离心式天然气压缩机的吸入状况及故障排除

2022-09-24

在我国石化行业中, 天然气压缩机组一般采用往复活塞压缩机、螺杆式压缩机和离心式压缩机等。前两者在实际应用中的故障比率多呈现于活塞、螺杆的润滑与制动系统, 而后者则多发生在离心机的吸气环节。离心式压缩机因气量大、结构简单、摩擦件少、重量轻、便于操作和机组占地面积小等优点而被我国石化工业广泛应用。摸清离心式天然气压缩机的吸入状况, 及时把握其吸入压力、吸入温度、吸入流量及进气组成和分子量等, 就成为保证天然气压缩机安全、有效生产的重要举措。

1 离心式天然气压缩机的吸入状态

离心式压缩机 (centrifugal compressor) 又称透平式压缩机, 主要用来压缩各种气体。它一般由定子和转子两大构件组成。其工作原理即对气体作功, 使气体的压力和速度升高, 从而完成气体的运输。其操作过程要通过节流、旁路操作或变转速来进行控制, 可以和各种驱动系统匹配, 包括电机、蒸汽和燃气轮机以及膨胀机等。

1.1 离心式天然气压缩机一般技术参数

以常见的API617设计标准为例, 见下表:

1.2 正常吸入状态

在正常工作状态下, 离心式压缩机在其叶轮高速旋转时, 气体被离心力甩到后面的扩压器中去。因此, 在叶轮处形成真空地带并产生吸力;外界的新鲜气体再次进入叶轮并被甩出, 从而保持了气体的连续流动性。由于离心压缩机的结构紧凑, 排气连续、均匀, 不需要中间罐等装置, 因而它工作起来振动小, 易损件少, 不需要庞大而笨重的基础件套装;在其吸气时, 机器内部不需润滑, 且在真空机腔不会污染被压缩的气体;转速高, 吸气时大, 所以维修量小, 使用安全、方便。

2 不良吸气故障的原因及其影响

2.1 非正常吸气状态的原因

离心式天然气压缩机紧凑、耐用、方便的机械特点并不能掩盖它吸气过程中易喘振这个常见病。流体振动, 即非正常吸气造成的振动, 则成为天然气压缩机最常见的故障。非正常吸气产生的振动是有如下原因造成:在离心式压缩机在运转过程中, 天然气吸入流量因气压、温度、气体混比等变化发生减流时, 压缩机流道中就会发生气流旋转脱离现象。由于压缩机处于一体化管网中, 此处的天然气并未立刻减少, 从而使压缩机出口压力相对减小, 造成气体外送力不足;因无法足流输出, 出口管网气体受到内部高压开始倒流向压缩机;倒流现象一旦产生, 压缩机内腔气量陡然增大, 压力增加又开始送气, 以致于引起叶轮的应力增加, 噪音增强, 从而使整个机器产生强烈的振荡。[1]

2.2 异常吸气的不良影响

机械振荡和管路振荡在流体振动的带动下合为一体, 压缩机的密封系统及各关节轴承会遭到损坏;严重时甚至会使定子与转子元件发生碰撞, 导致压送的天然气外泄, 引起易燃易爆品事故发生。所以, 离心式天然气压缩机不适用于气量小及压比过高的工作环境。它的吸气流量范围应该受到严格的管控。

3 离心式天然气压缩机吸入故障的排除措施

3.1 防振安全参数控制

压缩机防止振荡的安全工作线的方程式为:P2/P1=a+b Q12。设压缩机入口气体温度θ1较稳定, 若将横坐标取为Q121/θ1, 则抛物线型安全工作线变为直线, P2/P1=a+KQ121/θ1。式中K=bθ1。若用节流装置测量流量, 则有标准节流装置流量测量经验公式式中:Q1为压缩机吸入流量。广义上a是冲角, P是压力。h1为流量测量差压, β为流量系数;θ1为吸入侧温度, P1为吸入侧绝对压力。由上式得Q12/θ1=β2h1/P1。代入后得h1=P1/ (Kβ2) (P2/P1-a) 即采用抛物线型安全控制线的常、变量系数方程。其中, 气压、气温、流量和压力产生的冲角是控制流量、防止喘振的最关键因素。

3.2 气压控制

离心式天然气压缩机的涡轮增压器气门阀闭塞时, 内部自然产生极大的背压。出现这种情况是气压控制不利, 使得增压器叶轮发生故障或者是增压器本身承压大而发生了喘振造成的。此时就需要一个气压控制装置, 在驱动设备突发减速时, 通过喘振阀通气软管将节气门后的低压压力传递到防振阀压力反馈的接头之上, 打开喘振阀单向截止膜片, 使增压器压气机前后压力平衡, 从而可以做到避免增压器喘振。[2]气压控制的关键一环, 是密封装置。天然气压缩机上的密封有四类, 即轴封、轮盖密封、级间密封和平衡盘的密封。机体内的气流从间隙流入密封片间空腔, 其截面会突然增大, 强烈的气流小旋涡瞬间形成, 可逃逸的气体陡然失速, 也就是说密封设备保持通过节流间隙气体的的压力不发生变化。但还是有气体通过了间隙, 所以气流的质量、体积逐渐增加, 直到形成与泄漏气体压力一致的背压, 从而起到密封、保压的作用。因此, 定期检查四类密封设备的情况是气压控制不可缺失的常务。

3.3 温度控制

我们知道, 水平剖分式压缩机的进气温度最低可达-100℃, 垂直剖分式和整体齿轮式进气温度达-40℃, 它们的最高进气温度都在200℃左右。而三者的最大排气温度为250℃。确定了以上标准, 在操作过程中要认真检查各轴承的油温上升速度。若轴承温度升幅太大, 就要及时停机降温。而关键部位油冷却口的温度变化有个幅度, 一般在35℃到40℃之间, 如果超过这个值, 也应切断油加热系统, 并徐徐打开油冷却器的进口阀, 用调节各冷却器进口水量的办法, 使冷却器之后介质的温度停留在允许值之内。离心式天然气压缩机轴承工作温度修正值在45到50℃之间, 最高温度值不应超过65℃。通常内部操作规定65℃为报警温度, 达到75℃要立即停机。

要达到温控标准, 必须经常检查冷却水流量、压力或温度是否达标, 如有异常要重新调整水压、水温, 保持冷却水泵压力;在细节上, 要及时去除冷却管表面积垢, 定时抽检冷却器温差, 每隔固定周期清洗冷却器内芯;还要排除冷却管与管板间的配合故障, 发现堵塞、磨损, 要用胀管设备将不贴合的冷却管端口部位重新胀紧;检查冷却水侧通道是否有气泡, 如果产生气泡会降低温控效果, 要打开阀门, 及时排空气泡。[3]

3.4 气流量控制

天然气压缩机的管路系统阻力升高时, 气体流量一般会随之而降低。而压缩机出口的压力是先高后低, 呈周期性变化的。气体流量如果大幅下降, 会出现空气倒灌入吸气管的现象, 进而使压缩机功率运行出现波动, 机器就会剧烈震颤。此时, 应该及时打开放空阀和旁通阀, 增加通过空压机的气体流量。

在具体操作中, 气体流量控制要重点关注压缩机运行工况点在特性曲线上的坐标, 当其距离喘振边界较近时, 要立刻按照防喘振裕度1.03至1.05之间的设定值进行规避。另外, 如果气阀关张不灵活、进气通道阻塞等工况发生也会扰乱气体流量控制, 必须定期检查防喘装置的工作情况, 如有失准、失灵、卡顿, 需要立即调修;最后, 当气体性质和混比发生变化时, 应该换算出其自有特性曲线, 根据新特性线值重新调整压缩机的防喘振值。

4 结语

总之, 影响离心式天然气压缩机气体流通量的因素很复杂, 除了设计、安装、密封、冷却、供电频率等因素, 我们只有抓住故障发生的关键要素, 即离心式天然气压缩机的吸入压力、吸入温度、吸入流量及进气组成等事项, 分析出造成压缩机喘振的真正原因并有效用阻止, 才能成功地排除其吸气故障, 从而有力地保证天然气压缩机能够安全生产工作。

摘要：本文通过对比离心式天然气压缩机在正常吸气状况下稳定、节能运行与异常吸气状况下躁动、喘振运行的机械特点, 指出了异常吸气状态能够被预先发现与及时申报故障的可行性;进而从离心式天然气压缩机的吸入压力、吸入温度、吸入流量及进气组成等事项分析了造成压缩机喘振的原理和排除故障办法, 为保证天然气压缩机安全、有效生产提供有效的技术思路支持。

关键词：离心式,压缩机,吸气,排障