增壓機故障停機原因分析及對策

（渤化永利化工股份有限公司，天津300400）

大型內壓縮流程空分裝置，為達到合理地組織熱交換系統的目的，均設置增壓機。這樣可以將高壓液體的低溫冷量盡可能轉換成同等質量的高壓空氣的低溫冷量，并盡可能地減少不可逆損失，既降低裝置的能耗，又提高了裝置提取率。

永利化工煤氣化系統配套的2×60000Nm3/h(O2)空分裝置，空氣壓縮機組選用先進的進口MAN TURBO設備，為一拖二設計，一臺汽輪機拖動空壓機與增壓機，其中，增壓機型號：RG56-3（R:表示離心式；G:齒輪；56：渦殼內的最大直徑；3：表示有3級壓縮）,主要參數見表1。

表1 增壓機主要性能參數

1 增壓機故障跳車的經過及檢查情況

兩套空分2010年10月份相繼投入生產運行后，壓縮機組隨空分裝置同步運行、維護。其中兩臺增壓機分別在2014年（2#增壓機）和2016年（1#增壓機）先后對存在制造缺陷的大齒輪進行更新，機組的運行可靠性得到了很大提升，2016年兩套空分裝置實現了全年無故障運行。

但是，進入2017年后，隨著煤氣化系統運行穩定性和負荷的不斷提升，空分裝置負荷逐漸增加，壓縮機組接近滿負荷。1#增壓機先后三次出現了因一級軸振動高聯鎖停機事故，造成1#空分裝置及對應的煤氣化一個系統全停。

1）事故情況：第一次是在2017年4月28日14時38分，因1#增壓機一級振動VT7211B振動值突然升高，觸及聯鎖值跳車，造成1#空分裝置停車。

初步分析原因可能是一級級間喘振或入口管線存在溫變應力。對此，采取了控制三級出口壓力34 bar；調整分子篩均壓時間等措施，并在DCS上設置了級運行壓比的監控。

第二次是在2017年12月6日13時58分16秒，同樣由于增壓機1#增壓機VT7211B振動值高導致高聯鎖而跳車。此時檢測到聯鎖跳車時1級運行壓比高于設計壓比。

分析可能原因是級間喘振導致了聯鎖停車。再次開車前對增壓機喘振控制邏輯進行臨時修改，一旦振動值超過30，即設定回流閥自動開啟25%；同時聲光報警提示，便于操作及時干預。

第三次是在2018年3月13日14時20分，1#增壓機第三次因VT7211B振動值高導致高聯鎖而跳車。

2）大修檢查情況:為徹底消除1#增壓機一級振動故障的隱患，2018年4月份利用園區停工檢修機會，對1#增壓機進行了一次大修檢查。

首先在壓縮機拆卸前，我們測量了各工藝管道的應力與壓縮機的連接對中情況，結果均存在一定偏差。

拆卸1級葉輪密封進氣擴壓器后，發現底部密封區域有輕度的摩擦痕跡(見圖1)。

圖1

卸除齒輪上部后，發現其中1和2級小齒輪的一級側齒輪一個缺陷(見圖2)。

圖2

1和2級小齒輪工作面與大齒輪接觸面積只有約40%～50%左右，遠低于80%的設計規范要求。

2 原因分析及措施

三次故障跳車聯鎖點均為一級軸振高，從拆機檢查1級葉輪密封進氣擴壓器底部密封區域有輕度的摩擦痕跡情況看，應該是發生了動靜部件的摩碰，導致一級振動瞬間升高，這是引發跳車的主要觸發點。

軸振動記錄顯示，故障跳車觸發之前，一級軸振動從平穩狀態開始有數分鐘的緩慢升高階段，說明引起軸振動升高的因素有一個數分鐘的發展過程。

能夠使正常運行中設備軸振動值升高的因素：

2.1 增壓機本體機械運轉部分

從增壓機本體大修檢查情況，存在一些缺陷，相關的主要問題：一是1和2級小齒輪的一級側齒輪的缺陷；二是1和2級小齒輪工作面與大齒輪接觸面積只有約40%～50%，與要求80%以上差別較大。這些都是振動高的原因，但只是基礎振值提高的因素，對已在正常運行的設備，如果沒有其他外來因素，一般不會突發性振動升高。

2.2 增壓機進口氣體溫度的變化

分析三次故障情況，有一個共同點，均是存在增壓機進口氣體溫度的上升時發生的。因此，不排除溫度變化與軸振動升高的相關性。空分裝置工藝流程中，增壓機一級吸入氣體來自分子篩純化器出口，因此，其溫度主要是隨分子篩純化器出口空氣溫度而變化。

分子篩純化器簡要流程（見圖3）。

圖3

空氣從進口空氣過濾器出來的流程空氣被去除了塵埃和其他機械雜質后，經過多級離心空壓機壓縮至所需壓力。此空氣進入雙級空冷塔，進行清洗冷卻降溫。

從空冷塔出口出來的空氣通過分子篩純化器(R01)和(R02)所組成的一個吸附水、二氧化碳和碳氫化合物的吸附系統。這兩個純化器交替運行：當一只在運行的時候，另一只被來自冷箱的污氮再生。在吸附劑加熱再生階段，常規再生時，污氮氣在再生蒸汽加熱器中加熱后送到純化器。

經過分子篩純化器的一部分凈化空氣進入增壓機，在空氣增壓機中壓縮至所需壓力后分為兩部分，其中一部分送入主換熱器中冷卻至適當溫度，然后經透平膨脹機膨脹后送入中壓塔。另一部分送入透平增壓機中增壓后的高壓空氣進入高壓產品換熱器與高壓液體換熱。

分子篩再生是利用高溫解吸的原理，再生時通入熱干燥氣體把所吸附的雜質帶出分子篩吸附器，達到設定溫度后表示再生完成。

分子篩再生時冷吹的作用：分子篩低溫吸附的特性決定分子篩一般都是在低溫時工作,所以當加熱再生結束時，分子篩要有一定的時間用溫度低的氣體來冷卻，這就是冷吹。冷吹的作用就是使再生的分子篩溫度降低到與另個工作的分子篩一致，然后切換過來。

由于分子篩吸附屬于物理吸附，在吸附過程中，氣體分子移向固體表面，其分子運動速度會大大降低，因此釋放出熱量，所以吸附過程是放熱的。分子篩純化器在每次切換開始吸附工作初期，出口空氣溫度會有一個短期溫升過程。這樣就不可避免的使增壓機入口出現短暫的溫度波動。

分子篩純化器運行程序是按時間設定的，如果加熱解吸、冷吹、并聯等任何環節期間有輕微不到位現象，都會體現在出口溫度上。從運行記錄看，2017年4月28日、2018年3月13日兩次故障時，分子篩出口空氣溫度相對偏高。

2.3 級間喘振（見圖4）

圖4

喘振是離心壓縮機固有特性，它是離心式壓縮機一種不穩定狀態。從離心壓縮機特性曲線可以看到，出現喘振的主要原因：一是壓縮機的體積流量過小接近或進入喘振區；二是由于壓縮機的壓比過高，接近或進入喘振區，就會容易產生喘振。

另外，喘振發生與氣體介質的狀態也有較大關系，一般來講，入口溫度恒壓恒轉速下氣體入口溫度越高，越容易發生喘振；

2017年4月28日、2018年3月13日兩次故障就是氣體入口溫度相對偏高；2017年12月6日則是一級運行壓比高于設計壓比。不排除以上情況是接近喘振工況，而造成轉子軸振動升高。

2.4 工藝管線熱應力

工藝管線與機組之間的應力是常見的導致離心式壓縮機運行出現異常的原因之一。其對機組的影響較為顯著，經常會引發轉子軸振動升高等問題。

工藝管線應力通常產生于其安裝和運行過程中，主要分為殘余應力和熱應力兩種類型，導致其應力產生的原因主要包括以下兩個方面：其一，機組安裝或檢修階段管線與機組對中存在偏差，未采取有效的應力消除措施，導致工藝管線與機組之間殘留著一定的安裝應力。其二，機組運行過程中，工藝管線中流動介質存在較大的溫差變化，導致工藝管線膨脹變形不均衡，從而產生熱應力，無法抵消的應力就會導致機組位移。

另外，離心式壓縮機在運行的過程中本身會產生高溫，因此會導致機組本體以及與其相連接的工藝管線溫度出現增高，進而產生熱膨脹應力。

1#增壓機一級進出口管線均未設置膨脹節；從本次大修檢查情況看，本身存在工藝管線與機組對中偏差；2017年4月28日、2018年3月13日兩次故障時氣體入口溫度相對偏高；這些都是可能引起管線應力的關鍵因素。

3 結論

壓縮機振動問題是一個普遍性的難題，原因十分復雜，通常會是幾種因素相互疊加、相互作用引發。就本機而言，齒輪缺陷和齒輪嚙合接觸面積機組機械性能下降，壓縮機運行中基礎振值就偏高；分子篩純化器運行參數偏離致使壓縮機入口空氣溫度波動，入口空氣溫度的波動是壓縮機工況波動的主要因素，又可能引起工藝管線膨脹變形產生熱應力。在增壓機滿負荷運行情況下，由于基礎振值偏高，上述任何波動都有可能引發軸振動幅度超過1級葉輪進氣擴壓器密封間隙，引起動靜磨碰，造成轉子軸振突發性升高。

4 措施

1）首先就是要保障機組機械性能處于最佳穩定狀態。依照檢修規程按時對設備進行定期檢查、維修，及時消除潛在問題。

2）優化分子篩純化器運行，適當調整各程序參數，保持純化系統穩定，避免產生氣體溫度的較大波動。

3）優化壓縮機防喘振系統。由于增壓機一級出口設計沒有回流控制，當一級壓比升高可能進入級間喘振工況后，設置適當的防喘振程序；同時設置振值升高時自動降負荷程序。

4）適當機會在工藝管線上加裝具有較大變形補償量的金屬波紋管膨脹節；經常檢查工藝管線支吊架，根據離心式壓縮機設計安裝規范，及時調整壓縮機與相連接的工藝管線的無應力連接；消除工藝管線應力影響。

以上所有分析和措施只是基于目前認知范圍內的初步安排，并不一定能涵蓋全部問題，有些措施還是以犧牲運行效率來保障可靠性。對于未知的和深層次原因，已經與國外制造商進一步溝通，同時就機組運行效率與可靠性的平衡點進行深入的研討。