李鵬,王興偉

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份份有限公司,遼寧 沈陽 110869)

高溫氣體對壓縮機(jī)組的影響

李鵬,王興偉

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份份有限公司,遼寧 沈陽 110869)

通過對BCL405LNG壓縮機(jī)裝置的振動故障原因分析,詳細(xì)闡述了離心式壓縮機(jī)因機(jī)組氣體溫度過高、金屬線性膨脹、氣動及氣體冷卻器、機(jī)械原理過程,并對機(jī)組發(fā)生原因作出了正確的分析判斷,有效解決了該機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)過程重反映出的表理特征問.

離心式結(jié)構(gòu);BCL型壓縮機(jī);氣體冷卻器;金屬熱膨脹;性能試驗

BCL405LNG壓縮機(jī)于2010年10月在用戶現(xiàn)場安裝完畢,并在用戶現(xiàn)場運(yùn)轉(zhuǎn)近4年多來一直很好,機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的各項參數(shù)指標(biāo)(振動、溫度、壓力等)都在技術(shù)要求范圍之內(nèi).機(jī)組布置如圖1所示.

圖1

2014年12月8日夜,用戶現(xiàn)場突然防喘振氣體管路的氣體冷卻器溫度過高而停車.經(jīng)查找原因是供給防喘振氣體管路的氣體冷卻器的冷卻水停了所致,當(dāng)時氣體冷卻器的殼體和機(jī)組殼體表面溫度高達(dá)290℃左右.后經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)主機(jī)(支撐側(cè))軸端密封機(jī)殼內(nèi)端面與轉(zhuǎn)子平衡盤的鎖螺母相碰并粘合在一起,此次停車還造成隔板束中的3塊隔板中分面變形,有0.5~1mm的縫隙,轉(zhuǎn)子發(fā)黑、打表彎曲0.18mm,與轉(zhuǎn)子接觸的所有密封都有不同程度的損壞.

1 機(jī)組機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)原理

該壓縮機(jī)組是為中石油某石化分公司化肥裝置設(shè)計的天然氣壓縮機(jī)LNG,型號為BCL405離心壓縮機(jī),機(jī)組是由BCL405壓縮機(jī)和汽輪機(jī)(EIL IOTT埃利奧特制造)組成,它們之間用膜盤聯(lián)軸器聯(lián)接,壓縮機(jī)與汽輪機(jī)共同安裝在同一個鋼制底座上,整個機(jī)組裝置共用一個潤滑油站.為保證機(jī)組安全的運(yùn)轉(zhuǎn)在進(jìn)、出氣管路之間(氣體壓力和溫度)設(shè)置一個防喘振閥及管路、氣體冷卻器.壓縮機(jī)的軸端密封由約翰克蘭公司提供的干氣密封,干氣密封的控制系統(tǒng)安裝在現(xiàn)場的底座上(圖2).

圖2

2 機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)故障分析

機(jī)組氣體工況運(yùn)轉(zhuǎn)的原理如下.

該壓縮機(jī)是制造氨化肥工藝過程中的主要設(shè)備之一.該機(jī)組的氣動工作原理是將工藝流程的上游輸送過來的氣體途經(jīng)本機(jī)組的5級葉輪的壓縮將氣體輸送到下游所需的管道中.因該機(jī)組設(shè)計參數(shù)在正常的工況下要求進(jìn)氣壓力是1.6MPa(A),出口壓力是4.49 MPa(A),其氣壓比為i=2.8.為保證機(jī)組在調(diào)試正常氣體工況下和異常工況下的氣體穩(wěn)定性,特在氣體進(jìn)、出口管路之間上增設(shè)了防喘振回路(包括管路、閥門及氣體冷卻器等相關(guān)附件).為使機(jī)組在某一轉(zhuǎn)速下,通過對防喘振閥門開度的調(diào)試,使機(jī)組內(nèi)的氣體壓力、流量、溫度參數(shù)(介質(zhì)CH4)達(dá)到設(shè)計工況要求.保證機(jī)組氣體工況參數(shù)的穩(wěn)定,還要保證防喘振回路上的自動閥門的靈敏性,這樣機(jī)組才能保證正常平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn).

3 氣體溫度升高對壓縮機(jī)裝置、部件(金屬材料熱膨脹)的影響

3.1 氣體溫度對氣體冷卻器的效果的影響

對于機(jī)組來說氣體分子在轉(zhuǎn)子高速離心旋轉(zhuǎn)的作用下,由于溫度不斷升高,使機(jī)組內(nèi)腔的氣體壓力和溫度增高,根據(jù)溫度的特性(溫度是具有輻射傳遞的特性),使溫度不僅傳遞到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上,還要傳遞到定子和管路、冷卻器上.

3.1.1 機(jī)組的參數(shù)的穩(wěn)定調(diào)節(jié)

為保證機(jī)組在正常工況下的壓力、流量及溫度處在設(shè)計要求參數(shù)穩(wěn)定的范圍內(nèi),特在進(jìn)、出氣管路之間增設(shè)了防喘振功能等相關(guān)元件來調(diào)節(jié)管道中的氣體壓力、流量、溫度.為使氣體的溫度能降下來并達(dá)到機(jī)組進(jìn)氣溫度要求,在防喘振回路閥門后通向機(jī)組進(jìn)氣管路之間增設(shè)氣體冷卻器以調(diào)節(jié)機(jī)組進(jìn)氣管路的氣體壓力、流量、溫度的(進(jìn)氣壓力是1.6MPa(A)、進(jìn)口流量為43557/45797nm3/h、進(jìn)口溫度25℃)穩(wěn)定.

3.1.2 防喘振閥的工作原理

在工況轉(zhuǎn)速下,經(jīng)過計算選擇防喘振管路及閥門(規(guī)格DN100、壓力6.0MPa,具有可調(diào)節(jié)功能的).在設(shè)定的工況極限壓力之下,當(dāng)氣體達(dá)到這個壓力設(shè)定值時(壓力值5.0MPa)使氣體起到快速收斂的作用.當(dāng)閥門采用手動或自動打開,使高溫氣體(出口溫度124.3℃)快速通過流入到氣體冷卻器進(jìn)行氣體冷卻.降低機(jī)組內(nèi)的氣體出口壓力,從而使機(jī)組平穩(wěn)的運(yùn)轉(zhuǎn),達(dá)到快速調(diào)節(jié)的功能作用.

3.1.3 金屬熱膨脹對冷卻器冷卻效果的影響

根據(jù)這次機(jī)組停車后所查找的工作記錄數(shù)據(jù)及現(xiàn)場巡檢工作人員對現(xiàn)場當(dāng)時所發(fā)現(xiàn)的情況,其在機(jī)組和防喘振氣體冷卻器表面溫度過高、冒煙現(xiàn)象,其所測得的表面溫度值達(dá)290℃左右,遠(yuǎn)超出設(shè)計所要求的殼內(nèi)溫度(出口溫度124.3℃),氣體冷卻器表面溫度應(yīng)小于150℃.經(jīng)查找分析是供給通向氣體冷卻器的冷卻水泵意外爆機(jī)而停車所致.

3.2 氣體溫度對轉(zhuǎn)子軸和葉輪的軸向間隙的影響

因為金屬材料的特性其線性膨脹系數(shù)略有差異,所以在正常工況溫度下或超高溫度下,其金屬的線性膨脹量是不同的.因此在設(shè)計機(jī)組結(jié)構(gòu)時就考慮了這一特性,特在定子上的隔板、轉(zhuǎn)子上的葉輪部件軸向之間設(shè)計了要求值(即b=±3.5),轉(zhuǎn)子軸向自由端與軸端密封之間設(shè)計了要求值(即a=±1.5).

3.2.1 葉輪與隔板之間的軸向間隙的影響

對于壓縮機(jī)來說葉輪與相鄰隔板之間的間隙在設(shè)計時除要考慮機(jī)組的氣動工況參數(shù),特別是還要考慮氣體溫度.溫度的高低決定著隔板在氣體壓力作用下的強(qiáng)度.所以,在設(shè)計機(jī)組結(jié)構(gòu)時除了要考慮隔板的強(qiáng)度、級間壓比差外,還要考慮轉(zhuǎn)子在氣體壓力、溫度下,轉(zhuǎn)子上的每級葉輪在隔板之間的軸向間隙.它所給的軸向間隙大小是關(guān)系到轉(zhuǎn)子在正常、異常工況下安全運(yùn)轉(zhuǎn)的考核檢查指標(biāo).該機(jī)組定子上的隔板、轉(zhuǎn)子上的葉輪軸向之間設(shè)計要求值為b≥3.5.該機(jī)組在發(fā)生事故后經(jīng)分析復(fù)效檢測該隔板和葉輪之間的實(shí)際測量尺寸也符合設(shè)計要求(即b=3.7).同時在對隔板和葉輪表面檢查時也沒有檢查到刮傷的痕跡.說明該機(jī)組設(shè)計所給的要求值滿足工況異常要求(當(dāng)時機(jī)組內(nèi)腔的轉(zhuǎn)子和隔板溫度應(yīng)大于300℃).

3.2.2 轉(zhuǎn)子軸向端面與軸向端密封之間間隙的影響

對于壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子在設(shè)計時除要考慮氣動工況參數(shù),還要考慮轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下各種氣體溫度的變化對轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度及應(yīng)力的影響.尤其是氣體溫度的高低決定著葉輪、主軸在氣體壓力的作用下的強(qiáng)度.同時還要考慮轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中承受著熱膨脹、熱變形、熱應(yīng)力以及機(jī)殼與轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的熱膨脹差值.通過設(shè)計、裝配計算和操作可將它們控制在允許范圍內(nèi),就能確保機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn).通過對機(jī)組解體后檢查及在拆檢過程中所發(fā)生的隔板束抽不出來現(xiàn)象分析,再結(jié)合圖紙示意結(jié)構(gòu)得出結(jié)論,造成隔板束拆不出來的原因,是轉(zhuǎn)子出口端的平衡盤側(cè)鎖螺母端面與支撐側(cè)端蓋內(nèi)側(cè)軸端密封端面相粘連在一起.后經(jīng)采取相應(yīng)的工裝及輔助方法將隔板束拆卸下來,解體后檢查確實(shí)是該處相粘連.

造成此次轉(zhuǎn)子粘連的原因是機(jī)殼內(nèi)氣體溫度過高所致,導(dǎo)致對在機(jī)殼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向線性膨脹,而線性膨脹量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計所給定的安全膨脹量值,設(shè)計給定值(即a=±1.5).此次氣體溫度過高對轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生了較大的影響,經(jīng)對轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行徑向跳動檢查,發(fā)現(xiàn)出口端轉(zhuǎn)子軸有彎曲現(xiàn)象,其跳動值為t=0.18,后經(jīng)工藝性處理使該轉(zhuǎn)子的徑向跳動控制在t=0.025mm.

在這里要強(qiáng)調(diào)設(shè)計所給的轉(zhuǎn)子軸向移動值(即a=±1.5)起到了運(yùn)轉(zhuǎn)安全的保護(hù)作用,起到了保護(hù)轉(zhuǎn)子上的葉輪與隔板之間相互碰撞,從而說明設(shè)計所給的轉(zhuǎn)子、定子間隙值滿足機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)要求,防止隔板和葉輪表面刮傷,滿足工況異常要求(當(dāng)時機(jī)組內(nèi)腔的轉(zhuǎn)子和隔板溫度應(yīng)大于300℃).

3.3 氣體溫度對隔板束的配合間隙的影響

3.3.1 隔板束中的各塊隔板配合尺寸公差合理性

該機(jī)組所組成的隔板束,每付隔板之間采取的是止口結(jié)構(gòu)配合,其配合公差采用的是間隙配合.配合最大間隙a,配合最小間隙b;同軸度要求ф0.05mm,端面垂直度要求0.05mm.為保證相鄰隔板之間的級間不竄氣在中分面采用密封膠條ф3.2進(jìn)行密封.

3.3.2 氣體溫度對隔板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分布設(shè)計

在這里還要考慮氣體溫度對隔板強(qiáng)度的影響,同時還要考慮隔板級間氣體的壓力差對隔板強(qiáng)度的影響.所以氣體溫度高低直接影響到隔板在工況下的強(qiáng)度,特別是在異常情況下是否滿足工況要求是要不可忽視的,在設(shè)計時要經(jīng)過強(qiáng)度計算、力學(xué)分析、熱力學(xué)分析來達(dá)到滿足設(shè)計要求.

3.3.3 氣體溫度影響隔板中分面變形

該機(jī)組在這次停車事故中,經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)由于隔板長時間處于高溫狀態(tài),致使整個隔板束中靠近氣體進(jìn)口端的3塊隔板中分面發(fā)生變形,并有0.5~1mm的縫隙.為此向用戶建議更換隔板,保證了機(jī)組氣動性能參數(shù)的穩(wěn)定.

4 氣體冷卻器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

作為該機(jī)組是工藝流程中輸送天然氣的設(shè)備,雖然機(jī)組結(jié)構(gòu)是一進(jìn)一出,但在氣體出氣管道上為防止工藝氣壓力及流量、溫度對機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定影響,特在出氣管路和進(jìn)氣管路之間增設(shè)一個防喘振回路裝置,它包括防喘振閥和一個冷卻器等管路,以緩解管道內(nèi)氣體壓力及流量、溫度.而在這個回路中冷卻器起到了一個降低氣體壓力、溫度、流量的作用.所以冷卻器起到工藝流程氣體穩(wěn)定的決定作用.

4.1 氣體冷卻管結(jié)構(gòu)的分析

從氣體冷卻器結(jié)構(gòu)來看它是由管殼和換熱管、進(jìn)出分水器、法蘭、管板等件組成.其中包含著2個ф273Xф159變徑氣體的進(jìn)出氣法蘭管路接口,氣體冷卻功能的2個ф159Xф100變徑冷卻水法蘭進(jìn)出接口,1個ф48氣體的排凝法蘭接口,1個ф48氣體的排氣法蘭接口,2個ф60氣體爆破片口法蘭.

為保證氣體的冷卻效率,通過熱力公式計算在內(nèi)部設(shè)計了總的換熱管分布.即上下進(jìn)出水管規(guī)格及數(shù)量756-ф19.25.為滿足機(jī)組的防喘振的氣體壓力在殼體與換熱管、進(jìn)出分水器、法蘭、管板之間通過計算所承受的強(qiáng)度,設(shè)計了36-ф39跨中把合孔均布并用M36螺栓把合.

4.2 氣體冷卻管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

上述已經(jīng)分析了該機(jī)組的停車原因是因為防喘振氣體冷卻器溫度過高而停車,而造成停車的原因是供給該氣體冷卻器的冷卻水停了所致,當(dāng)時氣體冷卻器管殼體溫度達(dá)290℃左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計所要求的范圍,管殼體表面涂的油漆都脫落和變色黃褐色,基于此情況懷疑氣體冷卻器的換熱管是否存在異常泄漏.

經(jīng)對氣體冷卻器拆檢后發(fā)現(xiàn)換熱管有個別換熱管有變形,對378根各管進(jìn)行試水打壓發(fā)現(xiàn)有20根存在裂紋泄漏現(xiàn)象.經(jīng)分析冷卻水換熱管損壞的原因是因為該管長期受高溫氣體環(huán)境的影響,使冷卻紫銅管或不銹鋼管沒有得到及時的冷卻而使其強(qiáng)度下降所致.

因有近20根換熱管損壞,考慮到換熱器沒有備用換熱器,經(jīng)計算排除損壞的換熱管數(shù)量,所剩的換熱管還能滿足機(jī)組的換熱要求(允許在制造過程中有3%~5%的損壞).所以對損壞的換熱管進(jìn)行維修工藝性處理.其處理方法是將損壞的換熱管采取絲堵和焊死,經(jīng)處理后打水壓試驗滿足使用要求.

5 結(jié)語

在對整個機(jī)組結(jié)構(gòu)的分析及改進(jìn),經(jīng)過機(jī)組機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)和性能試驗過程中的檢驗,所測的各項參數(shù)(壓力、流量、溫度等)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求.防喘振閥門反應(yīng)靈敏,氣體冷卻器冷卻效果均可達(dá)到換熱效果.主機(jī)振動值、軸承溫度符合API標(biāo)準(zhǔn)要求、主頻頻譜穩(wěn)定,試車升速過程沒有凸現(xiàn)異常,性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計要求,得到用戶的認(rèn)可和高度評價.

[1]柳洪義,劉杰.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工出版社.

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1671-0711(2017)11(上)-0163-03