離心式壓縮機的防喘振控制與操作

李敬珂，朱新德

(河南能源化工集團中原大化公司 河南濮陽 457004)

河南能源化工集團中原大化公司(以下簡稱中原大化公司)的合成氨裝置采用ICI- AMV工藝，以天然氣為原料，年產(chǎn)合成氨300 kt。除空氣壓縮機02K001外，該裝置的氣氨壓縮機09K001、合成氣壓縮機07K001、天然氣壓縮機01K001均采用汽輪機驅(qū)動，在實際運行中經(jīng)常出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。以09K001為例，針對壓縮機常見的喘振問題進行剖析和探討，總結(jié)防喘振的方法和控制要點。

1 09K001的基本參數(shù)和工藝流程

1.1 09K001的選型及設(shè)備參數(shù)

氫氮氣(10 580 kPa，239 ℃)在鐵催化劑的作用下于合成塔內(nèi)進行氨的合成反應(yīng)，出合成塔的氣體(10 100 kPa，414 ℃，含氨質(zhì)量分數(shù)16.36%)進入廢熱鍋爐回收熱量，之后依次進入3臺換熱器(08E002，08E003和08E004)換熱，而后經(jīng)第1氨冷器08E005、第2氨冷器08E006進行冷卻。09K001也稱冰機，其作用是為氨冷器提供冷量，以冷卻分離出合成回路中的氨。中原大化公司合成氨裝置設(shè)計為兩級氨冷的冷凍循環(huán)，選用2MCL528/1型單缸兩段離心式壓縮機，由HG32/20型背壓蒸汽透平09MT01驅(qū)動。09K001的主要結(jié)構(gòu)性能及壓縮參數(shù)如表1所示。

表1 09K001的主要結(jié)構(gòu)性能及壓縮參數(shù)

項目一段一級二級二段入口壓力/kPa228425908出口壓力/kPa4259341660壓縮比1．862．191．83入口溫度/℃-13．02．542．0出口溫度/℃86．0100．0流量/(kg·h-1)167763764955420葉輪級數(shù)/級233葉輪直徑/mm540500470轉(zhuǎn)速/(r·min-1)10770功率/kW4565

1.2 09K001在合成氨裝置中的工藝流程

來自08E006的氣氨(表壓128 kPa，-15 ℃)與來自08E005和氣體冷卻器10E004的氣氨(表壓325 kPa，0.5 ℃)分別進入09K001一段一級和二級的吸入側(cè)，經(jīng)一段壓縮后的氣氨(表壓為830 kPa，86 ℃)送段間冷卻器09E005冷卻，冷卻后的氣氨與來自氨閃蒸槽09D001的氣氨相匯合，于表壓808 kPa、溫度42 ℃條件下進入09K001的二段吸入側(cè)；經(jīng)二段壓縮后的氣氨(表壓為1 560 kPa，100 ℃)分為3路，第1路經(jīng)防喘振閥F09001返回至08E006，第2路經(jīng)防喘振閥F09002返回至08E005，第3路經(jīng)并聯(lián)的水冷器09E002A/B冷卻后冷凝為液氨并送至氨受槽09D002。

09D002中的液氨溫度較高，稱為熱氨。熱氨流經(jīng)換熱器09E003A/B、氨閃蒸槽09D001及產(chǎn)品氨加熱器09E004后與來自閃蒸槽08D001的冷氨進行熱交換，使之冷卻、減壓降溫，重新送往08E005，08E006和10E004用作冷凍劑。

2 離心式壓縮機喘振的危害、現(xiàn)象及判斷

2.1 喘振的危害

喘振是當(dāng)離心式壓縮機的進口流量減少至一定程度時所發(fā)生的一種非正常工況下的振動，氣體流量、進出口壓力出現(xiàn)波動，從而引起壓縮機轉(zhuǎn)速及工藝氣強烈波動。

喘振的危害：①由于氣流強烈的脈動和周期性振蕩，會使供氣參數(shù)(壓力、流量等)大幅波動，破壞了工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性；②使壓縮機葉片發(fā)生強烈振動，葉輪應(yīng)力大幅增加，噪聲加劇；③引起動靜部件的摩擦與碰撞，使壓縮機的軸發(fā)生彎曲變形，嚴重時會產(chǎn)生軸向竄動，使軸向推力增大，發(fā)生燒毀止推軸瓦甚至掃膛事故；④加劇軸承、軸瓦的磨損，破壞潤滑油膜的穩(wěn)定性，使軸瓦合金產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至發(fā)生燒瓦抱軸等事故；⑤損壞壓縮機的機械密封及軸封，使壓縮機效率降低，同時由于密封的損壞會造成工藝氣泄漏，極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故；⑥影響驅(qū)動機的正常運轉(zhuǎn)，干擾操作人員的正常操作，使一些儀表、儀器的測量準(zhǔn)確性降低甚至損壞。一般機組的循環(huán)量、壓比、排氣壓力和氣體的密度越大，發(fā)生的喘振越嚴重，危害越大。

2.2 喘振的現(xiàn)象

離心式壓縮機發(fā)生喘振時，常見的現(xiàn)象：①壓縮機的出口壓力先升高，繼而急劇下降，并呈周期性波動，出口壓力表的指針來回擺動；②壓縮機的流量急劇大幅波動，甚至出現(xiàn)氣體倒灌至吸氣管道，帶動壓縮機的汽輪機指示不穩(wěn)定；③機組產(chǎn)生強烈的振動，同時發(fā)出異常的氣流噪聲；④機組運行聲音異常，有間斷、低沉的吼聲，相關(guān)的前后工序裝置工況也隨之大幅波動。

2015年4月30日19：32，操作人員發(fā)現(xiàn)09K001的振動增強，迅速查看相關(guān)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)其軸振動值X09004和X09005分別達到73 μm和75 μm，超過了正常振值范圍(45～70) μm；09K001的入口壓力PRC09001從正常值1.28×105Pa(表壓)下降至0.92×105Pa(表壓)；壓縮機的流量F09001由正常值21 800 m3/h(標(biāo)態(tài))下降至17 400 m3/h(標(biāo)態(tài))，F(xiàn)09002由正常值72 800 m3/h(標(biāo)態(tài))降至65 100 m3/h(標(biāo)態(tài))，機組蒸汽用量F09004明顯波動。根據(jù)運行參數(shù)的變化，立即判斷為壓縮機發(fā)生喘振。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，08E005的液位L08003實際已上升至82%，初步判斷喘振是壓縮機一段入口氣氨帶液所致。為此，通過降低機組轉(zhuǎn)速S09001、手動調(diào)整08E005進氨閥開度等措施，喘振現(xiàn)象逐漸消失，機組運行逐步恢復(fù)正常。

3 喘振發(fā)生的條件和引起喘振的原因

3.1 喘振發(fā)生的條件

壓縮機的固有特性決定了壓縮機在一定的轉(zhuǎn)速下有其對應(yīng)的升壓比，即一定的流量對應(yīng)一定的出口壓力，并在一定的轉(zhuǎn)速下存在一個極限流量(即喘振流量)。當(dāng)流量低于喘振流量時，壓縮機就不能夠穩(wěn)定運行而發(fā)生喘振。

壓縮機出口氣體的壓力大于一定轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的最高壓力時也會發(fā)生喘振，即壓縮機工作時，當(dāng)系統(tǒng)壓力高于壓縮機在該轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的極限壓力時，便在壓縮機出口形成很高的“背壓”，使壓縮機出口阻塞、流量減少，甚至出現(xiàn)氣體倒流，造成壓縮機喘振。

3.2 引起喘振的原因

(1) 壓縮機的氣體流量運行點距離喘振邊界太近或進入了喘振區(qū)。

(2) 正常生產(chǎn)時，防喘振裕度設(shè)定不足或防喘振裝置未及時投自動控制，均會導(dǎo)致操作運行點易接近或進入喘振區(qū)而發(fā)生喘振。防喘振整定值不準(zhǔn)或防喘振裝置與機構(gòu)失靈，也會導(dǎo)致喘振的發(fā)生。

(3) 壓縮機吸入氣體流量不足或出口氣體壓力太高，也容易導(dǎo)致喘振。

(4) 生產(chǎn)工況發(fā)生變化時，壓縮機放空閥或回流返回線閥Fv09001和Fv09002未及時打開，將引發(fā)喘振。壓縮機氣體出口管線上的止逆閥內(nèi)漏、損壞或開關(guān)不靈活等，導(dǎo)致氣體回路壓力波動，也會引發(fā)喘振。

(5) 開停車過程中或生產(chǎn)工況大幅變化時，09K001升速和升壓過快且不平穩(wěn)，或降速時沒有先降壓，從而導(dǎo)致喘振的發(fā)生。

(6) 根據(jù)氣體熱力學(xué)方程，氣體的溫度、壓力影響流量。壓縮機轉(zhuǎn)速和出口壓力不變時，入口氣體溫度升高容易造成喘振；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，進氣壓力越高則喘振流量值也會升高；在進出口壓力均一定、轉(zhuǎn)速也不變的條件下，入口氣體組分發(fā)生變化，喘振流量值也會相應(yīng)變化，其中組分變輕，即分子量降低時易發(fā)生喘振。

(7) 壓縮機設(shè)備零部件損壞或脫落等設(shè)備故障，如機械密封、平衡盤密封、O形環(huán)損壞或脫落，均會誘發(fā)機組出現(xiàn)喘振。

4 離心式壓縮機喘振的預(yù)防措施

(1) 保證壓縮機設(shè)備本身及零部件完好無損；進出口管線無泄漏；進出口管道上的調(diào)節(jié)閥、止逆閥等閥門開關(guān)正常、靈活可靠，無卡塞或內(nèi)外漏等情況。

(2) 定期校驗防喘振值，數(shù)值不準(zhǔn)及時校正；提前測定各種工況下的防喘振裕度，并控制在1.03～1.50倍。防喘振裕度太大，雖不易發(fā)生喘振，但壓力下降，經(jīng)濟性差；防喘振裕度太小，安全性差。正常生產(chǎn)時需關(guān)閉防喘振閥，投自動控制，這樣既安全又經(jīng)濟。

(3) 檢查壓縮機運行點，防止運行點距喘振邊界太近或落入喘振區(qū)。

(4) 控制壓縮機吸入氣體流量和出口氣體壓力，避免流量過低或壓縮機出口壓力太高而引發(fā)喘振。

(5) 生產(chǎn)裝置波動時應(yīng)及時打開壓縮機放空閥或Fv09001和Fv09002，以增大入口氣體流量，防止發(fā)生喘振。對空氣、CO2等無毒氣體可采用放空的方法，而對天然氣、氣氨等采取回流循環(huán)。

(6) 開停車過程中或生產(chǎn)工況大幅變化時，必須嚴格遵守升壓先升速、降速先降壓的原則，操作時應(yīng)緩慢、均勻，多次交替完成升壓和變速。

(7) 主控室要密切關(guān)注高壓蒸汽P03055的壓力和溫度以及中壓蒸汽P03054的壓力和溫度，防止蒸汽管網(wǎng)大幅波動而影響壓縮機的安全平穩(wěn)運行。

5 結(jié)語

喘振雖然是離心式壓縮機的固有特性，但喘振現(xiàn)象的發(fā)生主要取決于管網(wǎng)的特性曲線和離心式壓縮機的特性曲線。喘振形成的原因在于倒流與供氣的周期性交替進行，因此應(yīng)針對喘振的主要影響因素，分別采取有效的防喘振控制措施，提高壓縮機抗喘振性能，確保合成氨裝置的安全穩(wěn)定運行和企業(yè)良好的經(jīng)濟效益。