陳云偉 葛婧 柳鵬 江文佳

【摘 要】壓縮機反轉(zhuǎn)嚴(yán)重影響到機組的安全平穩(wěn)運行，防止離心壓縮機轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的根本在于系統(tǒng)設(shè)計與機組轉(zhuǎn)子動力學(xué)設(shè)計的匹配，即反向推動力、系統(tǒng)平衡時間和惰走時間的匹配，研究如何確保機組停車時轉(zhuǎn)子不發(fā)生反轉(zhuǎn)的課題意義重大。

【關(guān)鍵詞】離心壓縮機；故障診斷；小波分析

一、概述

裂解氣壓縮機、丙烯壓縮機、乙烯壓縮機（簡稱“乙烯3機”）是乙烯裝置中最關(guān)鍵的3種離心壓縮機組。壓縮機一旦出現(xiàn)問題，不僅乙烯裝置停產(chǎn)，以乙烯為原料的下游裝置也都將停產(chǎn)，損失巨大。由于沒有備用機，機組又必須滿足安全、穩(wěn)定、長周期運轉(zhuǎn)的條件，對機組的要求非常高。在新建或改擴建乙烯裝置中，離心式壓縮機軸端密封普遍采用干氣密封。與單向旋轉(zhuǎn)式干氣密封相比，雙向旋轉(zhuǎn)干氣密封端面產(chǎn)生的氣膜剛度較小、抗干擾能力稍差，所以目前大部分機組的干氣密封均為單向旋轉(zhuǎn)式。單向旋轉(zhuǎn)式干氣密封在運行中嚴(yán)禁反轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生，以避免氣膜建立失敗、端面會越轉(zhuǎn)越緊，從而使密封損壞。

二、轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)風(fēng)險分析

1、對密封的影響。壓縮機若裝配了浮環(huán)式軸封，如果轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，只要保證正常的油氣壓差，軸封一般不會發(fā)生泄漏事故。若裝配干氣密封，對于單向旋轉(zhuǎn)式密封，密封環(huán)如下圖所示，只有逆時針旋轉(zhuǎn)時密封槽才能形成密封動壓，一旦反轉(zhuǎn)，密封極易泄漏。因此，操作技術(shù)規(guī)程明確規(guī)定“禁止反轉(zhuǎn)”，而對于雙向旋轉(zhuǎn)式密封，密封環(huán)如下圖所示，由于密封槽為對稱形式，轉(zhuǎn)向?qū)訅旱男纬蓻]有影響。由于同尺寸的端面，單向旋轉(zhuǎn)式密封正常運行的密封效果好于雙向旋轉(zhuǎn)式，目前大部分機組安裝了單向旋轉(zhuǎn)式干氣密封。

2、對軸承的影響。大型壓縮機均配置可傾瓦軸承。對于單向旋轉(zhuǎn)型，為了獲得最大承載能力Lp/L，Lp是進油端到支點的瓦塊弧長，L為全瓦塊弧長（一般取0.58～0.7），一旦反轉(zhuǎn)可能引起軸承故障。對于雙向旋轉(zhuǎn)型，Lp/L為0.5，反轉(zhuǎn)不會對其壽命產(chǎn)生影響。目前，大部分機組安裝的是單向旋轉(zhuǎn)式滑動軸承。

3、產(chǎn)生振動。當(dāng)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到一階臨界轉(zhuǎn)速時，振動明顯增加，一次緊急停機3次過臨界轉(zhuǎn)速，易造成滑動軸承和迷宮密封磨損。下圖是一臺1995年投產(chǎn)某乙烯裝置裂解氣壓縮機（有在線振動監(jiān)測系統(tǒng)），2008年5月緊急停機時的振動情況，當(dāng)轉(zhuǎn)速2400r/min時，振動明顯增加（正常運行V2001X為14.8μm，V2001Y為16.4μm），3次高峰的間隔分別是7s，12s。綜上分析，緊急停機過程中轉(zhuǎn)子短時反轉(zhuǎn)，對軸承和迷宮密封損傷有限，本壓縮機組兩年內(nèi)發(fā)生6次緊急停機均未導(dǎo)致其直接損壞。緊急停機時壓縮機轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)對機組影響最大的是軸封。本壓縮機裝配了浮環(huán)式軸封，6次緊急停機均未發(fā)生泄漏事故，而2009年投產(chǎn)的另4臺類似的壓縮機裝配了單向旋轉(zhuǎn)的干氣密封，緊急停機時均發(fā)生不同程度損壞，輕者密封環(huán)磨損，重者密封環(huán)破裂。

三、反轉(zhuǎn)原因分析

離心式壓縮機反轉(zhuǎn)的機理是當(dāng)驅(qū)動機不輸出功時，壓縮機轉(zhuǎn)子開始降速，此時由于防喘振閥的開啟，高壓側(cè)氣體通過防喘振線也向低壓側(cè)流動。壓縮機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在反向氣流的作用下迅速下降為零，如果此時段間壓差仍沒有平衡，管路中尚存大量的高壓氣體，這些高壓氣體便會倒流使壓縮機轉(zhuǎn)子發(fā)生反轉(zhuǎn)。通常，為防止離心式壓縮機發(fā)生喘振，要從壓縮機排氣口引出部分氣體返到壓縮機吸入口，以使壓縮機運行點流量值高于最小喘振量。三缸五段式壓縮機組有兩條防喘振管線：一條是由三段出口返回一段入口的“三返一”線，另一條是五段出口返回四段入口的“五返四”線。系統(tǒng)采用流量和壓力來作為控制防喘振閥開閉的參數(shù)，保持入口流量高于喘振發(fā)生的臨界值。一方面，當(dāng)壓縮機開停或負(fù)荷大幅度改變而出現(xiàn)喘振，防喘振系統(tǒng)自動控制一部分排氣返回至吸氣管；另一方面，當(dāng)機組跳車時，系統(tǒng)電磁閥將會中斷去防喘振閥的控制氣體，使防喘振閥完全打開，這為壓縮機轉(zhuǎn)子在停機時發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)創(chuàng)造了必要條件。因此，系統(tǒng)防喘振閥和防喘振流量的設(shè)置與機組緊急停車后轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的關(guān)系重大。在現(xiàn)有乙烯裝置的設(shè)計中，防喘振閥的選擇通常以最大轉(zhuǎn)速下的喘振流量作為計算防喘振控制閥門系數(shù)的基準(zhǔn)，取基準(zhǔn)點對應(yīng)CV值的2倍作為選擇閥門的依據(jù)，同時保證閥門正常工作時的流量要保持閥門開度在50%～70%范圍內(nèi)，而對防止機組停車轉(zhuǎn)子可能發(fā)生反轉(zhuǎn)的可能并沒有考慮。

四、預(yù)防反轉(zhuǎn)措施

在壓縮機各段出口管路上安裝逆止閥，安裝位置應(yīng)盡量靠近出口法蘭處，使這段管路中的氣體容量減到最小，以防止機組緊急停車時儲存的氣體不致造成反轉(zhuǎn)。根據(jù)各機組的實際情況安設(shè)放空閥、排氣閥或再循環(huán)管線，在停機時可及時打開這些閥門將壓縮機出口的高壓氣體排空，以減少反轉(zhuǎn)機會。壓縮機末段出口增設(shè)火炬閥、增加聯(lián)鎖打開功能，防止壓縮機段間壓差不平衡而出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，但該措施存在聯(lián)鎖誤報的風(fēng)險。對防喘振管線調(diào)節(jié)閥進行調(diào)校，檢查現(xiàn)場實際閥位與中控開度是否一致，防止閥位偏差導(dǎo)致返回線流量不足而造成壓縮機轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)事故。選擇合理的防喘振管線管徑尺寸。防喘振管線管徑較細(xì)時，一方面導(dǎo)致回流氣體壓力平衡時間過長易引起反轉(zhuǎn)，但另一方面管徑細(xì)、反應(yīng)時間快，在正常生產(chǎn)時調(diào)節(jié)能力強。因此需重新核算機組防喘振管線的平衡能力，對防喘振系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，選擇合適的管道尺寸和控制閥門。采用碳石墨與碳化鎢或碳化硅組合的干氣密封，以減小反轉(zhuǎn)對密封造成的損害。

五、反轉(zhuǎn)案例

某石化企業(yè)丙烯壓縮機采用抽凝式透平、單缸四段壓縮，軸端采用約翰·克蘭串聯(lián)式干氣密封。開工準(zhǔn)備階段該機組聯(lián)鎖停車過程中多次發(fā)生反轉(zhuǎn)事件，機組緊急停機最短時間僅為25s。圖1為該機組在線監(jiān)測系統(tǒng)記錄的某次反轉(zhuǎn)發(fā)生時的轉(zhuǎn)速/時間曲線，停車開始時（A點）機組各軸承處轉(zhuǎn)子基頻振動的軸心軌跡正常。圖2為BC段選取轉(zhuǎn)速為364r/min時各軸承處轉(zhuǎn)子基頻振動的軸心軌跡圖，各軸心軌跡均出現(xiàn)反進動，說明該機組在停車過程轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。

為了防止壓縮機組由于吸入量不足而發(fā)生喘振，在機組的4段排出設(shè)置了去各段間罐的防喘振線，同時防喘振閥在聯(lián)鎖時快速開啟。聯(lián)鎖停車后出現(xiàn)多次反轉(zhuǎn)情況，說明該機組聯(lián)鎖停車后防喘閥在2s內(nèi)全開不能滿足機組要求，機組內(nèi)部還存在較大的反向阻力。為了防止機組緊急停車反轉(zhuǎn)事件的再次發(fā)生，車間修改了該機組的停車邏輯，將邏輯加上停車后出口放火炬閥自動打開，并分別在原防喘振線上并聯(lián)增設(shè)一條管線及控制碟閥，機組緊急停車時新增管線閥門與原防喘線上閥門同時快速開啟，保證機組出口、入口壓力盡快平衡，大大降低了壓縮機反轉(zhuǎn)的可能性，保證設(shè)備不受損害。機組運行至今僅發(fā)生一次非計劃停車事件，機組轉(zhuǎn)子未發(fā)生反轉(zhuǎn)事故，說明以上整改措施起到良好的效果。

結(jié)束語

綜上所述，建議將壓縮機與生產(chǎn)裝置作為整體進行研究分析，無論是增加出口側(cè)的泄流措施還是選用抗干擾能力強的設(shè)備，既要考慮到正常運行時安全和效率，更要重視緊急停機時的設(shè)備安全。轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)的判定：首先看驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)子的軸心軌跡，是否與正常運行的軌跡相反；其次看轉(zhuǎn)子的惰走曲線，是否過零點及后程曲線記為負(fù)值后整體曲線是否為連續(xù)光滑過渡的曲線。若這些均成立，即判定為轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。

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