混合干氣壓縮機進液對機組運行的影響分析

魯悅 劉云龍 佟永龍(沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869)

1 混合干氣壓縮機進液現象介紹與影響

混合干氣壓縮機的介質在進入缸體前，會進入緩沖罐內混合與緩沖。壓縮機分成兩段壓縮，段間設置冷卻器與分離器，分離器對介質中的液體進行過濾，保證正常運行時各段入口不會帶液。當壓縮機上游介質進入大量的液體，這些液體會隨著一起進入缸體，由于入口溫度與壓力相對較低，大量液體無法汽化，這些液體將對壓縮機轉子葉輪造成嚴重沖擊，振動瞬間增大，最終聯鎖停車。

查看壓縮機流道結構可知，液體進入壓縮機后將一同進入一段進氣流道內如圖1；在液體慢慢聚集成大液滴后隨著轉子旋轉，撞擊葉輪產生較大的軸向沖擊力；轉子受到沖擊后平衡被破壞，振動及軸向位移增大，推力盤與推力軸承嚴重磨損如圖2。

圖1 一段進氣流道

圖2 進液造成推力軸承磨損

2 進液導致混合干氣壓縮機聯鎖停車的特征分析與原因判斷

2.1 進液后的壓縮機表現特征分析

壓縮機進液[1]所產生的軸向沖擊力，會使壓縮機的位移值增大，軸向力變化方向指向主推力瓦，振動會突跳至聯鎖值，機組在幾秒內聯鎖停車。壓縮機由汽輪機拖動，汽輪機的軸位移與振動也會增大，表現與壓縮機相同。壓縮機停車時推力軸承將會磨損[2]，其振動頻譜表現為0.5倍的工頻[3]，軸位移探頭間隙電壓同步發生較大變化。如果壓縮機進行拆檢，可以發現，徑向方向并未主要受力，徑向支撐軸承比軸向推力軸承磨損程度輕。

2.2 混合干氣壓縮機進液的原因判斷

通過對混合干氣壓縮機的設計特點、布置特點及測點變化進行列舉與分析，也可以在壓縮機產生進液特征后更進一步判斷。

2.2.1 從混合干氣壓縮機設計特點分析

壓縮機介質中的乙烷、丙烷等都是小分子量的有機物，一般狀態下為氣態，在高壓低溫情況下會液化。通過物性[4]程序對壓縮機介質在壓縮過程中是否會產生凝液進行計算發現，混合干氣介質進入壓縮機后，是從低溫低壓向高溫高壓變化，溫變幅度大于壓變幅度，如圖3所示。

圖3 混合干氣壓縮機一段各級進氣壓力與溫度變化曲線

變化過程中無法產生液體。混合干氣壓縮機分為兩段壓縮，一段入口溫度約7℃，出口溫度約104℃；二段入口溫度約40℃，出口溫度約100℃，壓縮機各段并無極低溫度點，不具備產生凝液的條件。由于介質中含水十分微少，壓縮機運行過程中也不會產生凝液，那么進入壓縮機內的液體不是內部產生，而是由外部帶入。

2.2.2 從混合干氣壓縮機級間設備布置特點分析

對于兩段壓縮的混合干氣壓縮機，段間設置冷卻器與分離器[5]。分離器布置在一段出口后，如果壓縮機進液導致停機，這些液體會隨著氣體經過壓縮機一段的葉輪流道，進入一段出口后的分離器內。而分離器有液位報警，在大量過濾液體后，分離器的液位上升至報警，排液閥將自動打開進行排液。通過查看分離器的液位控制變化趨勢，可以判斷排液閥開啟的時間長短，并通過分離器容積大小估算進入壓縮機的液體量。

由于正常工況與進液工況的氣體介質成分不同，在混合干氣壓縮機正常運行過程中分離器排液閥排出的液體成分，與在壓縮機進液后排出的液體成分并不一樣。通過液體取樣化驗的方式，對比液體成分的變化，也可以判斷是否進液。

2.2.3 查看混合干氣壓縮機測點變化趨勢

混合干氣壓縮機帶液對葉輪造成的軸向沖擊是突發性的，壓縮機的振動測點、軸位移測點、間隙電壓的變化趨勢為：平穩運行中突然上升至較高數值，變化時間比較短。這是由于突發軸向沖擊對壓縮機軸向力的平衡產生破壞，轉子推力盤與軸承發生嚴重摩擦后，位置移動，測點數值發生瞬時突變。變化過程中，軸向力是壓縮機的低壓側指向高壓側，轉子與軸位移測點間距離變小，軸位移間隙電壓變化明顯，在停車前后呈現上下波動。

2.2.4 混合干氣壓縮機入口緩沖罐容積對介質混合與液體沉降的影響

混合干氣壓縮機入口設置有緩沖罐，緩沖罐內的氣體分別由三種不同的進料管線通入后，在罐內混合。由于這三種氣體的壓力偏差較大，組分變換也比較大，如果緩沖罐的容積較小凝液沉降時間短，那么進入壓縮機入口處的氣體將有可能帶有液體。同時，由于氣體無法混合均勻，這種情況下的氣體組份將會與原設計工況存在偏離，對壓縮機的性能產生一定的影響。壓縮機的各段入口管線處有U形彎，這種管線布置情況會導致介質中未能沉降的液體慢慢聚集，當液體聚集成大液體時，會隨著壓縮機介質被吸入而一同進入。

3 混合干氣壓縮機進液導致壓縮機多次停車的案例剖析

某混合干氣壓縮機，自運行以來發生了多次突然性的振動增大，聯鎖停車的情況，在停車后再次運行，壓縮機參數又可以恢復正常。整理每一次停車時的振動頻譜數據發現，振動頻率在0.53倍工頻到0.59倍工頻。軸位移值與振動值同一時間增大，間隙電壓也隨著變化，轉子由于軸向受力引發上述變化比較明顯。壓縮機組級間分離器液位在發生聯鎖停車的5至10分鐘后，都會有液位上漲情況。排液閥逐漸開啟至100%進行排液。每次排液閥開啟時間較長，需要經過3至3.5個小時排液后，排液閥才慢慢關閉。通過液位上漲與排液時長看，壓縮機進液情況嚴重，進入液體較多，轉子受到的瞬間軸向力很大，最終導致了機組停車。機組停車后拆件推力軸承，發現瓦塊合金層已經磨掉無法使用。

壓縮機突發振動的因素較多，比如氣體激振及壓縮機喘振。通過壓縮機發生振動大時的頻率及重新開車后又能正常運行這一情況，我們可以得知壓縮機的振動并不是激振引起，激振引發機組振動與壓力、轉速的變化具有同步性，并不是突發性。同時也可以排除壓縮機發生喘振，喘振過程中壓縮機的振動變化呈現周期性上下波動，同時振動頻率在0.56以下。

4 混合干氣壓縮機進液現象的預防

通過分析，可以得知混合干氣壓縮機進液主要是外部介質攜帶液體或者液體聚集在U形彎處造成，壓縮機在運行過程中處于高壓高溫的條件，不會有凝液產生。因此在工藝裝置上設置分離器、分子篩、帶視鏡的脫液包等，對進入壓縮機內部的介質氣進行氣液分離，是比較有效的預防方式。在工藝裝置上，可以對混合干氣入口處進行預先降溫冷凝。分離設備的設置方式、放置位置及分離效率，需要考慮到壓損、容積大小等參數要與壓縮機匹配，同時也要考慮增加分離設備的經濟成本與維修成本。

對于發生了進液現象的混合干氣壓縮機組，需要及時對壓縮機的推力軸承、推力盤進行檢修，更換損壞的瓦塊，避免損壞瓦塊影響壓縮機軸向推力的平衡，避免壓縮機轉子定子件發生二次磨損。由于壓縮機的密封在振動過程中可能發生密封尖牙的磨損，這將導致級間的密封間隙增大，泄露量增大。所以在發生進液情況后，需要縮短密封的更換周期，避免密封的長時間使用，及時更換。

5 結語

混合干氣壓縮機進液導致停車，對壓縮機轉子產生較大的軸向沖擊力，對于推力軸承、推力盤、密封等部件都造成不停程度的損傷。分析這種現象的特征時可以發現，轉子受到軸向沖擊后，振動值與軸位移值都會增大，振動頻率多為0.5倍工頻。這些特征都說明了壓縮機軸向力遭到外力破壞，轉子與定子件發生摩擦。目前，壓縮機進液具有突發性，在機組的正常運行中很難及時監測到，還只能通過設置分離器、分子篩等分離設備進行預防。通過此次詳細的剖析混合干氣壓縮機進液停車，可以進一步了解引發原因，進行預防。