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富气压缩机反喘振系统及开车注意事项

供稿:中国工控网 2016/6/29 15:42:53

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  • 关键词: 富气压缩机 反喘振系统
  • 摘要:按照结构形式和工作原理的不同,压缩机分为两大类:活塞式压缩机和离心式压缩机。离心式压缩机具有体积小重量轻,结构简单摩擦部件少等优点,施工安装,运转维护比活塞式压缩机简单,因此被广泛使用。富气压缩机是石油炼制工业中最重要的生产设备之一,由于离心式压缩机的使用寿命较长加之价格昂贵,为节省投资成本项目设计中普遍采用单机模式。

离心式压缩机的应用

石油炼制装置的蒸馏工序把油品中轻质的油气蒸馏出来,经过换热冷凝后还有一部分燃烧热值较高的碳氢化合物混杂在不凝气中。为提高产品收率,充分利用资源,需要把这部分热值较高的油气经过后续工艺进行吸收利用。为提高吸收效率缩小设备的体积,需要对这些不凝的油气加压,提高油气的密度减小气体的容积,因此需要一个加压设备——压缩机。

富气压缩机用来压缩富含碳3以上烃化物的油气,主要应用于催化裂化、延迟焦化等能够产生轻质油气的炼油工艺中,是石油炼制工业的重要设备。压缩机把密度小大容积的富气压缩为压力高密度大容积小的压缩油气,然后进入吸收装置中回收燃值高的组分,做到充分利用能源提高产量的目的。

按照结构形式和工作原理的不同,压缩机分为两大类:活塞式压缩机和离心式压缩机。离心式压缩机具有体积小重量轻,结构简单摩擦部件少等优点,施工安装,运转维护比活塞式压缩机简单,因此被广泛使用。富气压缩机是石油炼制工业中最重要的生产设备之一,由于离心式压缩机的使用寿命较长加之价格昂贵,为节省投资成本项目设计中普遍采用单机模式。

延迟焦化装置中所用的富气压缩机,与体检庞大的高压电机相比,离心式压缩机显得瘦小。 

 


反喘振保护的重要性

单机运转模式的富气压缩机影响着生产的连续平稳进行,压缩机在运行中一旦出现故障停车,势必给生产带来很大的被动。富气压缩机本身是一个价格昂贵的设备,因此压缩机本身设置了众多的检测保护措施,设置了设备本身的轴承温度、振动、位移的安全保护联锁措施;设置了保证设备安全运行的辅助连锁措施,如润滑油温度、压力、流量检测连锁,密封气系统的安全连锁;设置了保证设备安全运行所带负载的连锁保护,如压缩机进口富气流量低限保护——富气压缩机反喘振联锁控制系统。

离心式压缩机进口流量的波动即所带负荷的变化对压缩机的运行有很大影响,特别是进口气体流量低于离心式压缩机所允许的最低工作流量时,压缩机易出现一种性能反常的不稳定运行状态——喘振。

压缩机发生喘振引发整个压缩机管网系统的气流周期性振动,使压缩机性能显著恶化,气体参数:压力、流量产生大幅度脉动,发出一种“呼哧”“呼哧”的周期性气体流动噪音,大大加剧整个机组的振动。喘振使压缩机的转子和定子元件经受交变的动应力,级间压力失调引起强烈的振动,使密封和轴承损坏,甚至造成转子与定子碰撞,压送的气体外泄,引发爆炸事故。

喘振形成的原因

离心式压缩机是根据牛顿力学原理设计的一种加压设备。利用流体力学原理,把被加压的流体看做牛顿流体,通过牛顿内摩擦原理,利用流体的粘滞性特征把离心式压缩机叶轮的机械能转换成流体的动压能和静压能。压缩机是根据流体力学的模型,设定流体各种参数数值(或在一个较小的区间内变动)条件下制造的设备。这些参数包含了流体的运动粘度、雷诺数取值范围,材料的光滑粗糙度,流体管线内径,被压缩流体的流速范围,流量大小等设计数值。

生产运行正常的状况下,富气的组分、压力、密度处于相对平稳状态,压缩机的进口流量靠富气自身的压力和压缩机旋转叶轮内部产生的真空负压的压差值来实现,进入压缩机的富气流量是一个近似恒定的平稳值,此时压缩机工作于稳定的安全负荷区。

生产状况发生改变,引起富气的压力、组分、温度、流量大幅度变化时,压缩机进口处的富气压差值出现波动。压差值变小进入富气压缩机的流量变小,对于管道一定的压缩机入口,流量的变小导致进入压缩机气体的流速变小。当气体流速低于设计流速过大时,就会在旋转叶轮的背面发生流体力学中的边界层分离现象,使富气在压缩机叶轮中的流向发生变化,产生回旋的漩涡流,这种现象在离心式压缩机中叫旋转脱离。

旋转脱离发生后,富气在叶轮中的回旋情况非常复杂,随着进入压缩机的富气流量偏离正常运行流量的加大,叶轮间的漩涡会不断发展脱离叶轮反冲到前后两级叶轮,使前级叶轮内的漩涡消弱,而后级叶轮内的漩涡加大,引起各级叶轮阻力的不平衡,造成各级叶轮所受阻力产生脉动变化使叶轮产生振动。

叶轮的周期性振动如果得不到消弱,其振幅和频率会不断加强,当压缩机的振动频率发展到与所接管网系统的固有振动频率相同时,就会产生周期性系统共振,造成整个压缩机系统的喘振。

 

反喘振控制

虽然压缩机产生喘振的原因很复杂,但触发喘振的最根本因素是进入压缩机的气体流量过低,引发气体的流速衰减,在压缩机叶轮间发生边界层分离现象,产生回旋气体漩涡冲击叶轮,造成叶轮产生周期性的震颤从而导致整个压缩机系统产生喘振。

要想避免压缩机发生喘振,首先要保证压缩机的进口流量始终大于触发喘振的最低流量。为保证压缩机的安全运行,普遍采用在压缩机喘振发生流量之前设置一块缓冲保护区——循环区。当压缩机运行曲线进入这个保护区时,反喘振系统开始动作,保证压缩机进口流量始终大于喘振时的进口流量。

工程实施

工程中对于压缩机的反喘振采用压缩机出口流量回流的方式,来保证压缩机入口流量的安全值。压缩机进口安装流量表进行检测,在压缩机出口管线上安装回流调节阀实现压缩机出口气体回流,通过专用的反喘振控制曲线来实现压缩机反喘振运行。现简单介绍一下各部分的具体实施方案。

厂里使用的延迟焦化富气压缩机是两级压缩模式,压缩机一级入口前方设有富气缓冲罐分液罐,用来提高富气容量保证压缩机入口流量的稳定;一级出口管线上安装有冷凝器和缓冲分离罐,用来冷却一级出口的压缩富气,同时加大二级入口富气的容积,保证二级入口流量的稳定。一级二级反喘振线都是从压缩机二级出口的管线上引出,一级反喘振通过反喘振调节阀返回到一级入口富气缓冲分液罐里;二级反喘振线通过反喘振控制阀返回到一级出口冷凝器处,与一级出口压缩气一同冷凝后进入二级入口缓冲分液罐中,来提高二级入口的富气流量。

富气压缩机的控制工艺流程图如下所示


压缩机进口流量检测普遍选用文丘里管节流件+差压变的流量测量模式。为防止压缩机所进气体的工况压力、温度变化造成工况流量的变动,压缩机进口流量使用了带有温度、压力补偿措施的标方流量模式,在压缩机进口管线上安装了温度、压力变送器,通过控制系统组态软件实现标方流量的转换。

反喘振控制阀,压缩机出口管线上引出支线安装反喘振回流调节阀,为保证压缩机反喘振系统的安全及时性,调节阀使用了调节切断模式,阀门上安装带有阀位反馈的阀门定位器、快速切断电磁阀和阀门全开全关位置反馈器。

现场安装的富气压缩机反喘振调节阀如图 

反喘振控制曲线:不同的离心式压缩机进入喘振状态的参数是不同的,因此反喘振系统中的最低进口流量需要实验进行测定,所以每一台离心式压缩机出厂时都随机带有防喘振控制系统参数曲线控制软件。软件中已经设定好反喘振系统的喘振线和反喘振控制线,反喘振曲线把压缩机运行操作界面划分为三个区域:从左到右分别为喘振区、循环区、安全区。

1、压缩机正常运行于安全区内,运行点离反喘振控制线越远越好。

2、压缩机入口流量低于安全流量时压缩机运行曲线进入反喘振控制线和喘振线之间的循环区,此时反喘振控制阀开启,通过压缩气回流方式加大压缩机入口流量,使压缩机的运行状态摆脱循环区进入安全区。

3、压缩机的反喘振阀全开后仍然无法保证压缩机的进口流量远离喘振区,随着进口流量的恶化,压缩机就会跨过喘振线进入喘振区,此时压缩机发生喘振的几率变大,一些轻微的因素就可能触发压缩机发生喘振。

富气压缩机反喘振控制图如下所示


开车投用注意事项

生产装置正常运行期间,各种工艺介质处于稳定的运行状态,富气压缩机的前后工艺也处于稳定的平衡过程中,其进口富气的组分、密度、温度、压力、流量都处于设计中的正常使用状况,压缩机运行于远离反喘振控制线的安全区内,反喘振控制系统处于旁路监视过程。若生产装置发生一些轻微的波动,引发压缩机入口富气流量变低,使压缩机进入循环区,反喘振控制自动运行开启反喘振控制阀,回流压缩富气加大压缩机入口流量使压缩机摆脱循环区回到安全区。所以生产正常进行的富气压缩机在安全区内运行,即是进入循环区也能自动回归到安全区,不会发生压缩机喘振故障。

装置开车投用过程是压缩机最不稳定的危险运行状态,压缩机从旁路切入工艺生产中要经历加载、提速、防喘振循环区、一二级负载平衡、脱离循环进入安全区等过程。每一个过程都是一个非常不稳定的负载平衡过程,控制不好就会使压缩机进入喘振区触发喘振,若短时间无法摆脱就有可引发喘振放大超调,损坏压缩机甚至引发安全事故。

一个多月前厂里的一套延迟焦化装置试生产开车过程中,因为压缩机切入生产运行的过程控制不好,造成富气压缩机发生喘振。压缩机一级喘振次数达9次,二级喘振次数达11次,由于喘振趋势无法得到消弱,触发整个压缩机系统管网大幅度周期性震荡,最后只能停机重开。本人作为仪表开车夜间保运人员,在现场全程见证富气压缩机喘振从弱到强,从一级出口冷凝器触发喘振到系统大幅度周期喘振的全过程,真实经历压缩机喘振感触很深,对压缩机防喘振的重要性有了更深的认识。

针对这次压缩机喘振事故,本人事后总结了几点教训:

1、 严格按照压缩机开车规程进行操作。任何装置设备的开工及运行都有严格的流程和规章制度,这些规定都是经过了无数次的实践检验,是保证设备安全开车的法宝。任何抛弃规章制度的做法都带有极大地危险性,必须严厉禁止。此次压缩机开车出现严重的喘振经过就是因为没有按照开车规范进行操作。

2、 压缩机并入生产工艺的过程要缓慢,对于牵扯到压缩机工作点状态的调整更要慎重,反喘振调节阀的开度应该按照不超过2%的幅度进行微调,每一次调整后观察压缩机运行点工作的区域,如果运行点有进入喘振区的趋势要及时的进行回调操作。此次开车压缩机投入过程太过冒进,一二级反喘振调节阀开度的变化幅度超过40%以上,使压缩机的运行曲线出现大幅度的跳变,触发压缩机进入喘振状态。

3、 压缩机反喘振过程的调整也要缓慢,一旦压缩机在并入过程中出现局部喘振,在消除喘振过程中要缓慢,防止大幅度的调整造成压缩机的负荷的突变,顾此失彼触发新的喘振。此次压缩机喘振的加剧就是因为回调过程不当,在消除二级喘振的过程中触发一级喘振,使喘振进入放大区间,反喘振控制失去作用,导致整个压缩机系统发生较大的系统喘振。

4、 压缩机如果进入无法消除的系统喘振,此时喘振进入放大加强状态,反喘振系统失去消弱喘振作用。此时应果断切出富气压缩机,减少压缩机因喘振造成的损伤,同时保证压缩机管网系统的安全,避免安全事故的发生。此次压缩机发生多次喘振,虽然喘振幅度较小,压缩机的轴振动、位移都在允许的范围之内,但三四个小时的喘振中对于压缩机的转子、轴承、密封都是一种损伤,缩短了压缩机的使用寿命。


总结

离心式压缩机虽然设置有自动的反喘振控制系统,正常运行中不用使用人员进行手动操作,但在完美的系统也有缺陷,在可靠的控制也会失灵,所以要想保证离心式压缩机能够安全可靠地平稳运行,操作使用人员要熟知压缩机反喘振控制原理,掌握压缩机反喘振的操作技能,在压缩机喘振发生时能够做出正确的应急处理措施,保证压缩机设备的安全,避免安全事故的发生。


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