0 前言    

中國石油塔里木石化分公司年產(chǎn)45×10⁴t合成氨，80×10⁴t尿素項(xiàng)目。合成氨工藝空氣壓縮機(jī)選用德國AtlasCopco該公司生產(chǎn)的多軸離心式空氣壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備是杭州汽車生產(chǎn)的中壓注汽冷凝汽輪機(jī)。該項(xiàng)目于2010年5月投入正常生產(chǎn)。2011年12月28日，在設(shè)備駕駛過程中，多軸離心式空氣壓縮機(jī)的喘振排氣閥突然完全打開三次，切斷了第二個(gè)爐的空氣，導(dǎo)致除一個(gè)爐和脫碳裝置以外的所有其他設(shè)備停止。為此，中國石油塔里木石化分公司成立了調(diào)查小組，調(diào)查分析事故，發(fā)現(xiàn)其影響因素，提出解決方案。

1 多軸離心空氣壓縮機(jī)簡介

1.1 工藝描述

中國石油塔里木石化分公司多軸離心式空氣壓縮機(jī)由中壓注汽冷凝汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，用于化肥合成氨裝置，為二級爐提供燃燒轉(zhuǎn)換空氣。壓縮機(jī)配有增速齒輪箱，中間齒輪箱安裝在增速齒輪箱和汽輪機(jī)之間，以降低壓縮機(jī)齒輪箱的輸入速度。壓縮機(jī)分為兩部分，一部分由四級壓縮組成，另一部分由兩級壓縮組成。水冷卻器分別安裝在各級出口的一部分。正常運(yùn)行時(shí)，空氣通過過過濾器壓縮至1.42MPa（a），然后冷卻到34.5°C，一部分空氣作為儀表空氣和尿素防腐空氣抽出，另一部分進(jìn)入壓縮機(jī)二段，壓縮至3.82MPa（a），進(jìn)入二段爐。壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測見圖1。

圖1

1.2 壓縮機(jī)控制描述

在運(yùn)行過程中，壓縮機(jī)一、二段入口導(dǎo)葉（IGV）用于控制壓縮機(jī)的流量和壓力。例如，當(dāng)壓縮機(jī)的流量和出口壓力增加時(shí)，應(yīng)增加導(dǎo)葉開度，否則應(yīng)減少。如果葉輪內(nèi)的流量停滯和喘振，會(huì)對壓縮機(jī)的機(jī)械部件造成很大的應(yīng)力，因此壓縮機(jī)的實(shí)際流量必須大于最小體積流量。在運(yùn)行過程中，壓縮機(jī)進(jìn)入最小流量前，在分散控制系統(tǒng)中，自動(dòng)打開喘振排氣閥。（DCS）防裝防哮喘振動(dòng)控制系統(tǒng)，控制防哮喘振動(dòng)排氣閥的啟閉，避免壓縮機(jī)哮喘振動(dòng)。

為了保證壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，多軸壓縮機(jī)配備了一、二段防哮喘振動(dòng)排氣閥，由哮喘振動(dòng)控制器自動(dòng)控制防哮喘振動(dòng)排氣閥。穩(wěn)定和不穩(wěn)定運(yùn)行的邊界被稱為哮喘振動(dòng)線，這取決于溫度、壓力等多種因素。哮喘振動(dòng)線有一定的安全余量該安全線稱為排氣線，與哮喘振動(dòng)線平行。其安全余量為設(shè)計(jì)流量的8%，以確保壓縮機(jī)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。見圖2。

圖2 壓縮機(jī)喘振控制線

防哮喘振動(dòng)排氣閥和入口導(dǎo)葉控制壓縮機(jī)流量。壓縮機(jī)額定流量的30%由導(dǎo)葉調(diào)節(jié)控制，即壓縮機(jī)額定流量可通過導(dǎo)葉調(diào)節(jié)從100%減少到70%。如果流量需要進(jìn)一步減少，則只能通過調(diào)整喘振動(dòng)排氣閥的開度來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)壓縮機(jī)流量>70%時(shí)，喘振動(dòng)排氣閥將自動(dòng)完全關(guān)閉。當(dāng)喘振動(dòng)排氣閥關(guān)閉時(shí)，導(dǎo)葉將從最小操作位置開始。

壓縮機(jī)第二段額定流量的38%由第二段葉片調(diào)節(jié)控制，即額定流量可通過葉片調(diào)節(jié)從100%減少到62%。如果需要進(jìn)一步減少流量，只能通過調(diào)整第二段葉片放空閥的開度來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)壓縮機(jī)流量>62%時(shí)，葉片放空閥將自動(dòng)完全關(guān)閉。當(dāng)?shù)诙稳~片放空閥關(guān)閉時(shí)，第二段葉片將從最小操作位置開始打開。

壓縮機(jī)的流量是通過導(dǎo)葉調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，即一級導(dǎo)葉控制壓縮機(jī)一段流量，五級導(dǎo)葉控制壓縮機(jī)二段流量。

實(shí)際運(yùn)行中，為防止壓縮機(jī)喘振，同時(shí)在極端條件下能迅速全開喘振放空閥，壓縮機(jī)喘振控制器要求設(shè)置在自動(dòng)模式，根據(jù)AtlasCopco根據(jù)公司提供的壓縮機(jī)使用手冊，喘振流量設(shè)定值為3450m³/h，二級喘振流量設(shè)定值為175m3/h，當(dāng)壓縮機(jī)流量大于哮喘流量設(shè)定值時(shí)，哮喘放空閥自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)小于哮喘流量設(shè)定值時(shí)，哮喘放空閥自動(dòng)打開。

對于壓縮機(jī)一、二段出口壓力，設(shè)置安全控制器，避免壓縮機(jī)一、二段出口壓力大于最大允許值，采用可編程邏輯控制器（PLC）控制，運(yùn)行時(shí)應(yīng)設(shè)置為自動(dòng)模式。在極端操作條件下，當(dāng)出口壓力>1時(shí).5MPa或兩段出口壓力>4.2MPa一、二段喘振放空閥會(huì)瞬間全開，反之亦然。

當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升到最小轉(zhuǎn)速時(shí)，5743r/m當(dāng)時(shí)，壓縮機(jī)可以在全自動(dòng)模式下加載，并逐步增加操作圖上一、二段出口壓力的設(shè)定值。此時(shí)，喘振排氣閥將首先逐漸關(guān)閉。全關(guān)閉后，進(jìn)口導(dǎo)葉將逐漸打開并完成加載。當(dāng)需要卸載時(shí)，降低一、二段出口壓力的設(shè)定值，然后導(dǎo)葉開始逐漸關(guān)閉。當(dāng)完全關(guān)閉時(shí)，喘振排氣閥開始逐漸打開并卸載。

當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為5743時(shí)r/m當(dāng)電磁閥失電時(shí)，一、二段喘振放空閥瞬間全開，導(dǎo)葉瞬間全關(guān)。

2喘振排氣閥的突然全開因素及對策

通過以上分析，有兩個(gè)因素導(dǎo)致壓縮機(jī)第一段和第二段喘振排氣閥瞬間完全打開：一段出口壓力>1.5MPa或兩段出口壓力>4.2MPa；5743汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速r/m。

在合成氨裝置的駕駛過程中，2011年12月28日，多軸離心空氣壓縮機(jī)一天內(nèi)突然打開三個(gè)喘振排氣閥，兩個(gè)爐切斷空氣，導(dǎo)致除一個(gè)爐和脫碳裝置以外的所有其他設(shè)備停止。

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2.1 原因分析

2.1.1 第一次喘振空氣排放閥

2011年12月28日凌晨01∶04∶36合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)TK431抽氣時(shí)，多軸離心式空氣壓縮機(jī)一、二段喘振排氣閥突然打開，造成機(jī)組甩負(fù)荷，其運(yùn)行狀態(tài)見圖3。

圖3

從圖3可以看出，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速下降到5667時(shí).6r/m轉(zhuǎn)速已達(dá)5743r/m，壓縮機(jī)哮喘放空閥突然打開，哮喘放空閥打開，由于壓縮機(jī)突然負(fù)荷，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升，1m最高轉(zhuǎn)速為633r/m，但沒有上升到汽輪機(jī)電子跳閘速度6645r/m，所以汽輪機(jī)沒有跳。

調(diào)整中壓蒸汽管網(wǎng)的壓力、溫度和多軸離心空氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的狀態(tài)趨勢后，發(fā)現(xiàn)01∶05∶27中壓蒸汽管網(wǎng)蒸汽溫度為392℃下降至258℃，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速下降到5609r/m，見圖4。由于圖3和圖4在不同計(jì)算機(jī)屏幕上截取的圖片，存在一定的時(shí)間誤差。

圖4 中壓蒸汽壓力、溫度及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速

合成合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)TK431抽汽的溫度記錄發(fā)現(xiàn)，01∶05∶20合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)TK431在抽汽系統(tǒng)中，抽汽線中的蒸汽溫度為126.5℃，泵送后的溫度為258.96℃，見圖5。操作人員發(fā)現(xiàn)，泵送后，溫度逐漸下降，難以控制，從而推斷出減溫水閥TV7046有內(nèi)漏，會(huì)增加暖管的難度。

圖5 TK431汽輪機(jī)抽汽溫度狀況

合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)TK431在泵送前，由于操作人員沒有很好地加熱泵送管道，加上減溫閥泄漏，增加了加熱管道的難度泵送管道中的大量冷凝水立即進(jìn)入中壓蒸汽管網(wǎng)，使管網(wǎng)中的蒸汽溫度迅速降至258℃，蒸汽溫度的下降導(dǎo)致多軸離心空氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)從5860轉(zhuǎn)速r/m迅速下降到5743r/m下面，壓縮機(jī)一、二段喘振排氣閥突然打開。

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2.1.第二次哮喘放空閥全開

壓縮機(jī)第一次喘振排氣閥完全打開后，兩段爐關(guān)閉空氣，然后系統(tǒng)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致合成氣壓縮機(jī)跳躍。此時(shí)，多軸離心式空氣壓縮機(jī)處于空載狀態(tài)∶40∶20多軸離心式空氣壓縮機(jī)加壓提升負(fù)荷∶1∶壓縮機(jī)一、二段喘振排氣閥突然打開，其運(yùn)行狀態(tài)見圖6。

從圖6可以看出，當(dāng)壓縮機(jī)提升負(fù)荷時(shí)，操作人員逐漸關(guān)閉一兩個(gè)喘振排氣閥，一個(gè)出口壓力迅速上升。為此，操作人員立即打開喘振排氣閥，但仍未抑制壓縮機(jī)出口壓力的上升，01∶41∶出口壓力145.555MPa，其壓力已＞1.5MPa，達(dá)到了壓縮機(jī)喘振放空閥突然打開的條件，喘振放空閥打開，因壓縮機(jī)突然甩負(fù)荷，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速急速上升，01∶42∶01其轉(zhuǎn)速達(dá)到6641r/m，汽輪機(jī)電子跳閘停車。

圖6 壓縮機(jī)運(yùn)行狀況

多軸離心空氣壓縮機(jī)出口閥FV2011年開啟、壓縮機(jī)出口流量和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢后，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)首次打開多軸離心式空氣壓縮機(jī)喘振排氣閥后甩出負(fù)荷FV2011年立即關(guān)閉，閥門一直關(guān)閉，見圖7。同時(shí)，調(diào)出壓縮機(jī)出口副線閥的開度趨勢后，發(fā)現(xiàn)閥門一直關(guān)閉。

圖7 出口閥FV2011年啟動(dòng)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速

從以上分析可以看出，當(dāng)多軸離心式空氣壓縮機(jī)加載壓力時(shí)，其出口閥FV2011年，副線伐關(guān)閉，壓縮機(jī)出口壓力迅速上升，操作人員立即打開喘振排氣閥，但壓力繼續(xù)上升至1.5MPa上述情況導(dǎo)致壓縮機(jī)一、二段喘振排氣閥突然打開，然后汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速迅速達(dá)到電子跳閘轉(zhuǎn)速并跳車。

2.1.3 第三次喘振排空閥全開

2011年12月28日20∶18∶12合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)TK431抽氣時(shí)，多軸離心式空氣壓縮機(jī)一、二段喘振排氣閥再次突然打開，造成機(jī)組甩負(fù)荷。

通過調(diào)查分析，原因與第一次喘振排氣閥完全打開相同，由于合成氣壓縮機(jī)蒸汽輪機(jī)加熱管不足，冷凝液立即進(jìn)入中壓蒸汽管網(wǎng)，使管網(wǎng)蒸汽溫度大大降低，導(dǎo)致多軸離心空氣壓縮機(jī)蒸汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速降至5743r/m下面，哮喘放空閥突然打開。

2.2 解決措施

為防止此類事故再次發(fā)生，制定以下操作規(guī)定：

a）合成氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)泵送前，操作人員應(yīng)充分加熱管道，打開導(dǎo)淋，將冷凝液清洗干凈，溫度>280℃后4-5，方可投汽。

b）為降低暖管難度，對減溫水閥TV維修7046，避免內(nèi)漏。

c）壓縮機(jī)提負(fù)荷時(shí)，應(yīng)充分溝通和聯(lián)系壓縮機(jī)崗位和轉(zhuǎn)換崗位，嚴(yán)格防止壓縮機(jī)出口閥FV2011年或副線閥未及時(shí)打開，導(dǎo)致壓縮機(jī)壓縮。

上述措施的實(shí)施有效防止了壓縮機(jī)喘振閥突然全開的嚴(yán)重后果，保證了設(shè)備的長期運(yùn)行。

3 結(jié)論

深入調(diào)查分析多軸離心空氣壓縮機(jī)一天三次突然打開的事故，找出事故原因，采取相應(yīng)的解決方案：防止合成空氣壓縮機(jī)蒸汽溫度低，影響多軸離心空氣壓縮機(jī)蒸汽速度，打開喘氣排氣閥，檢查減溫水閥運(yùn)行狀態(tài)，防止多軸離心空氣壓縮機(jī)出口過高，壓縮機(jī)崗位與轉(zhuǎn)換崗位密切配合，及時(shí)打開壓縮機(jī)出口閥FV2011或副線閥，避免此類問題再次發(fā)生。