醇酮車間空氣壓縮機組振值波動故障案例分析

齊鳴宇，李迎麗，周忠凱

（中國昆侖工程有限公司，北京 100037）

0 引言

壓縮機組在各個行業得到廣泛的應用，特別是在流程工業，其是裝置的核心設備。壓縮機運行狀態的好壞直接決定著裝置的安全運行。生產過程中，壓縮機的異常波動或停車對整套裝置甚至整個流程可造成不可估量的經濟損失。因此準確迅速地判斷并及時處理故障，直接影響壓縮機的開工率和產品的質量，詳細分析尼龍廠醇酮車間空氣壓縮機組振值異常波動的故障案例，其是一起工藝介質變化引起機組振動波動并導致停車的典型案例。儀表原因、機械原因、潤滑原因、工藝原因均可造成壓縮機組振動波動，工藝介質變化引起機組振動波動甚至停車是較難處理的一類問題，通過剖析機組故障產生的原因，解決了故障。

1 機組情況簡介

新醇酮裝置（U283）是某公司尼龍廠精己二酸技改工程項目中新建裝置。于2004 年11 月11 日建成投產。設計能力為52 500 t 醇 酮/年（按8000 h 計）。裝置劃分為氧化區（包括氧化反應器和尾氣與環己烷換熱的熱交換器）、催化劑制備區、壓縮機區、塔罐區及公用區五個區域，由100#—氧化工段、200#—予濃縮-脫過氧化工段、300#—蒸餾工段、400#—尾氣處理工段、公用工段、900#—公用工程工段6 個工段組成。新醇酮裝置（U283）是以環己烷作原料，經貧氧空氣氧化生產環己醇、環己酮混合物，是一個連續生產裝置。

283C2102 為新醇酮裝置新鮮離心式空氣壓縮機組，如圖1 所示，工作轉速為14 684 r/min，是尼龍廠醇酮車間核心設備。屬于兩缸三段、十一級、高速、有中間氣體冷卻器的EZ 系列，由陜西鼓風機有限公司制造。壓縮機由低壓缸、高壓缸、尾氣透平膨脹機、電動機、齒輪箱和聯軸器組成，并配套有輔機，包括潤滑油站、高位油箱、冷卻器、分離器、消音器、閥門等。尾氣透平膨脹機為兩級軸流式透平，徑向進氣，轉子旋轉方向從電機端看為逆時針，葉輪懸掛在離心壓縮機的高壓缸的主軸上。低壓缸、高壓缸是耗功設備，電機和尾氣透平膨脹機為原動機，共同驅動壓縮機的低壓缸和高壓缸。

軸端和級間密封均為迷宮密封。不銹鋼片制成的密封片嵌裝在旋轉件（主軸、輪盤及輪蓋）的槽內，密封片與密封套間具有非常小的徑向間隙，從而使內泄漏及外泄漏量最小。為避免高壓缸高壓氣體的外泄，在高壓缸進、排氣兩端均設置有碳環密封。碳環密封設置在定子上，主要原理是通過微小的密封間隙實現氣體的密封。尾氣透平為懸臂結構，為避免尾氣泄漏，在尾氣透平軸端設置有迷宮充氣密封。如果283C2102 出現故障停機，將導致100#反應器空氣提供中斷，反應器無法運行，最終導致新醇酮裝置停車。

圖1 機組概貌

離心式空氣壓縮機的正常運轉包括3 個系統，分別是氣路、油路、水路系統。離心式空氣壓縮機工作時，空氣經過過濾器被吸入，在流過葉輪時，高速運轉的葉輪使氣體在離心力的作用下，一方面壓力有所提高，另一方面速度也極大增加，氣體的靜壓能和動能大幅度提升。此后，氣體在流經擴壓器的通道時，流道截面逐漸增大，氣體的絕大部分動能又轉變為靜壓能，壓力進一步提升。經一級壓縮后的氣體溫度較高，進入中間冷卻器進行冷卻之后進入二級壓縮系統，為避免系統中的氣體倒入壓縮腔內，在壓縮機的排氣管道安裝有止回閥，壓縮機排出的氣體推開止回閥進入排氣消聲器，然后進入一級后冷器，二級后冷器，再進入排氣主管道。空氣中若含有雜質，將直接作用于葉輪上，對機組運行產生影響。

2 機組故障現象

2018 年11 月開始機組高壓缸振動出現間歇性無規律波動，如圖2 所示，從振值趨勢圖中看到，PY2701X 測點振值從36.5 μm 最大波動到76.74 μm，PY2701Y 測點振值從39.2 μm最大波動到78.2 μm，PY2702X 測點振值從26.5 μm 最大波動到74.8 μm，PY2702Y 測點振值從28.6 μm 最大波動到107.61 μm，波動最短時間間隔2.6 min，最長時間間隔4.36 h，2018 年12月27 日8 時37 分，高壓缸振值PY2701X/Y 和PY2702X/Y 異常波動高報聯鎖停車如圖3 所示。期間，壓縮機進出口壓力、流量、進排氣溫度、軸瓦溫度均在正常工藝范圍內，工藝操作平穩。

圖2 PY2701XY/PY2702XY 測點振值趨勢

圖3 PY2701XY/PY2702XY 測點振值趨勢

3 故障原因分析

離心壓縮機組，因為存在工藝條件、管線設計、安裝、環境差異等諸多差異，往往出現同類裝置同型機組同樣的振動特征，但最終原因差別很大的情況，離心機組容易出現的故障主要包括：機組個別通道信號異常；轉子結垢結焦；滑動軸承及其潤滑問題；壓縮機旋轉分離與喘振；對中問題等典型故障問題。針對不同的故障，可以通過監測系統的特征現象來進行判斷故障模式，并及時進行處理。

轉子結垢在線監測系統顯示特征：振動趨勢非周期性波動，趨勢波動持續時間在數秒到幾十分鐘不等，振動趨勢和相位同步變化且可基本復原。

圖4 波形頻譜和軸心軌跡

通過遠程實時在線監測系統對該機組的波形頻譜圖進行分析，由圖4a）可見：機組振動工頻占主導，高次諧波的分量較小，振動增大時工頻占主變，時域波形為正弦波、軸心軌跡為較為標準的橢圓如圖4b）、4c）所示。分析機組轉子本體無故障，由于尾氣組分偏離設計工況，造成尾透入口過濾器骨架表面結焦、堵塞和濾網腐蝕，結焦物脫落后通過骨架孔洞沖擊尾透葉輪，造成機組高壓缸振動出現間歇性無規律波動直至停車。

建議檢查尾透入口過濾網，檢查機組高、低壓缸轉子，并進行高速動平衡試驗，檢查前置冷卻器E2102/E2103/E2106/E2104/E2105 管束，對氣水分離器S2109/S2110/S2111/S2116 進行腐蝕檢查。建議工藝查找結焦原因。

4 現場檢修反饋

2019 年4 月29 日10 時30 分，機組尾透入口管線法蘭拆卸斷口，發現尾透過濾器嚴重堵塞，伴有輕微腐蝕如圖5 所示，濾網骨架外沒有包覆細網，尾透葉輪表面覆蓋油性物質，對骨架外堆積物取樣分析，結果為97%有機物，結焦物脫落后通過骨架孔洞進入尾透沖擊高速運轉葉輪，致使振動異常，超報警值聯鎖停機，尾透打開后，發現入口管線及尾透葉片結垢嚴重如圖6、圖7 所示，打開S2109/S2110/S2111 分離罐檢查，發現內部腐蝕嚴重，如圖8 所示。

5 整改措施

圖5 尾透濾網拆卸后，發現骨架外壁積垢嚴重

圖6 尾透打開后入口管線情況

圖7 尾透葉片結垢嚴重

圖8 09/S2110/S2111 分離罐內部腐蝕嚴重

①陜鼓重新設計尾透濾網，避免雜物進入尾透腔；②高低壓缸轉子做高速動平衡，保證動平衡精度；③重新調整高、低壓缸徑向瓦間隙值，確保間隙在0.14～0.21 mm 標準值之間；④清洗前置冷卻器E2102/E2103/E2106/E2104/E2105 管束（尾氣換熱器E2104/E2105 管束堵塞比較嚴重，E2102/E2103/E2106 管束外壁淤泥較多），打壓試漏，確保換熱器換熱效果；⑤拆卸氣水分離器S2109/S2110/S2111/S2116 檢查腐蝕情況，S2110/S2111 腐蝕比較嚴重，S2109/S2110/S21113 臺分離罐更換備臺，S2116 因材料為白鋼，未發現腐蝕；⑥分析替代粗白油成分，與原始粗白油核實比對，可以考慮更換為原始粗白油；⑦嘗試降低透平入口進氣溫度，降低碳化結焦的可能性。機組檢修后開車，運轉正常。