氣壓機轉速頻繁波動故障分析及解決方法

戰友亮，曹吉民，張文壇

（中國石油大港石化公司，天津 300280）

1 問題

大港石化公司140萬t/a催化裂化裝置氣壓機組使用的是1996年從美Elliott引進的蒸汽透平式離心壓縮機，由3M8I型離心式壓縮機和SRV4-3型汽輪機組成。2014年5月催化裝置檢修后，氣壓機組轉速波動現象加劇，幅度由50 r/min增至100 r/min。

2 氣壓機轉速調節原理

（1）轉速調節原理。正常調節模式下，轉速由PID控制器控制對轉速設定值和測量值進行比較運算后，轉換成4～20 mA電信號，輸出至VALTEK定位器，電信號經電氣轉換器調制并輸出調節氣，調節氣驅動調節閥活塞聯動活塞桿升降，活塞桿帶動杠桿經活動支點升降油動機錯油門，錯油門驅動控制油推動油動機柱塞和柱塞桿做升降運動，柱塞桿帶動連桿，再經多次傳動最終控制調節汽閥的開度變化來改變進汽量，實現轉速控制。

（2）機械反饋。在調節穩態，錯油門處于平衡位置。在調節動作過程中，只有在杠桿另一側的調節閥活塞桿撬動下，杠桿活動支點錯油門作升降運動。調節閥活塞桿停止后，轉動支架移動杠桿支點，連桿動作同時，連桿上的凸輪通過轉動支架上的軸承將凸輪的曲線運動傳遞轉換為轉動支架支點的轉動，轉動支架帶動反饋杠桿使錯油閥閥門反方向復位，油動機停止動作，完成一個調節動作。

3 氣壓機轉速波動原因分析

氣壓機組由背壓式汽輪機和富氣壓縮機組成，原動機汽輪機受到的中、低壓蒸汽溫度和壓力，可能會影響轉速的平穩。結合轉速、富氣溫度歷史趨勢發現，富氣溫度變化影響氣壓機的轉速，但這些因素不會頻繁影響氣壓機的轉速，而且轉速的波動不會達到100 r/min。排查從氣壓機調速系統的上位程序、現場儀表、機械傳動等每個環節，結合轉速歷史趨勢、調速機構現場問題及調速系統工作原理，分析認為引起氣壓機轉速大幅波動有3個主要因素：①當氣壓機轉速較大波動時，手動模式的預開功能會打開防喘振控制閥，引起反應器壓力波動，也會加劇轉速的波動；②凸輪與反饋軸承的持續磨損，使杠桿活動支點的整體運行軌跡與原始軌跡偏離，調節過程中錯油門無法復位，油動機錯油門處于微開狀態，1個調節動作始終無法完成，造成轉速持續波動。磨損導致反饋杠桿活動支點的運行軌跡上移，錯油閥閥芯同處于向上偏離平衡位置，這恰恰是降速的位置，造成實際轉速向下偏離設定轉速幅度較大的現象。凸輪與反饋軸承的持續磨損應是機組轉速波動且逐漸加劇的主要原因；③氣壓機轉速＜5560 r/min時，第五個調速氣門處于開關臨界區引起蒸汽量變化。

4 解決方法

4.1 修改氣壓機防喘振控制系統程序

氣壓機組轉速控制系統是Elliott公司配套供貨的EDS（Elliott Digital System），防喘振控制功能由獨立的Elliott防喘振控制器完成。2002年將該控制系統進行了升級，改造為Triconex的三重冗余容錯的TS3000控制系統，集超速自保聯鎖邏輯控制、防喘振控制等為一體，取消了原來獨立的防喘振控制器，防喘振控制功能通過Triconex系統軟件實現。

防喘振控制系統分為自動、手動、手手動3種模式，氣壓機防喘振控制程序修改后，在手手動模式下，氣壓機出現喘振時，防喘振閥不會打開保護機組，存在安全隱患。當氣壓機轉速較大波動時，手動模式的預開功能會打開防喘振控制閥，引起反應器壓力波動，也會加劇轉速的波動。因此需要在線對防喘振程序進行修改，即防喘振控制器選擇手手動模式，氣壓機出現喘振時，防喘振閥能夠立即打開消除喘振。

（1）喘振算法及控制線。TS3000防喘振控制算法適用于多工況，進氣參數變化的場合，其中，壓比式（Pd/Ps～h/Ps%）控制算法適于進氣壓力變化場合。縱坐標Pd/Ps，橫坐標h/Ps，計算喘振點的數學模型：h/Ps%=100 （ΔP/ΔPmax）（Pr/Ps）（Ts/Tr）（Z/Zr）（MWr/MW），式中Pr，Tr，是設計的參考壓力和溫度；MWr是相對分子質量；Zr為壓縮比；Ps是入口壓力；Ts是入口溫度；ΔP是入口流量變送器差壓；ΔPmax為入口流量最大差壓。一般情況下，防喘振控制中只考慮流量、入口壓力的變化，因此公式可簡化為h/Ps%=100（ΔPm/ΔPmax（Pr/Ps）2。

（2）安全邊界重新校驗。該機組的喘振組態中，控制線數據是喘振線數據的110%，控制線下面隱藏一條線（紫色），如果系統檢測到工作點越過喘振線，表示喘振已發生，為增加控制裕度，安全邊界增加一固定值（紫線出來并向右移動2%），這時紫線變成了控制線，每次偏置為2%，最大為100%。工況正常后可以通過喘振偏置復位按鈕進行復位，恢復偏置到初始值的10%。

（3）預開功能。工作點和控制點（也叫徘徊點）的間距是固定值d。控制點移動速率為1%，當工作點向右快速移動（速率＞1%），控制點為保持d值將跟蹤工作點，如果跟蹤不上工作點，防喘振控制閥快速打開一定閥位消除這種波動后關閉回原來的閥位。

（4）適配增益和不對稱響應。工作點在喘振控制線的右側時，減少比例P的作用，增大積分I的作用，回流閥較慢打開。當工作點在喘振控制線的左側時，增大比例P的作用，減少積分I的作用，回流閥較快打開。但是慢關特性又限制回流閥關的速度，以使機組平穩的恢復正常工作點。

（5）PI調節功能。徘徊點與控制點的高選為PI調節的給定點。正常工況下，徘徊點在操作點左側一定距離，考慮到氣壓機的壓力不高，喘振裕度很大，設定該值為10%。徘徊點跟隨操作點的變化趨勢以固定速度變化，當操作點較快下降時，將會接近徘徊點，PI的偏差變小，在PI作用下調節輸出。喘振控制器的輸出信號設定一定的速率，快開慢關。當需要打開喘振閥門時，沒有速率限制，會以PI的實際信號迅速打開閥門；當工作點安全地移到喘振控制線的右方，防喘振閥以設定速率慢關，保證平穩地將透平驅動機及工況控制器調整到新的工作條件下。

（6）比例特性。TS3000系統有一個純比例控制功能，這個功能可強制打開防喘振控制閥，而不管當時的PI控制器的作用。如果工藝擾動較大，工作點迅速移動到喘振控制線的左邊，而通常的調節不能滿足調節要求，這時比例特性發揮作用。當工作點達到喘振控制線的左邊時，回流閥按照PID控制器設置打開回流閥，如果繼續向左移動到某一設定的范圍時（該范圍指控制線左邊存在一條虛擬線距離控制線30%），比例特性和PID控制器高選后直接控制回流閥，工作點達到喘振線上，回流閥全開。

（7）防喘振控制方式。①“自動”模式時，防喘振控制器具有預開功能、安全邊界重新校驗、適配增益和不對稱響應、比例特性，壓縮機根據曲線自動控制反飛動控制閥開關。防喘振閥門能夠出現喘振時自動全部打開，喘振結束自動全關閉；②“手動”模式時，指位于自動和手手動的高級選者，手動到自動切換為無擾動切換，壓縮機根據曲線自動控制反飛動控制閥自動開手動關。出現喘振時，閥門開至解除喘振，然后開始關閉至原來開度；③“手手動”模式時，操作員手動開關防喘振控制閥，當出現喘振時，防喘振控制閥無法打開，手手動狀態，氣壓機出現喘振時，控制閥不會打開保護機組，存在安全隱患。因此需要在線對防喘振程序進行了修改，手手動模式，當氣壓機出現喘振時，防喘振閥能夠打開消除喘振后回到原閥位。

4.2 在線調整氣壓機轉速反饋軸承位置

通過測量發現反饋軸承外圈存在1.3 mm磨損，經過理論分析認為這可能就是引起轉速波動的原因，開機更換反饋軸承不具備條件，但是將其旋轉避開磨損部位能夠解決轉速的波動。7月28日，車間按照調整反饋軸承的方案進行了實施，將調速系統的反饋軸承旋轉180°，避開反饋軸承的磨損部位，調整后解決了轉速大幅波動的問題。

5 實施效果

氣壓機防喘振控制系統程序修改后，手手動模式時，當氣壓機出現喘振時，防喘振閥能夠打開消除喘振保護機組，解決了防喘振控制程序的不足。在線調整反饋軸承位置后，轉速沒有出現大幅波動，實際轉速能夠及時跟蹤設定值，氣壓機轉速的平穩不僅消除了對上下游裝置的影響，同時每小時可以節約中壓蒸汽2 t，保證了催化裂化裝置長周期穩定運行。

［1］大港石化公司催化裝置操作規程［R］.2015.