軸流風機流量異常成因分析

楊恩軍+周海賓+劉向陽

摘 要：本文針對洛陽分公司1催化裂化裝置的靜葉可調式軸流風機流量異常下降的現象，結合歷史趨勢和數據對比，根據軸流風機的特性進行理論分析，推斷故障原因可能為葉片結垢或靜葉調節系統故障。通過停機解體檢查情況，進一步確認主因為葉片結垢并進行技術解析，復原故障演變過程，并提出減少軸流風機此類故障現象需要采取的具體措施。

關鍵詞：軸流風機；流量異常；葉片結垢

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A

0.概述

在國民經濟的許多領域中，特別是石油、化工、制冷、動力、采礦和冶金等工業中為了提高工藝氣體的壓力和輸送氣體而廣泛使用壓縮機。在各類壓縮機中，軸流式壓縮機具有效率高、流量大、重量輕、體積小等優點，故在大型石油煉制企業中，催化裂化單元再生器燒焦所需風量大而壓力不高，大多選用軸流式壓縮機。但軸流式壓縮機也存在穩定工作范圍較窄、對工質中的雜質敏感、葉片易受磨損等缺點，所以為了保證軸流式壓縮機組安全可靠運行，要配置高精度的空氣過濾器來滿足機組對壓縮氣體的要求。

1.軸流風機的特性

（1）軸流風機入口空氣的溫度、濕度變化對流量的影響符合氣體狀態方程。實際生產中，其變化值也可參考機組喘振線的標定數據進行對比印證。

（2）由于軸流風機主要是依靠葉柵的擴壓作用來提高氣體壓力，氣流沖角對葉柵的性能非常敏感。在實際應用中，一般通過改變靜葉柵角度（即通常所說的靜葉角度）來改變氣流沖角，從而使機組的風量發生變化來調節風量，達到在滿足工藝要求的前提下降低動力消耗。

（3）軸流風機動靜葉片的葉型決定了葉柵的級壓比和效率，決定了風機的整機性能。目前軸流風機的動靜葉片大多為三元流設計，整機效率較高。但由于精度較高，若外部干擾因素造成葉片損傷或者葉片結垢即葉型發生了改變，那么壓縮機的壓縮比和效率就會下降，葉片的結垢問題還會造成軸流風機的操作范圍變窄，在極端情況下會影響到軸系的動平衡而造成停機事故。

2.風機流量異常現象分析

2013年1月～2月份長期持續霧霾天氣，洛陽分公司1#催化裂化裝置為再生器燒焦供風的靜葉可調式軸流風機（工藝編號：3#主風機組）在靜葉幾乎全開的狀態下風量日趨變小，且每天伴隨著氣溫的變化，風量波動幅度超過正常值。為了防止機組喘振，不得不降低風機出口壓力來控制機組的喘振余量，從而導致再生器的壓力過低，燒焦效果變差，產品分布惡化，裝置指標和經濟效益下降。若機組工況進一步惡化，很可能造成裝置大幅降量甚至緊急停工。

為了判斷機組運行工況的變化趨勢，對機組入口溫度、流量、靜葉開度和出口壓力等主要參數從1月份至2月初的運行趨勢進行了匯總分析，在入口溫度0～10℃變化范圍不大的情況下，1月19日前入口風量平均值大約為2450Nm3/min，2月初逐步下降至平均2350Nm3/min。1月19日前風機出口壓力能夠維持在0.23MPaG，隨后即使不斷開大靜葉角度，風量沒有上升反而下降，2月初逐步降至0.2～0.21MPaG。這說明和正常情況相比，開大靜葉角度對風量的提高已經失效，在靜葉角度保持接近全開的情況下，風量和出口壓力均出現了大幅下降的現象。從整機性能來講，風機的能力嚴重下滑。

在氣溫變化較快和靜葉微調時，風量出現了突降突升的異常趨勢。通過軸系的監測數據發現主風機的振動值也出現較小范圍的波動，以出口振動值變化較明顯。這說明外部因素已經嚴重干擾到風量的穩定。但風量的突降之后能夠迅速恢復，就比較難以理解。若是動或（和）靜葉片結垢造成葉片的葉型改變。則風量的突降之后迅速回升較容易理解，但結垢能否造成風量的幅度突降突升需要進行考證。

3.機組檢修及主因確認

通過以上分析，雖然無法最終確認原因，但無論是靜葉調節系統的問題還是葉片結垢的問題都需要停機檢查和檢修，因此在做好備用的1#主風機組試運工作后，于2013年5月14日將3#主風機組切至1#主風機組運行。隨后，在3#主風機組無負荷的情況下對靜葉調節機構進行調試，調試結果為能夠在正常范圍內動作，但存在動作滯后的現象。次日對3#主風機組進行解體檢修。

3.1 機組解體檢查情況

（1）入口導葉和一、二級靜葉結垢較為嚴重，尤其是一級和二級靜葉的迎風面結垢非常厚且表面凹凸不平，靠近機組里側比外側結垢嚴重。從流動特性來分析，由于機組外側氣流的圓周速度較高，故外側結垢較薄；在靜葉接近全開位置時，由于迎風面結垢較厚且表面凹凸不平，導致氣流在葉弧處的正沖角度不一致，導致氣流旋渦的產生，流動方向較為發散，形成二次流，造成風機能量損失加大，效率下降和風量的劇烈變化。由于存在多級動靜葉片，故存在疊加放大的作用，但以端部基元級即第一級最為嚴重。因此，從葉片的原始葉型和目前的葉型對比來說，原始的動靜葉片均為三元流設計，葉片呈現較為完美的流線型弧線。而葉片結垢后葉片的弧線將不在是光滑的圓弧過渡或者說不是流線型。當氣流沖角發生變化并且在葉弧處的沖角不一致時氣流的流動方向發生了較大改變，表現出風量的劇烈變化。

（2）一級動葉受力面的結垢比葉背弧結垢嚴重，受力面的葉根結垢嚴重，葉頂則基本沒有結垢，同樣說明了因機組外側即葉頂的線速度較高，故越靠近葉根則結垢越嚴重。同時由于受力面存在較大的正壓力，高速行進中的黏性物質黏結在在葉片的受力面上，而葉背弧正壓力要小得多而僅是在正沖著氣流的葉片邊緣上附著。由于動葉片與氣流之間的相對速度要比靜葉片與氣流之間的相對速度大，故靜葉片要比動葉片結垢嚴重得多。

（3）靜葉片的轉軸處也存在積灰或結垢現象。考慮到3#主風機組從1989年投用至今，靜葉片轉軸處的石墨軸承一直沒有更換過，因此將轉軸和石墨軸承解體，發現石墨軸承存在磨損導致轉軸和石墨軸承之間存在縫隙，超過允許值，從而為灰塵和水汽的侵入創造了條件。隨著濕灰塵長時間的沉積導致靜葉活動不靈敏。

通過以上檢查情況和分析判斷，可以確定：導致風量異常波動、壓縮機壓比下降、效率降低的主要原因是動靜葉片結垢。

3.2 結垢物質化驗分析情況

對結垢物質進行取樣，在化驗分析時考慮到周邊環境大氣中可能產生的污染源和化驗分析的方法，以確認有機物和無機物的比例為目標進行化驗。化驗結果顯示，結垢物質中90%以上的成分能夠燃燒，殘留的灰分小于10%。因此，根據企業生產性質和周邊環境推斷：結垢物質中存在微小的焦粉、煤粉、重質油氣等有機物，同時存在少量無機物粉塵。

結語

為了避免出現同類事故，應從檢修質量、入口過濾器維護和環境治理等方面做好防范措施：

（1）機組檢修時應盡可能將機組入口管道、機組內部構件清洗干凈，確保動靜葉片上沒有污垢。

（2）檢修時確保各運行機構動作靈敏到位，同時盡可能提高動靜葉片本身的光潔度，降低固體顆粒附著的機率。

（3）空氣入口過濾器的過濾精度要適中并提高過濾效率，減少固體顆粒的攜帶量。當遇到霧霾天氣時，應及時更換過濾器濾芯，不得犧牲過濾效果來提高風量。

（4）加強周圍環境污染的治理工作，減少大氣中顆粒物的含量。

參考文獻

[1]黃鐘岳，等.透平式壓縮機[M].北京：化學工業出版社，2004.

[2]杜揚.流體力學[M].北京：中國石化出版社，2008.