楊金順

（中國平煤神馬集團開封東大化工有限公司，河南 開封 475003）

YANG Jin-shun

（China Pingdingshan Coal Shenma Group Kaifeng Dongda Chemical Co.，Ltd.，Kaifeng 475003，China）

由于透平式氯氣壓縮機（以下簡稱氯氣透平機）具有效率高，流量-壓力曲線平坦，輸送能力大，自動化程度高，對生產(chǎn)負荷適應(yīng)能力強等優(yōu)點，已在中國氯堿行業(yè)廣泛應(yīng)用。對于大型的透平式氯壓機，多采用德國KK＆K 公司及中航黎明集團錦化機公司的產(chǎn)品，而眾多小型的氯氣壓縮機，則由杭州陽光集團求是透平機公司和杭州振興公司提供，其中，求是透平機公司產(chǎn)品目前在線運行的有近三百臺/套，其單臺氯堿適應(yīng)能力覆蓋范圍已達3萬～15萬t/a，且新產(chǎn)品正在不斷地研發(fā)和投用。在眾多在線運行的氯氣透平機中，大多反映運行狀況良好，但也有個別企業(yè)、個別臺位、個別時段、個別型號的氯氣透平機故障較多，即使是某些運行狀況較好的氯氣透平機，也存在運行不十分理想，不夠經(jīng)濟，工況點過于靠近喘振臨界點或過于偏離設(shè)計工況，檢修周期偏短等情況。而在分析這些設(shè)備運行狀況時，用戶大多認為運行工況沒有問題，甚至認為是在優(yōu)于設(shè)計條件下運行的，在商討出現(xiàn)的問題時，常常出現(xiàn)難以理解，難以溝通，難以協(xié)調(diào)的情況，延誤了問題的解決。

1 透平式氯壓機的相對過載現(xiàn)象

為了便于解釋問題的原因，把大多運行參數(shù)正常，個別參數(shù)過于偏離設(shè)計工況點，甚至超出正常運行許可范圍的工況，稱之為“相對過載”。

1.1 壓縮比偏高

透平式氯壓機與容積式壓縮機一樣，也存在壓縮比問題，其數(shù)值等于透平機出口絕對壓力與進口絕對壓力之比。容積式壓縮機運行壓縮比過高，往往存在電機負載過高及設(shè)備強度安全問題，而透平式壓縮機根據(jù)其特性曲線，往往電機負載不高，甚至偏低，其設(shè)計留有余地較大，往往也不存在強度安全問題，其危害性往往表現(xiàn)為運行工況太過于臨近或達到喘振點，出現(xiàn)喘振前兆甚至是喘振。

關(guān)于喘振，文獻資料大多認為是隨著透平機流量的減小（個別文獻認為是隨著出口壓力升高而導(dǎo)致流量減?。橘|(zhì)會在葉輪表面出現(xiàn)分離現(xiàn)象，從而出現(xiàn)周期性的聲響及振動。設(shè)備使用說明書往往也標注出預(yù)計喘振流量。上述解釋雖正確但不直觀，在指導(dǎo)操作上意義不大，因為大多數(shù)裝置在機組出口處都未安裝流量計。如果把喘振解釋為由于機組壓縮比過高，使介質(zhì)在葉輪表面出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，與后系統(tǒng)的設(shè)備及管道形成共振系統(tǒng)，從而使得介質(zhì)通過葉輪流道周期性地輸出及回流，發(fā)出周期性聲響與振動，這樣的解釋則因透平機進、排氣口均裝有壓力計而對運行指導(dǎo)意義較大。

喘振對透平機組危害極大，它可使轉(zhuǎn)動部件乃至整機在短時間內(nèi)嚴重損壞，修復(fù)費用很高，且往往影響整個氯堿系統(tǒng)的運行，因而備受重視。

喘振前兆是因機組壓縮比偏高，但未達喘振點，其危害往往表現(xiàn)為軸振增加，聲音有所變化，軸承溫度升高，瓦塊磨損加快，檢修周期偏短等情況。經(jīng)過分析對兩級壓縮機組來說，后級情況甚于前級，此問題往往會因其特征及危害不夠明顯而被忽視。但也有例外，山東某企業(yè)在半年多時間里，（當然也不排除有其他原因影響），設(shè)備運行周期往往僅為3～5天，3臺透平機輪番維修，嚴重影響生產(chǎn)運行。最后，還是通過調(diào)低壓縮比才使設(shè)備轉(zhuǎn)入正常運行。

引起壓縮比偏高有以下原因。

（1）出口壓力過高。由于強調(diào)后續(xù)工序需要，比如考慮氯氣液化的節(jié)能而使透平機排氣壓力過高。

（2）進氣壓力過低。有的企業(yè)后續(xù)工序需求壓力不高，生產(chǎn)負荷偏低，為了節(jié)能，轉(zhuǎn)而調(diào)低進口壓力，從而使壓縮比偏高。多臺氯氣透平機并聯(lián)運行，而進氣閥門實際開度不一，導(dǎo)致個別機組的進氣壓力過低。

（3）氯氣純度偏低。氯氣中的雜質(zhì)組份多為空氣和少量氫氣，其密度要比氯氣低許多。氯堿系統(tǒng)在開車初期，氯氣純度往往偏低，透平機檢修后如置換不充分，進入機組的氯氣純度也會偏低。系統(tǒng)正常運行時的氯氣純度偏低，往往是因泵前負壓系統(tǒng)密封不良而漏入空氣造成的。氯氣純度較低時，由于介質(zhì)密度降低，透平機提升排氣壓力的能力就會降低，如仍按正常壓縮比運行，則會超出設(shè)備此工況下的實際能力。

（4）進氣溫度偏高。溫度偏高會引起進氣密度降低。大多企業(yè)因氯氣干燥需要，氯氣溫度控制較嚴，故透平機進氣溫度偏差不是很大。

（5）壓力測量位置不正確。有的企業(yè)將進氣壓力變送器裝在進氣閥之前，排氣壓力變送器裝在排氣閥之后，或遠離透平機出口，從而使測量數(shù)據(jù)與透平機運行工況嚴重不符。

（6）多套氯處理并聯(lián)共用1套后續(xù)系統(tǒng)。設(shè)計壓力低的氯氣透平機遷就設(shè)計壓力高的氯氣透平機。

進氣密度對氯氣透平機的影響，僅理解為對壓縮比的影響是不夠準確的。透平機是離心式輸送機械，其對介質(zhì)壓力的升高量（即透平機排氣與進氣壓力之差，暫稱作‘升壓'）與進氣介質(zhì)密度成正比，而壓縮比為進出口絕對壓力之比。在排氣壓力不太高的情況下，進氣密度對‘升壓'的影響要大于對壓縮比的影響。

1.2 機組軸功率偏高

機組軸功率偏高按理說是真正意義上的過載，但因透平機流量-壓力曲線平坦及電機安全需要，機組配用功率一般富裕較大。即使機組軸功率超過設(shè)計值，也因運行電流與電機額定電流相比仍有余地而被忽視。所以，仍把它視作相對過載。

軸功率偏高的危害首先是對電機電器安全運行不利，其次是浪費電能，再次是問題不易發(fā)現(xiàn)，使各運轉(zhuǎn)部件長期超負荷運行，加速其磨損而失效。

軸功率偏高可能由以下原因引起。

（1）多臺氯氣透平機并聯(lián)運行，由于進氣閥門實際開度不一，導(dǎo)致出現(xiàn)個別機組偏載。

（2）幾套氯堿及氯處理系統(tǒng)并聯(lián)運行共同為同一后續(xù)系統(tǒng)服務(wù)，而每套氯氣透平機系統(tǒng)設(shè)計條件不一，設(shè)計排氣壓力高的系統(tǒng)照顧設(shè)計壓力低的系統(tǒng)，使其在排氣壓力低于設(shè)計值下運行。

（3）設(shè)計的排氣壓力較生產(chǎn)運行壓力富裕過大。由于氯氣透平機流量—壓力曲線較平坦，排氣壓力稍降，流量就會明顯增加，軸功率隨之上升，如表1所示。

表1 某透平機性能數(shù)據(jù)

（4）強調(diào)電解電流升降的變化需要，即強調(diào)生產(chǎn)負荷的靈活性，要求透平機組的大回流有較大的流量，以利于生產(chǎn)負荷的調(diào)節(jié)。其實，大回流流量大些雖有利于生產(chǎn)調(diào)節(jié)，但氯氣加壓后再減壓回流是一種能源浪費，過大回流運行是不經(jīng)濟的。應(yīng)根據(jù)自身生產(chǎn)負荷變化規(guī)律，摸索出適宜的大回流自動閥門開度。

由于企業(yè)為了保證項目的成功，在生產(chǎn)裝置設(shè)計選型時，在價格一定情況下，總希望買能力大的設(shè)備；在試車及生產(chǎn)組織時，為了生產(chǎn)負荷調(diào)節(jié)的方便；在設(shè)備運行中，為了提高對生產(chǎn)的保障程度；在設(shè)備設(shè)計時，為了滿足用戶的要求等，使氯氣透平機的實際能力層層加碼，以至于遠大于生產(chǎn)需要。在實際使用中，看似有利于安全運行，其實，反而增加了運行時的軸功率，不利于設(shè)備的安全運行。建議在上述各環(huán)節(jié)中，企業(yè)或生產(chǎn)工藝設(shè)計者，要如實提供工況條件，在制造企業(yè)設(shè)計時，會適當考慮余量。在設(shè)備運行時，要保證在設(shè)計工況點附近運行。這樣，既能保證設(shè)備的正常運行，又能減少能源浪費。

1.3 每級壓縮運行參數(shù)不合理

每級壓縮運行參數(shù)不合理主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）級間冷卻不良。壓縮機在設(shè)計時，為了降低排氣溫度、控制每級合理的壓縮比及提高壓縮效率而節(jié)能，氣體在每級壓縮后要冷卻至近乎常溫再進入下一級壓縮。對于大多數(shù)用戶，更重視壓縮機進口與出口的運行數(shù)據(jù)，而忽視級間運行數(shù)據(jù)。如果級間冷卻不良，勢必造成前級排氣壓力升高后級則因進氣溫度升高而增加流量見圖1。引起機組軸功率升高。

圖1 排氣壓力升高及進氣流量增加情況

（2）前級壓縮比偏高。其原因一是其后冷卻不良使得該級排氣壓力升高；二是大量事實證明，對于二級壓縮的機組，前級的壓縮比受機組總壓縮比影響較小，其值是相對穩(wěn)定的，當機組總壓縮比偏低時，反而使前級壓縮比在總壓縮比中占的比例偏高；三是進氣壓力升高，而排氣壓力受后系統(tǒng)控制不能升高，使前級壓縮比在總壓縮比中占的比例偏高，見圖2。

圖2 前級進氣溫度與后級排氣壓力變化情況

（3）末級壓縮比偏低。由于前級及中間級壓縮比的相對穩(wěn)定性，當機組排氣壓力偏低時，后級壓縮比在總壓縮比中占的比例顯得偏低。

關(guān)于是否存在前級壓縮比偏低，后級壓縮比偏高的情況，因壓縮比偏高的危害已經(jīng)得到認同，容易引起重視，不再介紹。當機組排氣壓力偏高時，末級壓縮比會偏高，但對前面各級壓縮比影響相對較小。

1.4 機組壓縮比偏低

機組壓縮比偏高容易引起喘振，盡量避免，但卻容易產(chǎn)生另一種極端情況——機組壓縮比偏低。其危害主要表現(xiàn)在以下方面。

（1）壓縮比偏低往往是由于排氣壓力偏低所致，如前所述，它可能引起機組軸功率升高甚至過載。

（2）各級壓縮比分配不合理。表現(xiàn)為前級壓縮比相對偏高，末級壓縮比相對偏低。

（3）各級壓縮軸功率分配不合理。從分析看，容易產(chǎn)生前級分擔軸功率過多，末級分擔軸功率較少的情況。對于二級壓縮的透平機而言，出現(xiàn)這種情況后，前級葉輪可能因超負荷而發(fā)生抖動。故前級的問題要甚于后級，有的用戶的前級高速軸承及軸封頻繁損壞，經(jīng)分析，可能與此有關(guān)。如調(diào)取其歷史數(shù)據(jù)，可見，早期一切正常，一段時間后，軸振與軸承溫度同步上升，具有同步性、漸進性，直至損壞，具有明顯磨損破壞特征，見圖3。

（4）機組流量過大，大回流流量過大，導(dǎo)致能源浪費。

圖3 軸承溫度與軸振現(xiàn)象變化情況

（5）運轉(zhuǎn)部件磨損加劇，檢修周期變短。

（6）問題較隱蔽，不易發(fā)現(xiàn)故分析排除困難。

2 相對過載的運行調(diào)節(jié)

根據(jù)以上分析，出現(xiàn)相對過載時，運行調(diào)節(jié)非常簡單。

（1）壓縮比過高時，適當開大進氣閥門并適當降低排氣壓力即可。但當喘振發(fā)生或有明顯前兆時，可先適量打開小回流閥消除之，然后，再適量開大進口閥，關(guān)閉小回流閥。

（2）壓縮比過低時，可適當關(guān)小進氣閥門，使進氣壓力降低，從而提高壓縮比。在受生產(chǎn)負荷限制，不便將進口閥關(guān)得過小時，可配合適當關(guān)小排氣閥門，提高透平機排氣壓力，同樣可以升高壓縮比。此時，不必擔心電機電流，因提高排氣壓力時，軸功率是趨向變小的。

（3）級間冷卻不良時，可開大級間冷卻器供水閥門，或者降低供水溫度。

（4）加強生產(chǎn)調(diào)度，合理分配機組運行負荷，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各工序關(guān)系。

關(guān)于機組流量的調(diào)節(jié)，使用說明書給定三種方式：進口閥調(diào)節(jié)；出口閥調(diào)節(jié)；回流閥調(diào)節(jié)。有的文獻推薦的透平機流量調(diào)節(jié)還有旁路放空調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，前者顯然不適宜于氯氣系統(tǒng)，而后者主要用于蒸汽輪機驅(qū)動的情況。但其推薦的優(yōu)先選用進氣閥調(diào)節(jié)，仍值得采用，因其更安全，更方便，更經(jīng)濟，更合理。

3 結(jié)語

對于透平式氯壓機的過載問題，既要從廣義的角度分析問題，又要結(jié)合具體情況具體分析。不僅要關(guān)注機組的整體運行參數(shù)，還要關(guān)注機組內(nèi)部各級運行參數(shù)的關(guān)系。

從上述分析看，高于設(shè)計工況運行的屬于過載，而低于設(shè)計工況運行的，比如排氣壓力過低，則會轉(zhuǎn)化為另一種過載——流量過大，進而是軸功率過載。且會因加劇各級壓縮參數(shù)分配的不合理，導(dǎo)致某些局部易發(fā)生故障。