張衛(wèi)剛
(中國石化中原石油化工有限責(zé)任公司,河南濮陽 457000)
該離心式產(chǎn)品氣壓縮機(jī)型號為2MCL454+2MCI404。壓縮機(jī)機(jī)體為兩缸四段8級,壓縮機(jī)組由高、低缸組成,結(jié)構(gòu)為水平剖分式,壓縮機(jī)與汽輪機(jī)之間、高壓缸與低壓缸之間由膜片聯(lián)軸器聯(lián)接,整個機(jī)組由同一潤滑油站供油。壓縮機(jī)主要由定子(機(jī)殼、隔板、密封、平衡盤密封)、轉(zhuǎn)子(軸、葉輪、隔套、軸套、平衡盤、半聯(lián)軸器等)、徑向軸承、推力軸承、軸端密封等組成。壓縮機(jī)的軸封采用John Crane 的干氣密封,級間密封和平衡盤密封均采用迷宮密封。
產(chǎn)品氣壓縮機(jī)是MTO 裝置的核心設(shè)備,主要作用是將反再單元反應(yīng)制出的產(chǎn)品氣進(jìn)行逐級壓縮,并且在段間去除各類含氧化合物(醛、酮、醇、醚等)、CO2、甲/乙酸等酸性物質(zhì)、大部分水及重質(zhì)烴類,為后續(xù)分離系統(tǒng)提供條件。
該壓縮機(jī)近年來發(fā)生喘振情況多次,主要以2018年9月發(fā)生的一次典型喘振情況進(jìn)行介紹討論。
2018年9月12日18:00 ,MTO 裝置完成 24 h 標(biāo)定后,裝置開始降負(fù)荷:裝置負(fù)荷從75 t/h(9月 12日18:00)降至63 t/h(9 月12 日22:39)裝置運(yùn)行穩(wěn)定,未出現(xiàn)異常。
9月 13 日 1:12:28,壓縮機(jī)突然發(fā)生喘振,喘振前工藝未做大的調(diào)整。操作人員在處理喘振時(shí),發(fā)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)整線性差,不易穩(wěn)定,最終造成壓縮機(jī)多次喘振(四次),到2:02縮機(jī)機(jī)組才逐漸穩(wěn)住,裝置進(jìn)入調(diào)整階段,如圖1所示。
圖1 甲醇進(jìn)料量
汽輪機(jī)所用蒸汽的穩(wěn)定性對機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行關(guān)系重大,因蒸汽不穩(wěn)定將直接影響汽輪機(jī)的輸出功率,從而引起后續(xù)壓縮機(jī)的運(yùn)行情況發(fā)生變化,可能會造成轉(zhuǎn)速調(diào)整線性差的情況。尤其是當(dāng)蒸汽量不足時(shí),會引起壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降,有可能會引起喘振。該離心式壓縮機(jī)的驅(qū)動汽輪機(jī)所用蒸汽為4.1 MPa、30℃的高壓蒸汽,正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)蒸汽用量為18.5 t/h。MTO 裝置的高壓蒸汽來源分為3部分:自產(chǎn)高壓蒸汽、外購大化高壓蒸汽、外購國電高壓蒸汽。根據(jù)主控室CCS 歷史紀(jì)錄畫面,對機(jī)組發(fā)生喘振時(shí)間點(diǎn)前后的高壓蒸汽壓力溫度、流量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)取查看,發(fā)現(xiàn)高壓蒸汽各項(xiàng)參數(shù)都相對穩(wěn)定,沒有大幅波動的情況,所以,可以排除是汽輪機(jī)蒸汽波動引起壓縮機(jī)喘振。
從機(jī)組運(yùn)行情況與當(dāng)時(shí)操作情況來看,汽輪機(jī)進(jìn)氣閥頻繁動作,造成機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)整線性差,不易穩(wěn)定的原因可能是由于透平蒸汽調(diào)速閥出現(xiàn)卡澀。
經(jīng)過長周期的運(yùn)行,透平調(diào)速系統(tǒng)的錯油門可能存在磨損并產(chǎn)生卡澀的情況,當(dāng)錯油門滑閥在正常調(diào)整過程中向上運(yùn)動并在某一位置卡澀,彈簧的反饋力不能使錯油門滑閥回到中間位置,壓力油不斷進(jìn)入油動機(jī)活塞上腔,活塞下移調(diào)節(jié)汽閥進(jìn)一步開大,機(jī)組的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高。隨著活塞不斷下移,通過反饋杠桿傳遞給錯油門彈簧的力進(jìn)一步增大,當(dāng)力增加到能夠克服錯油門滑閥卡澀的阻力時(shí),滑閥又恢復(fù)到平衡位置,能夠進(jìn)行正常的滑動調(diào)節(jié)動作,機(jī)組的轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)到正常穩(wěn)定范圍[1]。
在這種情況下壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速上漲,壓縮機(jī)吸入流量及透平蒸汽用量會隨之升高,與現(xiàn)場實(shí)際情況不符,而實(shí)際情況下壓縮機(jī)吸入流量及透平蒸汽用量是下降的,因此錯油門卡澀的可能性較小。
壓縮機(jī)發(fā)現(xiàn)喘振前,機(jī)組運(yùn)行正常,壓縮機(jī)三段出口流量(FI-3002)42.1 t,“三返一”工作點(diǎn)在正常工作區(qū)域。在9月13日1點(diǎn)12分,機(jī)組發(fā)生喘振,三段出口流量(FI-3002)突然下降到幾乎為零,短暫時(shí)間后又恢復(fù)正常。這種狀態(tài)反復(fù)出現(xiàn)幾次后機(jī)組才恢復(fù)正常,如圖2所示。
圖2 三段出口流量
來自丁烯裝置的粗丙烯流量從9 月12 日21:17的2.3 t/h 提至21:55的2.563 t/h,在壓縮機(jī)喘振前其流量在2.55~2.66 t/h;OCC 流量基本穩(wěn)定。
經(jīng)查看,高壓和中壓蒸汽管網(wǎng)壓力、溫度穩(wěn)定。壓力穩(wěn)定在4.0~4.2 MPa。
壓縮機(jī)在1:12:28發(fā)生喘振,喘振前工藝未做大的調(diào)整。發(fā)生喘振時(shí)K-3001主要運(yùn)行。
1)在1:12:43之前,二段排出壓力大于三段吸入壓力;在1:12:43時(shí),二段排出壓力等于三段吸入壓力,同時(shí),機(jī)組振動開始上升;在1:12:43后,二段排出壓力小于三段吸入壓力。
出現(xiàn)這種狀況,說明在1:12:43時(shí)機(jī)組發(fā)生“石墻”現(xiàn)象,之后壓縮機(jī)組出現(xiàn)喘振。
2)在1:12:43和1:12:44區(qū)間內(nèi)可以看到:先是壓縮機(jī)二段出口壓力和三段吸入壓力發(fā)生反轉(zhuǎn),其次壓縮機(jī)振動開始上升,然后K-3001三段出口流量(FI-3002)出現(xiàn)下降。
3)在1:12:44和1:12:45區(qū)間內(nèi),K-3001“三返一”防喘閥全開,三段出口流量(FI-3002)持續(xù)下降。
壓縮機(jī)組“三返一”防喘振閥在正常生產(chǎn)時(shí)應(yīng)投用半自動;開停車過程及不穩(wěn)定工況時(shí)投用手動;無論在哪種狀態(tài)都必須保證,如果壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振的跡象或征兆,“三返一”防喘振閥都能及時(shí)打開。但是在手動狀態(tài)下若是在降負(fù)荷過程中,壓縮機(jī)入口負(fù)荷降低太快,或者出現(xiàn)“三返一”防喘振閥打開不及時(shí)甚至未打開的情況,極易引起機(jī)組出現(xiàn)喘振。
針對上述問題,建議:①機(jī)組在降負(fù)荷時(shí),速度應(yīng)盡量緩慢,防止壓縮機(jī)一段入口處因負(fù)荷快速降低導(dǎo)致二段出口壓力快速降低,而來自O(shè)CC 的1.2 MPa的粗丙烯會將三段入口的0.6 MPa 的主產(chǎn)品氣“頂”回去,引起“石墻”現(xiàn)象,從而造成機(jī)組喘振。②在降負(fù)荷時(shí),應(yīng)將機(jī)組“三返一”防喘振閥投用半自動控制,確?!叭狄弧遍y門及時(shí)開啟。
壓縮機(jī)三段出口流量設(shè)計(jì)值為31.9 t/h。根據(jù)物料平衡,裝置負(fù)荷65 t/h,產(chǎn)品總收率按照 42%計(jì)算,PP 尾氣1 t/h,OCC 流量3 t/h,在“三返一”防喘振閥全關(guān)時(shí),三段出口流量應(yīng)是:65×42%+1+3=31.3 t/h;但在發(fā)生喘振前 FI-3002顯示流量為42 t/h,偏差接近10 t/h。
在負(fù)荷為75 t/h 時(shí),F(xiàn)I-3002 流量大于45 t/h;負(fù)荷降至65 t/h 時(shí),F(xiàn)I-3002流量降至42 t/h,如圖3所示。
圖3 FI-3002 流量趨勢圖
問題分析:2015 年,MTO 裝置進(jìn)行停車檢修,檢修過程中對壓縮機(jī)三段吸入管線進(jìn)行改造,將原本送至乙烯裝置的OCC 粗丙烯管線,技改后接入到K-3001壓縮機(jī)三段吸入口位置。引進(jìn)OCC 裝置的粗丙烯量約為3 t/h。
同時(shí),在壓縮機(jī)二段入口還引入了聚丙烯排放氣,流量為0.5 t~1 t/h。因此,正常情況下,F(xiàn)I-3002產(chǎn)品氣壓縮機(jī)K-3001三段出口流量示值應(yīng)該包含:壓縮機(jī)一段入口流量、“三返一”流量、再加上OCC 來料,以及二段入口前來自聚丙烯裝置的排放氣。
以2019年7月20日為例(該日機(jī)組也發(fā)生了輕微喘振),壓縮機(jī)一段入口流量顯示約為29 t/h、“三返一”流量(鑒于“三返一”防喘振閥當(dāng)時(shí)開度為19%,根據(jù)廠家提供的曲線表格可以查出,對應(yīng)的返回流量為6 t/h 左右),再加上OCC 來料3 t/h,1.2 MPa,以及二段入口前來自PP 的排放氣約為0.5 t/h 合計(jì)為29+6+3+0.5=38.5 t/h。三段出口流量計(jì)設(shè)計(jì)溫度為88℃,操作壓力1.459 MPa。23日顯示操作溫度為86℃,操作壓力為1.56 MPa,根據(jù)溫壓補(bǔ)償后計(jì)算結(jié)果41.4 t/h,而當(dāng)時(shí)顯示為滿量程45 t/h,說明壓縮機(jī)三段出口流量計(jì)FI-3002示值確實(shí)偏大。
而現(xiàn)場儀表FT3002在2018年大修階段進(jìn)行過儀表校驗(yàn),當(dāng)時(shí)為合格?,F(xiàn)場使用475手操器檢查,發(fā)現(xiàn)FT3002測量差壓值為10.7 kPa,進(jìn)一步換算得出對應(yīng)結(jié)果46.55 t/h。
對比2015年之前的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)時(shí)僅有甲醇一股進(jìn)料,進(jìn)料80t/h 負(fù)荷時(shí),F(xiàn)T3002示值為42 t/h,防喘閥調(diào)節(jié)均無異常,此時(shí)C3001氧化物水洗塔前后壓差為20 kPa 左右。而2019年8月20日甲醇負(fù)荷降低70 t/h 時(shí),差壓為24 kPa 左右。由于水洗塔經(jīng)常清洗,排除塔堵的可能。因此,造成壓差不同的原因可能是介質(zhì)氣分子量和密度變大所致。產(chǎn)品氣設(shè)計(jì)密度為19.12 kg/m3,目前不知實(shí)際密度。
同時(shí),考慮到OCC 粗丙烯進(jìn)料的影響以及工藝工況可能與設(shè)計(jì)相比都發(fā)生了變化,原C3001氧化物水洗塔塔底排水閥為DN40 調(diào)節(jié)閥,且開度小于30%,目前改為DN50,開度為38%~64%,從這個結(jié)果可以看出壓縮機(jī)三段出口的介質(zhì)中液相明顯增加,且不排除有液態(tài)烴類,混合氣體密度可能增大。根據(jù)文丘里流量計(jì)工作原理,在壓差相等的情況下,密度變大,則質(zhì)量流量也相應(yīng)增大。
建議:①征求機(jī)組設(shè)計(jì)院意見,能否在壓縮機(jī)三段出口的遠(yuǎn)端開設(shè)取樣孔,對三段出口介質(zhì)進(jìn)行定期取樣,測量分子量、確定介質(zhì)密度,從而及時(shí)校準(zhǔn)壓縮機(jī)三段出口流量計(jì)的計(jì)算顯示結(jié)果,消除流量計(jì)偏差問題。②增加壓縮機(jī)一段入口流量計(jì)的連鎖,當(dāng)機(jī)組降負(fù)荷后自動連鎖打開“三返一”防喘振閥,避免因?yàn)槿纬隹诹髁糠答伈患皶r(shí),不能及時(shí)打開防喘振閥門,造成前段壓縮機(jī)喘振。
根據(jù)實(shí)際情況中得到的經(jīng)驗(yàn),經(jīng)查閱類似機(jī)組資料,機(jī)組的實(shí)際喘振曲線和防喘振曲線已經(jīng)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值[2],機(jī)組“三返一”閥門的開關(guān)全憑借經(jīng)驗(yàn)操作,在出口流量低于 38 t/h 時(shí)才選擇打開。
(1)原因分析:由于OCC 裝置和聚丙烯排放氣的引入,導(dǎo)致機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況已經(jīng)與設(shè)計(jì)工況發(fā)生較大變化,尤其是介質(zhì)組分的變化對喘振曲線和防喘振曲線的影響更為明顯[3]。
(2)建議:在確定介質(zhì)組分基本穩(wěn)定的前提下,及時(shí)請廠家技術(shù)人員對機(jī)組的喘振曲線和防喘振曲線進(jìn)行重新計(jì)算和試驗(yàn),從而減少操作人員的“經(jīng)驗(yàn)式”操作,保障機(jī)組運(yùn)行情況的及時(shí)調(diào)整,避免喘振的發(fā)生。
壓縮機(jī)的喘振現(xiàn)象是其固有的特征,具有較大的危害性。喘振發(fā)生的影響因素也比較多,為了保證離心式壓縮機(jī)的高效、可靠、長周期運(yùn)行,必須結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐,弄清喘振的激勵,掌握喘振的主要影響因素,對喘振現(xiàn)場的產(chǎn)生先兆加以快速和準(zhǔn)確的預(yù)測與判斷,并采取有效的預(yù)防和控制措施,從而避免喘振的發(fā)生。