壓點之后，其產生的壓力降不可能被測到，從而被忽視。

福建某企業的氯氣透平機在運行一段時間后，反映設備數次出現軸振偏高的現象，沒有明顯的頻度規律。維修人員到現場檢查，沒有發現明顯異常。調取數據發現機組壓縮比2.5左右，遠低于設計值。一級進排氣壓力基本正常，而二級進排氣壓力差別不大，壓縮比約為1.2左右，明顯低于2左右的設計值。再查看運行電流發現明顯偏低，一般判斷應存在壓縮比偏高，這明顯與壓縮比偏低的數據不符。經分析，如果二級進氣口堵塞導致二級實際進口壓力偏低，從而使二級實際運行壓縮比偏高導致振動的可能性很大。雙方隨后共同打開檢查，發現二級進氣濾網嚴重堵塞，在清除濾網積垢后故障排除。

2.3測壓點位置的影響

測壓點的位置應是距離進出口越近其偏差愈小。但往往由于顧及操作習慣、觀察方便、投資等原因，測壓點安裝位置往往距進出口較遠，甚至隔著閥門和設備，這就可能影響到壓縮比計算的偏差過大，嚴重時會引起判斷失誤。

2.3.1進氣測壓點裝在進氣閥門之前

測壓點安裝在入口閥前，如此閥為截止閥等阻力較大的閥，其影響較大，如用的是蝶閥等阻力較小的閥，其影響會小些。具體影響程度與閥門開度有關，隨閥門開度減小而增大，隨閥門開度增大而減小。

這種情況如進氣管道同時裝有進氣閥和止回閥，測壓點裝在這些閥前，其測量值與進口實際壓力值偏差更大。

在這種情況下，往往幾臺并聯的透平壓縮機，具有十分相近的進口壓力值。完全忽略了各臺設備的個性問題。在閥門處于調節狀態下時，由于忽略了閥的阻力，使得設備運行壓縮比值與實際情況發生出入，甚至在喘振已經發生或出現嚴重的喘振前兆時不能被及時發現，貽誤處置時機導致設備損壞。

這種情況不乏其例，較典型的是山東某企業，在2012年10月至2014年5月，3臺設備反復損壞，周期甚至短達3～5天，3臺設備輪番檢修，損失慘重。直至此問題被發現，調整了操作壓力后問題才得以解決。

2.3.2排氣測壓點裝在換熱器之后

這種情況遠較測壓點裝在入口閥之前普遍。

在設計時，一般將換熱器阻力估計為0.01 MPa，即1米水柱。實際運行中，其進出口壓力差多為6～8 kPa，很少有5 kPa以下的。此阻力如果是在設備運行工況且在設計點附近，其影響或許不大，但當運行工況接近喘振工況，即運行壓縮比高于設計值時，則影響很大。對氯壓機來說，預計喘振流量下的壓縮比較設計壓縮比僅高10%左右。也就是說，在大多數進氣壓力設計為0.09 kPa，排氣壓力設計在0.30～0.40 kPa，其緩沖余量也就是0.030～0.040 kPa、6～8 kPa的影響很大的。如個別企業將測壓點裝在換熱器排氣閥門之后，其影響就更大了。

2.4設備磨損的影響

很多用戶在設備發生故障，維修后再開機出現運行狀況不如以前，其實問題可能由以下原因造成。

2.4.1維修的性質大多數是恢復性的

設備正常維修周期內的故障概率曲線是著名的浴盆曲線，周期剛開始時，是故障高發期，隨著設備的磨合，故障率迅速下降，隨后是穩定的緩慢上升的時期，但隨著設備磨損增加至某一程度，故障率又快速上升，當故障率到了不可接受的程度，就必須投入維修。

設備的檢修一般是恢復性的，只能使設備性能恢復到新設備的某種程度，不可能完全達到新設備的性能，除非進行改良性改造才能使設備性能完全恢復甚至提高。

整個設備壽命周期的故障曲線是維修周期逐漸縮短，故障率逐步上升的一連串的浴盆曲線，當維修投入過高，維修周期不可接受時，就要更新設備，見圖1。

圖1　設備壽命周期故障率

該曲線決定了設備性能是逐漸下降的，維修周期是逐漸縮短的，單位時間內維修投入是逐漸升高的。

2.4.2壓縮比異常引發的設備性能下降是不可逆的

壓縮比異常，尤其是壓縮比過高引起的振動，當高速轉子零件的振幅超過了與其相鄰的零件之間的配合間隙，就會發生磨損甚至刮削，使間隙進一步擴大。比如葉輪與端封或口環磨損，設備內泄漏就會增加，效率就會下降，功耗就會增大。同時，葉輪升高壓力的能力下降。密封部件的磨損會使密封氣耗量增大，密封性能下降。軸瓦的磨損會使軸承的支承能力下降，軸瓦的冷卻效果降低，對軸徑的約束能力下降，從而使振幅增加。

壓縮比大到可以喘振時，透平機可在短時間內損壞甚至報廢，更不用說性能不如以前了。經驗表明，壓縮比過高時，對于兩級壓縮的透平機，二級出問題的概率較高。

壓縮比過低，流量隨之增大，設備內部阻力隨氣體流速的平方而增加。當氣體流量達到某一量時，設備內某處氣流可能接近或達到聲速，此時阻力迅速上升，流量不再增加，功耗卻明顯增加，設備同樣會發生振動甚至損壞，引起設備性能不可逆的降低，這就是所謂的透平機運行阻塞區。壓縮比過低還會引起各級壓縮比分配不合理，對于兩級壓縮的透平機來說，往往表現為一級壓縮比相對偏高，軸功率負擔偏重，故一級容易發生問題。

設備發生故障后，由于備機或費用的原因，用戶大多不愿整機返修，而在現場維修無法進行必要的配修或跑合，其修后性能恢復程度要差一些，有時甚至差很多。故苛求維修后的性能與維修前相同是不合理的。

2.5介質密度對壓縮比的影響

離心式壓縮機壓縮氣體的能力實質上是由氣體的密度所決定的，即離心式壓縮機升高氣體壓力的能力與氣體的密度成正比。

氯氣透平機輸送的介質是氯氣，各企業由于裝置設計及安裝檢漏不同致使氯氣的純度、壓力、溫度各不相同，介質的密度也不相同。

有些用戶訂貨時要求氯氣的純度較高，甚至以電解槽出槽設計純度要求，而在實際運行時，由于氯氣系統密封不良，導致空氣混入純度降低，不僅因體積增加而使氯壓機適應燒堿生產的能力下降，更重要的是使氯氣透平機對氣體壓縮的能力下降。有些用戶所提進氣壓力較高，有時甚至是正壓進氣，而在實際運行中，進氣為負壓，甚至達-20 kPa，致使運行壓縮比遠高于合同要求，從而使設備輸送能力及排氣壓力無法滿足生產需要，此時，如果不想投資改造，要么盡量滿足設計運行條件，要么適當降低運行要求。

影響氯氣密度的另一因素是，剛開車時電解槽排出氯氣純度較低，氯氣輸送管道中存有較多低分子量氣體，此時，應先將低純度氯氣送往次氯酸鈉工段或其他可消耗此氯氣的工段，待純度上來后再投入透平式氯壓機運行。

3　結語

用壓縮比判斷透平式壓縮機的運行狀況較以流量判斷現實而方便。但是，在以壓縮比來判斷設備運行狀況時，必須綜合考慮設備所處位置的海拔高程、介質密度、設備技術狀況，尤其要結合設備運行電流來做綜合判斷。否則，將可能被假象所迷惑。如果經計算設備壓縮比不高，甚至偏低，電流同時偏低的情況下，則可能設備進口不暢，或者存在其他導致壓縮比失真的情況。如果壓縮比偏低，電流偏高，則說明流量偏大，應適當調高壓縮比，一般應調小進氣閥開度。如果運行壓縮比偏高，電流偏低，則說明流量偏小，可適當調大進氣閥門開度。

Compression ratio anomaly and influencing factors of turbo compressor

YANG Jin-shun
（China Pingmei Shenma Group Kaifeng Dongda Chemical Co.，Ltd.，Kaifeng 475003，China）

Abstract：Through the turbine compressor compression ratio anomaly，The influence factors of compression ratio calculation was analyzed，and The Judgment method of compression ratio were put forward.

Key words：turbine；compressor；compression ratio；influence factor

中圖分類號：TQ051.21

文獻標識碼：B

文章編號：1009-1785（2016）02-0031-03

收稿日期：2015-07-28