高溫氣體對壓縮機組的影響

李鵬,王興偉

(沈陽鼓風機集團股份份有限公司,遼寧 沈陽 110869)

高溫氣體對壓縮機組的影響

李鵬,王興偉

(沈陽鼓風機集團股份份有限公司,遼寧 沈陽 110869)

通過對BCL405LNG壓縮機裝置的振動故障原因分析,詳細闡述了離心式壓縮機因機組氣體溫度過高、金屬線性膨脹、氣動及氣體冷卻器、機械原理過程,并對機組發生原因作出了正確的分析判斷,有效解決了該機組在運轉過程重反映出的表理特征問.

離心式結構;BCL型壓縮機;氣體冷卻器;金屬熱膨脹;性能試驗

BCL405LNG壓縮機于2010年10月在用戶現場安裝完畢,并在用戶現場運轉近4年多來一直很好,機組運轉的各項參數指標(振動、溫度、壓力等)都在技術要求范圍之內.機組布置如圖1所示.

圖1

2014年12月8日夜,用戶現場突然防喘振氣體管路的氣體冷卻器溫度過高而停車.經查找原因是供給防喘振氣體管路的氣體冷卻器的冷卻水停了所致,當時氣體冷卻器的殼體和機組殼體表面溫度高達290℃左右.后經拆檢發現主機(支撐側)軸端密封機殼內端面與轉子平衡盤的鎖螺母相碰并粘合在一起,此次停車還造成隔板束中的3塊隔板中分面變形,有0.5~1mm的縫隙,轉子發黑、打表彎曲0.18mm,與轉子接觸的所有密封都有不同程度的損壞.

1 機組機械運轉原理

該壓縮機組是為中石油某石化分公司化肥裝置設計的天然氣壓縮機LNG,型號為BCL405離心壓縮機,機組是由BCL405壓縮機和汽輪機(EIL IOTT埃利奧特制造)組成,它們之間用膜盤聯軸器聯接,壓縮機與汽輪機共同安裝在同一個鋼制底座上,整個機組裝置共用一個潤滑油站.為保證機組安全的運轉在進、出氣管路之間(氣體壓力和溫度)設置一個防喘振閥及管路、氣體冷卻器.壓縮機的軸端密封由約翰克蘭公司提供的干氣密封,干氣密封的控制系統安裝在現場的底座上(圖2).

圖2

2 機組運轉故障分析

機組氣體工況運轉的原理如下.

該壓縮機是制造氨化肥工藝過程中的主要設備之一.該機組的氣動工作原理是將工藝流程的上游輸送過來的氣體途經本機組的5級葉輪的壓縮將氣體輸送到下游所需的管道中.因該機組設計參數在正常的工況下要求進氣壓力是1.6MPa(A),出口壓力是4.49 MPa(A),其氣壓比為i=2.8.為保證機組在調試正常氣體工況下和異常工況下的氣體穩定性,特在氣體進、出口管路之間上增設了防喘振回路(包括管路、閥門及氣體冷卻器等相關附件).為使機組在某一轉速下,通過對防喘振閥門開度的調試,使機組內的氣體壓力、流量、溫度參數(介質CH4)達到設計工況要求.保證機組氣體工況參數的穩定,還要保證防喘振回路上的自動閥門的靈敏性,這樣機組才能保證正常平穩運轉.

3 氣體溫度升高對壓縮機裝置、部件(金屬材料熱膨脹)的影響

3.1 氣體溫度對氣體冷卻器的效果的影響

對于機組來說氣體分子在轉子高速離心旋轉的作用下,由于溫度不斷升高,使機組內腔的氣體壓力和溫度增高,根據溫度的特性(溫度是具有輻射傳遞的特性),使溫度不僅傳遞到旋轉的轉子上,還要傳遞到定子和管路、冷卻器上.

3.1.1 機組的參數的穩定調節

為保證機組在正常工況下的壓力、流量及溫度處在設計要求參數穩定的范圍內,特在進、出氣管路之間增設了防喘振功能等相關元件來調節管道中的氣體壓力、流量、溫度.為使氣體的溫度能降下來并達到機組進氣溫度要求,在防喘振回路閥門后通向機組進氣管路之間增設氣體冷卻器以調節機組進氣管路的氣體壓力、流量、溫度的(進氣壓力是1.6MPa(A)、進口流量為43557/45797nm3/h、進口溫度25℃)穩定.

3.1.2 防喘振閥的工作原理

在工況轉速下,經過計算選擇防喘振管路及閥門(規格DN100、壓力6.0MPa,具有可調節功能的).在設定的工況極限壓力之下,當氣體達到這個壓力設定值時(壓力值5.0MPa)使氣體起到快速收斂的作用.當閥門采用手動或自動打開,使高溫氣體(出口溫度124.3℃)快速通過流入到氣體冷卻器進行氣體冷卻.降低機組內的氣體出口壓力,從而使機組平穩的運轉,達到快速調節的功能作用.

3.1.3 金屬熱膨脹對冷卻器冷卻效果的影響

根據這次機組停車后所查找的工作記錄數據及現場巡檢工作人員對現場當時所發現的情況,其在機組和防喘振氣體冷卻器表面溫度過高、冒煙現象,其所測得的表面溫度值達290℃左右,遠超出設計所要求的殼內溫度(出口溫度124.3℃),氣體冷卻器表面溫度應小于150℃.經查找分析是供給通向氣體冷卻器的冷卻水泵意外爆機而停車所致.

3.2 氣體溫度對轉子軸和葉輪的軸向間隙的影響

因為金屬材料的特性其線性膨脹系數略有差異,所以在正常工況溫度下或超高溫度下,其金屬的線性膨脹量是不同的.因此在設計機組結構時就考慮了這一特性,特在定子上的隔板、轉子上的葉輪部件軸向之間設計了要求值(即b=±3.5),轉子軸向自由端與軸端密封之間設計了要求值(即a=±1.5).

3.2.1 葉輪與隔板之間的軸向間隙的影響

對于壓縮機來說葉輪與相鄰隔板之間的間隙在設計時除要考慮機組的氣動工況參數,特別是還要考慮氣體溫度.溫度的高低決定著隔板在氣體壓力作用下的強度.所以,在設計機組結構時除了要考慮隔板的強度、級間壓比差外,還要考慮轉子在氣體壓力、溫度下,轉子上的每級葉輪在隔板之間的軸向間隙.它所給的軸向間隙大小是關系到轉子在正常、異常工況下安全運轉的考核檢查指標.該機組定子上的隔板、轉子上的葉輪軸向之間設計要求值為b≥3.5.該機組在發生事故后經分析復效檢測該隔板和葉輪之間的實際測量尺寸也符合設計要求(即b=3.7).同時在對隔板和葉輪表面檢查時也沒有檢查到刮傷的痕跡.說明該機組設計所給的要求值滿足工況異常要求(當時機組內腔的轉子和隔板溫度應大于300℃).

3.2.2 轉子軸向端面與軸向端密封之間間隙的影響

對于壓縮機的轉子在設計時除要考慮氣動工況參數,還要考慮轉子在高速運轉情況下各種氣體溫度的變化對轉子的強度及應力的影響.尤其是氣體溫度的高低決定著葉輪、主軸在氣體壓力的作用下的強度.同時還要考慮轉子在運轉過程中承受著熱膨脹、熱變形、熱應力以及機殼與轉子之間產生的熱膨脹差值.通過設計、裝配計算和操作可將它們控制在允許范圍內,就能確保機組正常運轉.通過對機組解體后檢查及在拆檢過程中所發生的隔板束抽不出來現象分析,再結合圖紙示意結構得出結論,造成隔板束拆不出來的原因,是轉子出口端的平衡盤側鎖螺母端面與支撐側端蓋內側軸端密封端面相粘連在一起.后經采取相應的工裝及輔助方法將隔板束拆卸下來,解體后檢查確實是該處相粘連.

造成此次轉子粘連的原因是機殼內氣體溫度過高所致,導致對在機殼內的旋轉的轉子產生軸向線性膨脹,而線性膨脹量遠遠超出設計所給定的安全膨脹量值,設計給定值(即a=±1.5).此次氣體溫度過高對轉子軸產生了較大的影響,經對轉子軸進行徑向跳動檢查,發現出口端轉子軸有彎曲現象,其跳動值為t=0.18,后經工藝性處理使該轉子的徑向跳動控制在t=0.025mm.

在這里要強調設計所給的轉子軸向移動值(即a=±1.5)起到了運轉安全的保護作用,起到了保護轉子上的葉輪與隔板之間相互碰撞,從而說明設計所給的轉子、定子間隙值滿足機組的運轉要求,防止隔板和葉輪表面刮傷,滿足工況異常要求(當時機組內腔的轉子和隔板溫度應大于300℃).

3.3 氣體溫度對隔板束的配合間隙的影響

3.3.1 隔板束中的各塊隔板配合尺寸公差合理性

該機組所組成的隔板束,每付隔板之間采取的是止口結構配合,其配合公差采用的是間隙配合.配合最大間隙a,配合最小間隙b;同軸度要求ф0.05mm,端面垂直度要求0.05mm.為保證相鄰隔板之間的級間不竄氣在中分面采用密封膠條ф3.2進行密封.

3.3.2 氣體溫度對隔板結構的強度分布設計

在這里還要考慮氣體溫度對隔板強度的影響,同時還要考慮隔板級間氣體的壓力差對隔板強度的影響.所以氣體溫度高低直接影響到隔板在工況下的強度,特別是在異常情況下是否滿足工況要求是要不可忽視的,在設計時要經過強度計算、力學分析、熱力學分析來達到滿足設計要求.

3.3.3 氣體溫度影響隔板中分面變形

該機組在這次停車事故中,經檢查發現由于隔板長時間處于高溫狀態,致使整個隔板束中靠近氣體進口端的3塊隔板中分面發生變形,并有0.5~1mm的縫隙.為此向用戶建議更換隔板,保證了機組氣動性能參數的穩定.

4 氣體冷卻器結構的改進

作為該機組是工藝流程中輸送天然氣的設備,雖然機組結構是一進一出,但在氣體出氣管道上為防止工藝氣壓力及流量、溫度對機組運轉的不穩定影響,特在出氣管路和進氣管路之間增設一個防喘振回路裝置,它包括防喘振閥和一個冷卻器等管路,以緩解管道內氣體壓力及流量、溫度.而在這個回路中冷卻器起到了一個降低氣體壓力、溫度、流量的作用.所以冷卻器起到工藝流程氣體穩定的決定作用.

4.1 氣體冷卻管結構的分析

從氣體冷卻器結構來看它是由管殼和換熱管、進出分水器、法蘭、管板等件組成.其中包含著2個ф273Xф159變徑氣體的進出氣法蘭管路接口,氣體冷卻功能的2個ф159Xф100變徑冷卻水法蘭進出接口,1個ф48氣體的排凝法蘭接口,1個ф48氣體的排氣法蘭接口,2個ф60氣體爆破片口法蘭.

為保證氣體的冷卻效率,通過熱力公式計算在內部設計了總的換熱管分布.即上下進出水管規格及數量756-ф19.25.為滿足機組的防喘振的氣體壓力在殼體與換熱管、進出分水器、法蘭、管板之間通過計算所承受的強度,設計了36-ф39跨中把合孔均布并用M36螺栓把合.

4.2 氣體冷卻管結構的改進

上述已經分析了該機組的停車原因是因為防喘振氣體冷卻器溫度過高而停車,而造成停車的原因是供給該氣體冷卻器的冷卻水停了所致,當時氣體冷卻器管殼體溫度達290℃左右,遠遠超出設計所要求的范圍,管殼體表面涂的油漆都脫落和變色黃褐色,基于此情況懷疑氣體冷卻器的換熱管是否存在異常泄漏.

經對氣體冷卻器拆檢后發現換熱管有個別換熱管有變形,對378根各管進行試水打壓發現有20根存在裂紋泄漏現象.經分析冷卻水換熱管損壞的原因是因為該管長期受高溫氣體環境的影響,使冷卻紫銅管或不銹鋼管沒有得到及時的冷卻而使其強度下降所致.

因有近20根換熱管損壞,考慮到換熱器沒有備用換熱器,經計算排除損壞的換熱管數量,所剩的換熱管還能滿足機組的換熱要求(允許在制造過程中有3%~5%的損壞).所以對損壞的換熱管進行維修工藝性處理.其處理方法是將損壞的換熱管采取絲堵和焊死,經處理后打水壓試驗滿足使用要求.

5 結語

在對整個機組結構的分析及改進,經過機組機械運轉和性能試驗過程中的檢驗,所測的各項參數(壓力、流量、溫度等)指標均達到設計要求.防喘振閥門反應靈敏,氣體冷卻器冷卻效果均可達到換熱效果.主機振動值、軸承溫度符合API標準要求、主頻頻譜穩定,試車升速過程沒有凸現異常,性能參數達到設計要求,得到用戶的認可和高度評價.

[1]柳洪義,劉杰.機械設計手冊[M].北京:機械工出版社.

TH452

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1671-0711(2017)11(上)-0163-03