齊智勇 郝巖 陳永峰 康建興/沈陽鼓風機集團股份有限公司

空分壓縮機蝸殼溫升高的故障分析及處理

齊智勇 郝巖 陳永峰 康建興/沈陽鼓風機集團股份有限公司

0 引言

沈鼓首臺套電驅(qū)大型單缸等溫型空分壓縮機組是為內(nèi)蒙古某煤化工企業(yè)60萬噸煤制甲醇項目4.3萬空分裝置[1]提供的水平剖分離心壓縮機機組，型號為MCO1404[2]。設(shè)計進口流量為220 000 Nm3/h，軸功率20 094kW,出口壓力為0.64MPa(A)。轉(zhuǎn)子為雙支撐軸承內(nèi)3級閉式葉輪，外把合1級半開葉輪的結(jié)構(gòu)，定子采用水平剖分機殼外掛獨立懸臂蝸殼結(jié)構(gòu)。為適應季節(jié)溫差和用戶增減產(chǎn)能的需要，在進口處設(shè)置有導葉調(diào)節(jié)器進行流量調(diào)節(jié)。

1 故障情況簡介

1.1 機組的現(xiàn)場情況

根據(jù)用戶供貨合同需求，由沈鼓承擔該MCO1404離心壓縮機設(shè)計及制造工作，壓縮機的設(shè)計參數(shù)見表1。但2013年3月在用戶現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)實際運轉(zhuǎn)時進口流量僅有180 000Nm3/h，出口壓力0.57MPa(A)，電機已到達額定功率值，不能達到設(shè)計工況和裝置產(chǎn)能的要求。期間由于用戶生產(chǎn)運用的要求，并未進行停機檢查，帶故障狀態(tài)運行。用戶要求根據(jù)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行分析，在7月初機組3～4天的檢修期間內(nèi)完成故障的排除工作，達到設(shè)計工況的性能要求。

表1 設(shè)計參數(shù)表

1.2 現(xiàn)場實際性能參數(shù)及對照比較

根據(jù)從現(xiàn)場中心控制室3月中旬采集的儀表數(shù)據(jù)和壓縮機的設(shè)計參數(shù)進行對比，如表2所示。

實際運行時導葉有一定的調(diào)節(jié)角度，電機的定子溫度較高，無法調(diào)大導葉角度來增加流量。整個煤制甲醇裝置已投入運營，產(chǎn)能因空分能力不足只能達到80％。如果停機拆蓋進行檢查會造成較大的損失，用戶不愿意在未查到原因的情況下這樣做。這樣一來，在無法直觀地看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下進行分析判斷，難度非常大。

表2 對比參數(shù)表

2 故障的排查

2.1 壓縮機溫度和壓力偏離

從表2設(shè)計和實際工況的對比可以看出，一段出口的溫度達到155.3℃，明顯高于設(shè)計值。其余各段進出口溫度與設(shè)計點略有差別，主要是因為季節(jié)和冷卻循環(huán)水溫度不同所致，不是問題的關(guān)鍵。一段的出口壓力低0.03MPa，實際壓比1.76，明顯低于設(shè)計壓比2.14，溫度和壓比都明顯偏離設(shè)計值。而其余各段壓比基本相符，最終四段出口壓力偏低，這應該是一段偏離后其他段壓縮累計后造成的。

2.2 壓縮機的整機功率偏離

電動機為上海電機廠生產(chǎn)的額定功率22 500kW,4級大型異步電動機。對機組的耗功情況進行計算和對比。其額定負載時，設(shè)計的性能參數(shù)如表3所示。

表3 電機額定負載參數(shù)表

從現(xiàn)場電動機的控制儀表數(shù)據(jù)來看，測得電動機電流為1 316.8A,計算電機實際負載功率按公式（1）[3]進行計算：

實際負荷與設(shè)計工況僅相差286kW,而進口流量僅為設(shè)計點的85％，推斷如達到設(shè)計流量時，電機的實際功率要嚴重超出設(shè)計值。

2.3 壓縮機多變效率計算

MCO1404壓縮機是采用外置冷卻器冷卻的每一級獨立成段壓縮的壓縮機結(jié)構(gòu)。一段出口處的溫升、壓力存在明顯的偏差，一定影響到段的多變效率，進而影響到整機流量減小及功率的增大。所以根據(jù)一段的進出口實際參數(shù)，進行級多變效率計算。對比設(shè)計工況，從而確定效率影響程度。根據(jù)壓縮機原理，介質(zhì)為空氣，絕熱指數(shù)k=1.4，級的多變效率按公式（2）[4]計算：

設(shè)計工況下，一段進口參數(shù)為：p1=0.084 MPa（A），T1=30+273=303K；出口參數(shù)為：p2= 0.18MPa(A)，T2=115.5+273=388.5K，計算得ηpol= 0.876=87.6％；

實際工況下，一段進口參數(shù)為：p1=0.085 MPa（A）,T1=15.3+273=288.3K；出口參數(shù)為：p2= 0.15MPa（A）,T2=155.3+273=428.3K,計算得ηpol= 0.41=41％。

實際工況一段的效率僅為設(shè)計的41％，偏差非常大，由此進一步確定整機的性能偏差主要是由于一段的結(jié)構(gòu)故障所造成。

2.4 故障結(jié)構(gòu)部件的排查

首先，排除轉(zhuǎn)定子干涉的可能性。壓縮機在出廠前進行過廠內(nèi)抽真空條件下機械運轉(zhuǎn)試驗，試驗合格后交付到用戶現(xiàn)場的。由此可以排除轉(zhuǎn)定子間碰撞、干涉和結(jié)構(gòu)件加工失誤引起的加工裝配方面的原因。另外壓縮機所采用的葉輪模型級均通過試驗測算，許多機組都采用過，不會偏離這么大。

蝸殼和導葉調(diào)節(jié)器類似的零部件已同時用于其他機組上，設(shè)計和制造方法相似，結(jié)構(gòu)上并不存在較大的缺陷。

3 應用CFD理論分析

壓縮機會出現(xiàn)效率損失近50％，溫升變化如此大，以往機組從來沒有出現(xiàn)這么大的偏差，這種現(xiàn)象一時無法進行合理的解釋，也無從入手。這時想到了借用研發(fā)階段常用的CFD流程分析方法，模擬現(xiàn)場可能發(fā)生的各種氣流變化情況，看是否可以找出故障的原因。從現(xiàn)場的儀表數(shù)據(jù)入手，根據(jù)壓縮機一段的性能參數(shù)，如流量偏小，出口壓力低，出口溫度高，整段耗功較大的不正常特點，大膽進行理論上可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障的假設(shè)?？偨Y(jié)出造成這種現(xiàn)象可能的兩種原因：一是葉輪出口有比較大的漏氣量回流至進口造成的流量損失；二是機組處在導葉開度在較大的負預旋區(qū)內(nèi)造成的效率急劇下降。根據(jù)這兩種假定條件，應用先進的CFD[5]三維流場分析方法，對由導葉、半開葉輪、葉片擴壓器和蝸室所組成的整段進行分析計算來驗證，確定目標條件為功率損失40％以上，輸入實際的進出口流量、壓力、溫度等邊界條件，真實還原氣流的實際流動情況，得出相應的性能曲線。通過對性能參數(shù)的變化情況來看能否解釋這種現(xiàn)象[6]。

3.1 假設(shè)葉輪出口有比較大的漏氣量回流至進口（按回流量22％計算）

從CFD分析的圖1中可以看出，漏氣多曲線與漏氣少曲線相對比，在壓縮機法蘭處的容積流量是相同的，為67.6m3/s。兩種計算取相同的導葉開度值，考慮漏氣損失時，葉輪進口處的混合后溫度為45℃，葉輪進口的容積流量變大，為87.4m3/s，漏氣量大時，葉輪工作在大流量低效率區(qū)。效率降低了20％，出口溫度升高了近10℃，氣動功率增加600kW左右，出口壓力降低到了0.3bar。從這個分析可以解釋流量小，但是溫度升高和壓力降低的幅度并不是很大,功率超了10％～15％，同時結(jié)構(gòu)上漏氣量20％以上的可能性較小，所以計算結(jié)果并不能解釋故障的成因。

圖1 效率、壓力、溫度、功率與流量曲線圖

3.2 假設(shè)進口導葉開度反向

半開輪的設(shè)計流量系數(shù)在0.14～0.16，馬赫數(shù)Mu=0.9時，通過CFD計算，導葉不同開度下計算得到壓比ε和流量系數(shù)φ，多變效率η與流量系數(shù)φ的性能曲線。

根據(jù)半開葉輪的模型級試驗數(shù)據(jù)，不同的導葉開度下，壓比ε和流量系數(shù)φ的變化情況如圖2所示。

計算分析流量系數(shù)φ和多變效率η的變化情況如圖3所示。

通過圖2和圖3的導葉各開度下的性能曲線對比，可以清晰的看到導葉進口角度-40°和-50°時，葉輪的進口流量基本在同一范圍內(nèi)，但是出口壓力、多變效率大幅降低[7]，出口溫度升高20℃～30℃，功率增加30％～40％。現(xiàn)場實際的葉輪周速的馬赫數(shù)Mu在1.05左右，所以溫升會更高。這與實際運行情況基本相符，結(jié)論是進口導葉的實際開度應該是在-40°左右的位置。

圖2 流量系數(shù)與壓比的性能曲線圖

圖3 流量系數(shù)與多變效率的性能曲線

3.3 導葉調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)性能分析

進口導葉調(diào)節(jié)是通過改變導葉角度來改變氣流進入葉輪進口角使氣流產(chǎn)生預旋來達到流量調(diào)節(jié)的方法。該進口導葉調(diào)節(jié)器安裝在蝸殼上，位置在半開葉輪前，通過導葉的正負預旋的作用實現(xiàn)流量的減小和增大調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)器由角行程氣動執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，在控制室給定開度百分比后，控制系統(tǒng)發(fā)出4～20mA的電信號給執(zhí)行器驅(qū)動導葉進行0～90°角度開合（如圖4所示）來調(diào)節(jié)流量[8]。

正預旋時，進口空氣的流動角度與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相吻合，隨著導葉向同方向旋轉(zhuǎn)，具有一定排氣壓力的體積流量逐漸減小，耗功降低。負預旋時，進口空氣流動角度與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，隨著導葉反方向旋轉(zhuǎn)，體積流量和壓力可以增加到一定程度。如果超過某個控制極限，流體將在導葉處分離，合成的紊流導致流體體積和壓力的降低，并且對壓縮機效率有相反的作用[8]。

現(xiàn)場反饋，導葉的位置為54％，現(xiàn)場的氣動執(zhí)行器的4mA和20mA電信號與導葉對應位置是我廠客服人員現(xiàn)場操作完成的，存在著位置對應錯誤的可能性。通過上述分析，導葉應處于-40°左右的負預旋范圍內(nèi)，可能的情況是導葉的4mA電信號初始位置與20mA電信號對應角度位置正好相反設(shè)置，所謂的54％開度位置，如圖5所示大約在-31.4°的位置，與CFD分析相吻合。

圖4 進口導葉調(diào)節(jié)器的正確安裝位置

圖5 進口導葉調(diào)節(jié)器的錯誤位置圖

4 現(xiàn)場驗證與故障排除

通過上面的結(jié)構(gòu)和理論分析得出，問題出在進口導葉調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)上，可以順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)兩種可能，而壓縮機在廠內(nèi)機械運轉(zhuǎn)時并未對調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)角度進行校驗。現(xiàn)場安裝情況復雜，現(xiàn)場安裝人員對結(jié)構(gòu)原理不清楚，造成結(jié)構(gòu)角度與氣動執(zhí)行器信號對應的初始位置反向。在7月初利用用戶停機檢修的機會，與氣動執(zhí)行器廠家一起到現(xiàn)場，拆下一段進風筒，發(fā)現(xiàn)導葉如圖6所示，導葉處在負預旋角度較大的位置上，驗證機組一直在低效率、高功耗的狀態(tài)下運行[9]。

圖6 進口導葉調(diào)節(jié)器的現(xiàn)場故障位置圖

通過改變氣動執(zhí)行器的控制元件改變其旋轉(zhuǎn)方向，同時將進口導葉調(diào)整器按圖4的正確初始位置與電信號進行一一對應。整改后機組再次開車，進口溫度24℃時，一段出口溫度100.6℃，出口壓力0.18MPa(A)，流量和出口壓力均達到設(shè)計值，電動機電流1 290A，核算功率19 405kW，機組開車成功，用戶非常滿意。

5 結(jié)論

借鑒于此次故障處理的經(jīng)驗，將采用角行程氣動執(zhí)行器的機組都進行了排查。同時應用精益思想進行設(shè)計和制造加工的防錯理念進行設(shè)計和制造方面的改進。首先在機組的蝸殼上增加安裝標識，在機組出廠前進行導葉調(diào)節(jié)器的安裝調(diào)試。其次提供給用戶的裝配圖紙和說明書上增加導葉調(diào)節(jié)器的正確安裝說明和注意事項。

通過上述的措施，可避免類似故障的發(fā)生，取得了令人滿意的效果。通過此次故障的分析處理，可以深刻認識到，看似相關(guān)不大的零部件安裝失誤卻會嚴重影響到機組乃至整個裝置的性能。進而在壓縮機質(zhì)量上要精益求精，技術(shù)上做好每一個細節(jié)，為我國大型離心壓縮機組迅速趕超國際先進水平作出自己的貢獻。

[1]李曉黎,亢萬忠.大型空分裝置在煤化工中的應用與發(fā)展[J].化肥工業(yè)，2011(5):8-11,15.

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[3]張家生,王忠石,符永剛.電機原理與拖動基礎(chǔ)[M].北京:北京郵電大學出版社,2007.

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通過對某用戶現(xiàn)場空分壓縮機運行中流量偏低，一段出口溫升高的原因在不能停機檢查的條件下進行故障排查和理論分析，確定問題出于導葉調(diào)節(jié)器初始位置和旋轉(zhuǎn)反向所致，檢修排除故障并進行技術(shù)改進。分析的方法及處理經(jīng)驗可以在類似機組中借鑒。

空分壓縮機；溫升高；導葉調(diào)節(jié)器；CFD分析；負預旋

Fault Analysis and Treatment of High Temperature Rise in MCO Air Separation Compressor Volute

Qi Zhiyong,Hao Yan,Chen Yongfeng, Kang Jianxing/Shenyang Blower Works Group Corporation

air separation compressor; high temperature rise;guide vane regulator; CFD analysis;negative pre-whirl

TH452；TK05

A

1006-8155（2015）01-0073-06

10.16492/j.fjjs.2015.01.113

2014-07-04遼寧沈陽110869

Abstract：Under the condition of continuous operating,this paper described the malfunction elimination and theoretical analysis of the problems occurred during operating of air separation compressor on a user field,which were related to the under-predicted volume flow and high temperature rise at the 1st stage discharge, and finally found out the problems were induced by the original position of the guide vane and the direction of rotation,then debugged and made modifications.The method of analysis and treatment experience can be used for reference in similar units.