王曉培

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037001)

煤化工是將煤經(jīng)過化學(xué)加工，使其轉(zhuǎn)化為所需產(chǎn)品的過程[1]。甲醇是一種常用有機原材料，煤制甲醇生產(chǎn)具有成本低、材料來源廣泛的特征，可以獲得顯著的經(jīng)濟效益，因此煤制甲醇對于行業(yè)發(fā)展的重要性也逐漸體現(xiàn)出來。煤制甲醇的生產(chǎn)技術(shù)包括空分、氣化、凈化以及甲醇合成等，其中，壓縮機是空氣分離、甲醇合成等行業(yè)廣泛運用的機械設(shè)備。然而壓縮機振動異常會使運行效率下降、能耗增大甚至引發(fā)事故，因此，在壓縮機組運行、維護及管理過程中，如何有效地控制和減小其振動，維護機組的正常運行，對煤制甲醇整個工藝裝置的穩(wěn)定運行具有重大意義。

1 某煤制甲醇合成氣壓縮機組簡介

在煤制甲醇的過程中用到最多的設(shè)備就是壓縮機。具體來講，合成氣壓縮機組工藝包括離心式壓縮機合成段和循環(huán)段工藝。其中，合成段的工藝為首先將新鮮合成氣進入分液罐內(nèi)進行氣液分離，其次進入合成氣壓縮機進行壓縮，然后進入甲醇合成塔；循環(huán)段的工藝為首先將循環(huán)段氣體進入分液罐內(nèi)進行氣液分離，其次進入壓縮機內(nèi)進行壓縮，然后進入甲醇合成塔進行甲醇合成[2]。合成氣壓縮機組系統(tǒng)設(shè)有防喘振管線，并由防喘振冷卻器控制回流氣體的溫度。某公司400 kt/a甲醇合成裝置采用離心式壓縮機為一缸兩段結(jié)構(gòu)，其工藝流程，如圖1所示。

圖1 合成氣壓縮機工藝流程

2 離心式壓縮機防喘振控制

2.1 喘振現(xiàn)象

離心式壓縮機流量減少時，可能出現(xiàn)另一種不穩(wěn)定的工況現(xiàn)象，引起機器大幅度地波動，強烈的振動，即喘振現(xiàn)象。喘振現(xiàn)象一般具有以下特征：1) 喘振有強烈的周期性氣流噪聲，出現(xiàn)氣流吼叫聲；2) 離心式壓縮機旋轉(zhuǎn)失速，工作非常不穩(wěn)定，排氣壓力及流量等參數(shù)脈動大；3) 機器強烈振動，機體、軸承等振幅急劇增加。喘振會損壞壓縮機零部件，引起儀表的準(zhǔn)確性降低或者失靈，從而產(chǎn)生巨大的危害，因此壓縮機是不允許在喘振下運行的。

2.2 影響喘振的因素

實際運行中，除了內(nèi)部流動，因失速區(qū)的產(chǎn)生與發(fā)展，引起喘振外，外部管網(wǎng)流量和阻力的變化與壓縮機工作不協(xié)調(diào)，如壓縮機的流量等于或小于喘振流量等，也是引起壓縮化喘振的重要原因。

實際上，壓縮機喘振往往是多種因素綜合作用的結(jié)果，主要有轉(zhuǎn)速、進氣狀態(tài)、管網(wǎng)特性、結(jié)構(gòu)參數(shù)等。其中，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時，壓縮機葉輪對氣體所做的功將增大，喘振流量也增大，性能曲線上移；反之，轉(zhuǎn)速降低則使性能曲線下移。當(dāng)進氣溫度增大、進氣壓力降低，實測的喘振流量增大，壓縮機性能曲線下移。管網(wǎng)容量越大，壓縮機系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，喘振越嚴(yán)重，破壞性越強。隨著導(dǎo)葉預(yù)旋角由負(fù)增大到正，喘振流量也將減少；葉輪是離心式壓縮機中的惟一做功部件，一般葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)中的出口安裝角較小的話，抗喘振性能較好，但還與葉道設(shè)計的是否合適有關(guān)。離心式壓縮機中擴壓器是一個與葉輪幾乎同等重要的部件，是決定壓縮機穩(wěn)定王況范圍的重要因素；一般無葉擴壓器半徑比小，喘振流量大，壓縮機容易喘振；通過調(diào)小葉片擴壓器進口安裝角，喘振流量大為減少，其最高效率和能量頭基本不變。

2.3 喘振原因分析及喘振預(yù)測

由于喘振的危害性，因此厘清壓縮機發(fā)生喘振的原因，以及在一定的情況下對期進行預(yù)測，并提出改進措施尤為重要。根據(jù)喘振機理及上述分析，壓縮機發(fā)生喘振的原因主要是管網(wǎng)流量和阻力的變化與壓縮機工作不協(xié)調(diào)，具體表現(xiàn)為壓縮機的實際運行流量小于喘振流量及出口壓力低于管網(wǎng)壓力。

對于喘振預(yù)測而言，由于壓縮機喘振往往是多種因素綜合作用的結(jié)果，導(dǎo)致運用傳統(tǒng)的方法尋求喘振與這些工藝參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型較為困難。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用反映多變量間關(guān)系的累積數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和權(quán)值加記憶，為判斷出機器對應(yīng)的狀態(tài)，提供了一個切實可行的辦法。

2.4 喘振控制技術(shù)

由于喘振的危害性，因此防喘振控制是壓縮機控制系統(tǒng)的核心。一般而言，喘振控制技術(shù)有壓縮機本體設(shè)計優(yōu)化及運行條件改善兩種。其中，對于離心式壓縮機在設(shè)計上主要以擴大穩(wěn)定工況范圍為目的，如采用后彎式葉輪、無葉擴壓器等氣動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)以及采用導(dǎo)葉可調(diào)機構(gòu)等。對于離心式壓縮機在運行條件上，主要采取控制壓縮機的進出口壓力，設(shè)法在管網(wǎng)流量減少過多時增加壓縮機本身的流量等措施。

3 某煤制甲醇合成氣壓縮機異常振動情況及防喘振措施

3.1 異常振動情況介紹

如上所述，某公司400 kt/a甲醇合成裝置采用離心式壓縮機為一缸兩段結(jié)構(gòu)，該壓縮機組于2016年3月投入運行，正常運行時，各點振動波動非常小。然而，分別于2018年12月29日及2019年1月19日，壓縮機合成段、循環(huán)段均出現(xiàn)異常振動，持續(xù)時間分別為30 min和10 min。壓縮機組異常振動曲線，如圖2和圖3所示。

圖2 2018年12月29日壓縮機組異常振動曲線

圖3 2019年1月19日壓縮機組異常振動曲線

同時，根據(jù)2018年12月29日壓縮機組異常振動時壓縮機運行數(shù)據(jù)顯示，合成段進出口壓力、循環(huán)段進出口壓力同步增加，同時循環(huán)段入口流量也快速增加。根據(jù)2019年1月19日壓縮機組異常振動時壓縮機運行數(shù)據(jù)顯示，合成段入口流量緩慢增加，入口壓力也出現(xiàn)增加，出口壓力則下降，而循環(huán)段入口流量及進出口壓力全部下降。

3.2 異常振動原因分析

根據(jù)壓縮機的運行情況，且從異常振動過程中記錄的數(shù)據(jù)和異常振動曲線可知，該壓縮機從投入使用以來，未進行過大檢修，且平時壓縮機運行工況非常好。同時，壓縮機合成段、循環(huán)段的軸振動頻率、振幅等基本保持一致。另外，在這2次振動過程中，汽輪機轉(zhuǎn)速、潤滑油溫度等均處于穩(wěn)定狀態(tài)。由此說明，這2次異常振動不是因為壓縮機故障等機械原因造成的，不是儀表探頭故障，也不是潤滑油壓力、壓縮機和汽輪機兩側(cè)的軸位移、壓縮機入口分離罐液位等參數(shù)導(dǎo)致的振動。

針對2018年12月29日壓縮機組異常振動，從異常振動過程中記錄的數(shù)據(jù)和異常振動曲線可知，壓縮機合成段入口流量無變化，但是整個系統(tǒng)壓力全部上漲，說明大量未反應(yīng)的氣體進入壓縮機循環(huán)段，打破了壓縮機原有的平衡，致使壓縮機振動異常，且整個過程持續(xù)30 min。

針對2019年1月19日壓縮機組異常振動，從異常振動過程中記錄的數(shù)據(jù)和異常振動曲線可知，合成段入口壓力和流量增加，其余壓力及流量均減小，說明甲醇合成反應(yīng)速度加快，系統(tǒng)壓力降低，打破了壓縮機原有的運行平衡點，從而導(dǎo)致振動值從9.24 μm增加到21.80 μm，出現(xiàn)了10 min的短時間振動異常。

3.3 采取的措施和效果

根據(jù)上述分析，及時調(diào)整了凈化氣組分含量，使甲醇合成反應(yīng)速度基本保持穩(wěn)定，甲醇合成氣壓縮機的異常振動逐步消失，壓縮機各點的振動均回到10 μm以內(nèi)。

4 結(jié)語

綜上所述，甲醇合成氣壓縮機為工藝流程中主要用到的關(guān)鍵動設(shè)備[3]。然而，離心式壓縮機流量減少時，可能出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，從而造成運行效率下降、能耗增大甚至引發(fā)事故。研究通過對某煤制甲醇合成氣壓縮機振動異常情況進行分析，結(jié)合甲醇合成反應(yīng)的特點，考慮工藝氣組分對甲醇合成反應(yīng)速率的影響，從而產(chǎn)生了異常振動。為此，探索出了新的解決問題的思路，即通過系統(tǒng)工藝氣組分的調(diào)整，使甲醇合成反應(yīng)速度基本保持穩(wěn)定，消除了甲醇合成壓縮機的振動異?，F(xiàn)象。