乙烯裂解壓縮機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)故障分析

李志峰 于麗麗 楊發(fā)義 李貞強(qiáng)(中國石油遼陽石化公司，遼寧 遼陽 111003)

乙烯裂解壓縮機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)故障分析

李志峰 于麗麗 楊發(fā)義 李貞強(qiáng)(中國石油遼陽石化公司，遼寧 遼陽 111003)

介紹乙烯裂解壓縮機(jī)組的透平調(diào)速控制系統(tǒng)的構(gòu)成，闡述了該調(diào)速控制系統(tǒng)的控制原理；分析了該調(diào)速控制系統(tǒng)的故障產(chǎn)生原因和解決辦法。

透平調(diào)速控制系統(tǒng);電液轉(zhuǎn)換器(I/H)；WOODWARD CPC

公司乙烯裂解裝置是七十年代初從法國引進(jìn)，2007年將乙烯的生產(chǎn)能力擴(kuò)大到20萬噸/年，同時對部分關(guān)鍵壓縮機(jī)組進(jìn)行了升級改造，目前裂解壓縮機(jī)包括由爐區(qū)自產(chǎn)高壓蒸汽驅(qū)動的多段離心式壓縮機(jī)C201/C204和由中壓蒸汽驅(qū)動的多段離心式制冷壓縮機(jī)C401/C402，雖然自裝置投產(chǎn)以來運轉(zhuǎn)一直比較平穩(wěn)，但自2015年以來曾多次間歇性出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象。

1 典型故障現(xiàn)象

現(xiàn)象1：壓縮機(jī)C201調(diào)速器自動投運狀態(tài)下出現(xiàn)故障時，測量轉(zhuǎn)速值不能跟蹤設(shè)定值，導(dǎo)致調(diào)速器電流輸出不斷增加，直到調(diào)速器最后達(dá)到100%輸出，但實際測量轉(zhuǎn)速值仍保持一個恒定值；改為手動狀態(tài)仍未解決此問題，從以上情況判斷說明汽輪機(jī)的調(diào)速閥門有卡塞現(xiàn)象，故障點未確定。

現(xiàn)象2：自2015年11月開始，壓縮機(jī)C401調(diào)速器出現(xiàn)波動，頻率為每周1～2次，當(dāng)C401調(diào)速器控制方式打到“自動”時，C401調(diào)速閥閥位會逐漸關(guān)小，但壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速反應(yīng)遲緩保持恒定不變，當(dāng)調(diào)速閥下降到一定程度時，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速突然變化，最多時下降500～600 r/min左右。將調(diào)速器控制方式改為“手動”，之后轉(zhuǎn)速未出現(xiàn)明顯波動情況，但壓縮機(jī)吸入壓力波動較大，在調(diào)速器“自動”控制方式下轉(zhuǎn)速異常波動原因有待查明。

2 壓縮機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)故障原因分析

2.1 蒸汽質(zhì)量對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動的影響

蒸汽的產(chǎn)生來自裝置的裂解爐區(qū)，每臺爐上減溫增濕器的使用效果對蒸汽的品質(zhì)至關(guān)重要，當(dāng)減溫增濕器內(nèi)漏嚴(yán)重導(dǎo)致調(diào)節(jié)效果不好時，蒸汽的品質(zhì)將無法保障，當(dāng)品質(zhì)降低時，會立刻導(dǎo)致壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速降低，系統(tǒng)自動開調(diào)速閥來提高轉(zhuǎn)速，嚴(yán)重時或出現(xiàn)即使全開調(diào)速閥仍無法達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的現(xiàn)象。尤其在開車初期，剛暖管后，因蒸汽質(zhì)量不好易出現(xiàn)沖轉(zhuǎn)速度不夠，在規(guī)定時間內(nèi)未達(dá)到設(shè)定的最小轉(zhuǎn)速而聯(lián)鎖停機(jī)的現(xiàn)象，但此次出現(xiàn)問題是在機(jī)組正常狀態(tài)下發(fā)生，同時由于多臺機(jī)組共用蒸汽管網(wǎng)，從DCS記錄趨勢看，使用同一管網(wǎng)的其它機(jī)組未發(fā)生轉(zhuǎn)速異常波動，故可以排除因蒸汽品質(zhì)控制不好而引起轉(zhuǎn)速異常波動的可能性。

2.2 裝置負(fù)荷變化和防喘振閥振蕩對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

因裝置冷區(qū)用戶的不同而導(dǎo)致負(fù)荷變化時，會引起軸向推力的變化，在監(jiān)視曲線上得以體現(xiàn)，但在此次故障時軸向推力并無明顯變化，同時工藝操作也證實在此期間并無調(diào)整，故排除因負(fù)荷變化引起壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速波動的可能。防喘振閥由于自身故障產(chǎn)生振蕩時，類似于負(fù)荷變化，產(chǎn)生同樣的效果，但由于振蕩的規(guī)律性，在轉(zhuǎn)速曲線上將產(chǎn)生等幅振蕩波動的規(guī)律性曲線，從而加以判別，但在此次故障時轉(zhuǎn)速曲線出現(xiàn)無規(guī)律的突發(fā)性隨機(jī)變化，故也排除因防喘振閥自激振蕩引起壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速波動的可能性。

2.3 調(diào)速器對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動的影響

GE提供的壓縮機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要由兩個轉(zhuǎn)速傳感器、安全柵(MTL-5032)、調(diào)速器(CCC 系統(tǒng)調(diào)速器的改造內(nèi)容詳見《乙烯制冷壓縮機(jī)組防喘振控制系統(tǒng)的改進(jìn)》一文[1])、WOODWARD電液轉(zhuǎn)換器(CPC)、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)(錯油門和油動機(jī)) 和蒸汽調(diào)節(jié)閥等組成。其原理是轉(zhuǎn)速傳感器將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的頻率信號，進(jìn)入調(diào)速器(CCC 系統(tǒng))后經(jīng)過高選器選擇一個可靠信號后經(jīng)頻率數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，與轉(zhuǎn)速設(shè)定值比較后產(chǎn)生驅(qū)動信號來改變蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度，從而使機(jī)組的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值[2]。

從轉(zhuǎn)速波動現(xiàn)象觀察和分析，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升時，調(diào)速閥下關(guān) ，轉(zhuǎn)速信號下降后到設(shè)定值，調(diào)速閥的輸出上升回到原位，說明調(diào)速器調(diào)節(jié)功能正常，同時檢查調(diào)速器(CCC 系統(tǒng))的軟硬件狀態(tài)和輸入輸出診斷，確認(rèn)系統(tǒng)工作正常，可以排除轉(zhuǎn)速波動不是調(diào)速器(CCC 系統(tǒng))故障引起。

2.4 轉(zhuǎn)速傳感器對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動的影響

轉(zhuǎn)速傳感器(瑞士JAQUET 生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)傳感類型的DSF探頭)常有因現(xiàn)場環(huán)境溫度高或接觸機(jī)體泄露油后老化而出現(xiàn)電纜絕緣層開裂現(xiàn)象，也可能由于檢修安裝的位置不當(dāng)，當(dāng)機(jī)組運轉(zhuǎn)后出現(xiàn)機(jī)械磨損導(dǎo)致絕緣下降，這幾種現(xiàn)象均可能在信號電纜屏蔽層產(chǎn)生電勢環(huán)流，從而會引起測量信號擾動，對測量系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)；轉(zhuǎn)速傳感器損壞時必須及時更換，但在此次故障發(fā)生時，轉(zhuǎn)到“手動”操作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定并未出現(xiàn)異常波動，故也排除因轉(zhuǎn)速傳感器故障引起壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速波動的可能。

2.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動的影響

在機(jī)械設(shè)備專業(yè)排除液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)(錯油門和油動機(jī)) 和調(diào)節(jié)閥故障的可能性之后，將問題的焦點集中在WOODWARD電液轉(zhuǎn)換器(CPC)上。其液壓原理圖見圖1。WOODWARD電液轉(zhuǎn)換器(CPC)將4—20MA控制信號線性成比例地轉(zhuǎn)換為壓力輸出，CPC是一種電液壓力轉(zhuǎn)換器，由執(zhí)行器、壓力傳感器和電子控制電路板三部分構(gòu)成，電液轉(zhuǎn)換器(CPC)輸出壓力和給定值比較后，產(chǎn)生一個參考信號，此參考信號再與位移傳感器相比較產(chǎn)生一個驅(qū)動信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使液壓旋轉(zhuǎn)閥處于用戶所需要的位置(執(zhí)行器轉(zhuǎn)子直接與液壓閥耦合)[3]；CPC液壓閥的構(gòu)造可允許最大40μm的雜質(zhì)進(jìn)入，壓力油輸入端內(nèi)置過濾器的名義精度為70μm(可通過的最大顆粒105μm)，閥由兩個端口組成，一端從壓力油到輸出，一端從輸出到回油，當(dāng)打開壓力油到輸出端口時，輸出壓力增加，反之減小。

圖1 CPC的液壓原理圖

從結(jié)構(gòu)和廠家資料上看油質(zhì)對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動影響至關(guān)重要，如果電液轉(zhuǎn)換器的控制油供給壓力或流量不足，均會造成電液轉(zhuǎn)換器(CPC)輸出驅(qū)動調(diào)節(jié)汽門開度異常，造成壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速異常波動，繼而導(dǎo)致工藝無法滿足生產(chǎn)要求，更嚴(yán)重時會造成壓縮機(jī)被迫停機(jī)；如果動力油不潔凈，會造成電液轉(zhuǎn)換器的旋轉(zhuǎn)閥芯卡塞，無法正常調(diào)節(jié)；當(dāng)時檢查潤滑油泵的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，油壓穩(wěn)定；同時對潤滑油品質(zhì)加以分析，油的粘度、乳化程度、機(jī)械雜質(zhì)、水分含量等指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)。

在排除已確認(rèn)的各種可能性后，以下的兩種情況更可能引起壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動：

①電液轉(zhuǎn)換器(CPC)有電子元器件老化現(xiàn)象(現(xiàn)場條件惡劣油溫控制不穩(wěn)等因素引發(fā))或液壓旋轉(zhuǎn)閥動作不靈敏，導(dǎo)致運行不穩(wěn)定；②控制油供給流量不足，導(dǎo)致電液轉(zhuǎn)換器(CPC)靈敏度降低或卡澀，無法及時調(diào)整動作；

根據(jù)以上幾個方面的綜合分析和廠家提供的資料，在2015年底對C-401壓縮機(jī)組電液轉(zhuǎn)換器(CPC)參數(shù)設(shè)定進(jìn)行在線調(diào)整，增加反吹頻次，轉(zhuǎn)速波動明顯減小，保持在12990-13130 r/min之間，閥位基本在20%～25%開度之間波動。

但由于壓縮機(jī)組C-201電液轉(zhuǎn)換器(CPC)卡塞嚴(yán)重，多次在線調(diào)整后未見效果，仍不能穩(wěn)定運行，2016年3月在裝置窗口檢修期間，將該機(jī)組的電液轉(zhuǎn)換器(CPC)進(jìn)行更換，同時對更換下的電液轉(zhuǎn)換器(CPC)做解體檢修，拆解后發(fā)現(xiàn)過濾網(wǎng)嚴(yán)重阻塞，見圖2和圖3，同時排放的機(jī)油含有大量的雜質(zhì)和粘稠絮狀物，盡管當(dāng)時分析油質(zhì)正常，但由于電液轉(zhuǎn)換器(CPC)經(jīng)多年運行，油質(zhì)不能保證長年穩(wěn)定，在加油或換油過程中均可能短期出現(xiàn)油質(zhì)不合格的情況，并不易發(fā)現(xiàn)，從而對精密設(shè)備的正常使用造成潛在的隱患。

圖2 拆解后排放的雜質(zhì)

圖3 拆解下來的過濾網(wǎng)

電液轉(zhuǎn)換器(CPC)經(jīng)過全面清洗和更換過濾網(wǎng)后，重新校驗合格，作為備用。使用新的電液轉(zhuǎn)換器(CPC)后，壓縮機(jī)系統(tǒng)調(diào)速運行正常，至此C-201/C-401調(diào)速問題得以徹底解決，重新投用自動控制狀態(tài)。

3 保證壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性的幾點建議

(1)保證轉(zhuǎn)速測量探頭的完好，在保證轉(zhuǎn)速測量探頭正確安裝的情況下，要定期檢查本特利機(jī)架監(jiān)控卡件的狀態(tài)指示燈是否穩(wěn)定處于常亮狀態(tài)，如閃爍或紅燈則檢查趨近器的線路解決問題；日常巡檢中要檢查探頭或延長線是否有焦化(透平處保溫效果不好會使溫度過高)或絕緣破損情況，如出現(xiàn)應(yīng)及時更換；

(2)定期對比同一機(jī)組監(jiān)測點的轉(zhuǎn)速，判斷測量值是否存在偏差，以保證數(shù)據(jù)可靠性(一般情況廠家對調(diào)速探頭和聯(lián)鎖超速保護(hù)探頭使用不同廠家和不同工作原理的產(chǎn)品，如本機(jī)組使用本特利電渦流原理探頭做聯(lián)鎖超速保護(hù)，使用JAQUET的霍爾效應(yīng)傳感器探頭做調(diào)速用)；

(3)裝置定期大修或窗口檢修更換電液轉(zhuǎn)換器(CPC)后，必須進(jìn)行靜態(tài)聯(lián)動校驗，調(diào)整參數(shù)以保證控制系統(tǒng)對應(yīng)的閥門開度正確無誤；

(4)具備條件情況下，可增加電液轉(zhuǎn)換器(CPC)前的過濾網(wǎng)，同時要定期清洗或更換，盡管電液轉(zhuǎn)換器(CPC)的設(shè)計上提供了能夠定期反吹等自潔功能，但效果有限，從根本上油質(zhì)要得到保證，過濾網(wǎng)的堵塞是一個不斷累積的過程。

4 結(jié)束語

有針對性分析裂解壓縮機(jī)調(diào)速系統(tǒng)常見故障和解決問題的辦法，節(jié)約了故障的處理時間，減少機(jī)組的波動和停機(jī)次數(shù)，為今后的維護(hù)工作提供借鑒和指導(dǎo)，更好的保障了裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。

[1]李志峰,于麗麗,楊發(fā)義,鄒春雨.乙烯制冷壓縮機(jī)組防喘振控制系統(tǒng)的改進(jìn). 化工自動化及儀表,2015.

[2]王治軍,王玉龍.氮氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動分析及處理.化工自動化及儀表,2008.

[3]張燕,許斌海,安連祥,安金龍.CPC-Ⅱ電液轉(zhuǎn)換器的性能分析. 化工自動化及儀表,2011.

李志峰(1971- )，男，1993年畢業(yè)于撫順石油學(xué)院自動化系工業(yè)自動化儀表專業(yè)，本科學(xué)歷，高級工程師職稱，現(xiàn)任儀表車間主任，主要從事儀表維護(hù)管理工作。