压缩机喘振放空阀全开原因分析及解决措施

    0 前言

    中国石油塔里木石化分公司有年产45×10⁴t合成氨，80×10⁴t尿素项目。该项目合成氨装置的工艺空气压缩机选用德国AtlasCopco公司生产的多轴离心式空气压缩机，其驱动设备为杭汽生产的中压注汽冷凝式汽轮机。该项目于2010年5月投入正常生产，2011年12月28日，在装置开车的过程中，多轴离心式空气压缩机喘振放空阀三次突然全开，使二段炉断空气，造成除一段炉及脱碳装置以外其它所有装置停车。对此，中国石油塔里木石化分公司成立了调查组，对该事故进行了调查和分析，找出了其影响因素，提出了解决措施。

    1 多轴离心式空气压缩机简述

    1.1 工艺描述

    中国石油塔里木石化分公司多轴离心式空气压缩机由中压注汽冷凝式汽轮机驱动，用于化肥合成氨装置，为二段炉提供燃烧转换空气。压缩机带增速齿轮箱，在增速齿轮箱和汽轮机之间安装了中间齿轮箱，来降低压缩机齿轮箱的输入转速。压缩机分为两段，一段由四级压缩组成，二段由两级压缩组成。一段各级出口分别安装了水冷器，正常运行时，空气经过过滤器到压缩机的一段被压缩到1.42MPa（a），然后经过一段水冷器被冷却到34.5°C，其中一部分空气被抽出作为仪表空气和尿素防腐空气之用，另一部分进入压缩机二段，被压缩至3.82MPa（a），进入二段炉。压缩机状态监测见图1。

图1 压缩机状态监测

    1.2 压缩机控制描述

    在运行时，压缩机一、二段入口导叶（IGV）用于控制压缩机的流量及压力，如增加压缩机的流量及出口压力时需增大导叶开度，反之减小。若叶轮内的流量停滞，发生喘振，则会对压缩机机械部件造成很大应力，故要求压缩机实际流量必须大于最小容积流量。运行中，压缩机进入最小流量前喘振放空阀会自动打开，为确保压缩机远离喘振线而安全运行，在分散控制系统（DCS）中安装了防喘振控制系统，由其控制防喘振放空阀的启、闭，以避免压缩机发生喘振。

    为确保压缩机稳定操作，多轴式压缩机配备了一、二段防喘振放空阀，由喘振控制器自动控制防喘振放空阀。稳定和不稳定运行的分界线称作喘振线，其取决于多种因素，如温度、压力等。对喘振线留有一定的安全余量，这条安全线称为放空线，它与喘振线平行，其安全余量是设计流量的8%，从而确保了压缩机的稳定、安全运行，见图2。

图2 压缩机喘振控制线    

    防喘振放空阀和入口导叶控制压缩机流量。压缩机一段额定流量的30%由一段导叶调节控制，即通过导叶调节可使压缩机额定流量从100%减少到70%，如果流量需进一步减小，只能依靠调节一段喘振放空阀的开度来实现。当压缩机流量＞70%时，喘振放空阀将自动完全关闭，当一段喘振放空阀关闭后，一段导叶将开始从最小操作位置打开。

    压缩机二段额定流量的38%由二段导叶调节控制，即通过导叶调整可使额定流量从100%减少到62%，如果流量需进一步减小，只能依靠调节二段喘振放空阀的开度来实现，当压缩机的流量＞62%时，喘振放空阀将自动完全关闭，当二段喘振放空阀关闭后，二段导叶将开始从最小操作位置打开。

    压缩机的流量是通过导叶调节来实现的，即一级入口导叶控制压缩机一段流量，五级入口导叶控制压缩机二段流量。    

    实际运行中，为防止压缩机喘振，同时在极端条件下能迅速全开喘振放空阀，压缩机喘振控制器要求设置在自动模式，根据AtlasCopco公司提供的压缩机使用手册可知，一段喘振流量设定值为3450m³/h，二段喘振流量设定值为1750m3/h，当压缩机流量大于喘振流量设定值时，喘振放空阀自动关闭，当小于喘振流量设定值时，喘振放空阀自动开启。

    对于压缩机的一、二段出口压力，设置了安全控制器，它的作用是避免压缩机一、二段出口压力大于最大允许值，它由可编程逻辑控制器（PLC）进行控制，运行时应设置为自动模式。在极端操作条件下，即当一段出口压力＞1.5MPa或二段出口压力＞4.2MPa时，一、二段喘振放空阀会瞬间全开，反之关闭。

    当汽轮机转速升至最小转速＞5743r/m时，在全自动模式下，可对压缩机进行加载，在操作画面上逐步增加一、二段出口压力的设定值，这时，喘振放空阀会先逐渐关闭，当全关后，入口导叶才逐步打开，完成加载。需卸载时，减小一、二段出口压力的设定值，这时导叶开始逐步关闭，当完全关闭后，喘振放空阀才开始逐步打开，完成卸载。

    当汽轮机的转速＜5743r/m时，电磁阀失电，一、二段喘振放空阀瞬间全开，导叶瞬间全关。

    2 喘振放空阀突然全开因素及对策

    通过以上分析可知，运行中造成压缩机一、二段喘振放空阀瞬间全开的因素有两个：一段出口压力＞1.5MPa或二段出口压力＞4.2MPa；汽轮机的转速＜5743r/m。

    在合成氨装置开车过程中，2011年12月28日多轴离心式空气压缩机一天内出现了三次喘振放空阀突然打开，二段炉断空气，造成除一段炉及脱碳装置以外其它所有装置停车。

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    2.1 原因分析

    2.1.1 第一次喘振放空阀全开

    2011年12月28日凌晨01∶04∶36合成气压缩机汽轮机TK431在投抽汽时，多轴离心式空气压缩机一、二段喘振放空阀突然打开，造成机组甩负荷，其运行状况见图3。

图3 压缩机运行状况

    从图3可见，当汽轮机转速下降至5667.6r/m时，其转速已＜5743r/m，达到了压缩机喘振放空阀突然打开的条件，喘振放空阀打开，因压缩机突然甩负荷，汽轮机转速上升，1m后其转速最高达到6330r/m，但未上升到汽轮机电子跳闸转速6645r/m，所以汽轮机并未跳车。

    将中压蒸汽管网的压力、温度及多轴离心式空气压缩机汽轮机转速的状态趋势调出后发现，在01∶05∶27中压蒸汽管网的蒸汽温度由392℃下降至258℃，随之汽轮机的转速下降至5609r/m，见图4。由于图3与图4在不同计算机屏幕上截取的画面，因此存在一定的时间误差。

图4 中压蒸汽压力、温度及汽轮机转速

    调出合成气压缩机汽轮机TK431抽汽的温度历史记录后发现，01∶05∶20合成气压缩机汽轮机TK431正在投抽汽系统，在投抽汽前，其抽汽线内的蒸汽温度为126.5℃，在投抽汽后其温度为258.96℃，见图5。操作人员曾发现在投抽汽后，温度逐渐下降，很难控制，由此可推断出减温水阀TV7046存在内漏，其内漏会增加暖管难度。

图5 TK431汽轮机抽汽温度状况

    上述可得，合成气压缩机汽轮机TK431在投抽汽前，因操作人员没有很好地对抽汽管线进行暖管，加之减温水阀内漏，增加了暖管难度，在投汽时将抽汽管线中大量的冷凝水瞬间带入到中压蒸汽管网，使管网内的蒸汽温度很快下降到258℃，蒸汽温度的下降导致多轴离心式空气压缩机汽轮机转速从5860r/m迅速下降到5743r/m以下，造成压缩机一、二段喘振放空阀突然打开。

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    2.1.2 第二次喘振放空阀全开

    压缩机第一次喘振放空阀全开后造成了二段炉断空气，进而系统连锁反应造成合成气压缩机跳车，这时多轴离心式空气压缩机处于空负荷状态运行，01∶40∶20多轴离心式空气压缩机加压提负荷，经过00∶1∶25该压缩机一、二段喘振放空阀突然打开，其运行状况见图6。

    从图6可见，在压缩机提负荷时，操作人员逐步关闭一段、二段喘振放空阀，一段出口压力迅速上升。对此，操作人员马上打开一段喘振放空阀，但仍然没有遏制住压缩机一段出口压力的上升，01∶41∶45一段出口压力达到1.555MPa，其压力已＞1.5MPa，达到了压缩机喘振放空阀突然打开的条件，喘振放空阀打开，因压缩机突然甩负荷，汽轮机转速急速上升，01∶42∶01其转速达到6641r/m，汽轮机电子跳闸停车。

图6 压缩机运行状况

    调出多轴离心式空气压缩机的出口阀FV2011开度情况、压缩机出口流量以及汽轮机转速状态趋势后发现，在第一次多轴离心式空气压缩机喘振放空阀打开后，压缩机甩负荷，其出口阀FV2011随即关闭，此后该阀一直处于关闭状态，见图7。同时调出压缩机出口副线阀开度趋势后发现该阀也一直处于关闭状态。

图7 出口阀FV2011开度及汽轮机转速

    上述分析可得，多轴离心式空气压缩机在加负荷提压时，其出口阀FV2011及副线伐一直处于关闭状态，憋压导致压缩机一段出口压力迅速上升，操作人员马上打开一段喘振放空阀，然而其压力仍继续上升达到1.5MPa以上，造成压缩机一、二段喘振放空阀突然打开，紧接着汽轮机转速迅速达到电子跳闸转速而跳车。

    2.1.3 第三次喘振放空阀全开

    2011年12月28日20∶18∶12合成气压缩机汽轮机TK431在投抽汽时，多轴离心式空气压缩机一、二段喘振放空阀又一次突然打开，造成机组甩负荷。

    通过调查、分析，其原因与第一次喘振放空阀全开原因一样，皆因在合成气压缩机汽轮机投抽汽时暖管不充分，冷凝液瞬间带入到中压蒸汽管网，使管网的蒸汽温度大幅度下降，而造成多轴离心式空气压缩机汽轮机转速下降到5743r/m以下，造成喘振放空阀突然打开。

    2.2 解决措施

    为防止此类事故再次发生，做出以下操作规定：

    a）在合成气压缩机汽轮机投抽汽前，操作人员要充分进行暖管，打开导淋放净冷凝液，在其温度＞280℃后［4-5］，方可投汽。

    b）为降低暖管难度，对减温水阀TV7046进行检修，避免其内漏。

    c）在压缩机提负荷时，压缩机岗位与转化岗位要充分沟通和联系，严防压缩机出口阀FV2011或副线阀未及时打开，造成压缩机憋压。

    以上措施的实施有效地防止了由该类原因造成压缩机喘振阀突然全开的严重后果，保障了装置长周期运行。

    3 结论

    对多轴离心式空气压缩机一天内三次喘振放空阀突然打开的事故进行了深入调查和分析，找出了事故的原因，并采取相应解决措施：为防止合成气压缩机汽轮机在投抽汽时造成管网蒸汽温度低而影响多轴离心式空气压缩机汽轮机的转速，进而导致喘振放空阀打开，要求在投抽汽前充分暖管，检查减温水阀的运行状态；为防止多轴离心式空气压缩机出口过高而造成喘振放空阀打开，要求压缩机岗位与转化岗位要密切配合，及时打开压缩机出口阀FV2011或副线阀，避免此类问题再次发生。