張錫德 邵仕銘 張中亞 戴廣來/塔里木石化分公司

倪雨晨/中船重工705所海源測控技術(shù)有限公司

0 引言

降壓啟動技術(shù)是在壓縮機(jī)增壓泵損壞的情況下，為防止干氣密封被工藝介質(zhì)污染而使用的一項操作技術(shù)。塔里木化肥是年產(chǎn)45 萬噸合成氨、80 萬噸尿素項目，在裝置5 臺大機(jī)組中，空氣壓縮機(jī)采用浮動碳環(huán)密封，二氧化碳壓縮機(jī)使用傳統(tǒng)的迷宮式抽充氣密封，而原料氣壓縮機(jī)、合成氣壓縮機(jī)及氨壓縮機(jī)采用干氣密封，對于合成氣壓縮機(jī)及氨壓縮機(jī)的干氣密封，配備了專門的密封增壓系統(tǒng)，為保護(hù)原料氣壓縮機(jī)干氣密封以及快速啟動壓縮機(jī)，從現(xiàn)有的增壓系統(tǒng)為其配備了密封增壓線。2011 年3 月因增壓系統(tǒng)6臺增壓泵全部損壞，大機(jī)組在啟動時被迫采用降壓啟動技術(shù)，在使用的過程中，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)存在安全風(fēng)險，如2012 年8 月8 日啟動氨壓縮機(jī)時因采用該技術(shù)，造成了壓縮機(jī)缸體溫度高，轉(zhuǎn)子被燒損的嚴(yán)重事故，對該技術(shù)進(jìn)行分析，找出風(fēng)險因素，并采取相應(yīng)措施。

1 干氣密封系統(tǒng)介紹

塔里木大化肥大機(jī)組均采用串聯(lián)式兩級干氣密封結(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)由干氣密封本體、一級密封氣系統(tǒng)、二級密封氣系統(tǒng)、隔離氣系統(tǒng)和放空氣控制系統(tǒng)以及干氣密封增壓單元組成[1-2]。

1.1 干氣密封一級密封氣系統(tǒng)流程

1.1.1 正常運行時一級密封流程

正常運行時,一級密封氣采用壓縮機(jī)出口工藝氣，來自壓縮機(jī)出口的密封氣經(jīng)過過濾器（精度為2μm）過濾掉顆粒后，分兩路到軸封的兩端，通過調(diào)節(jié)閥，以缸內(nèi)壓力為參照，進(jìn)行壓差調(diào)節(jié)，然后通過流量計，進(jìn)入壓縮機(jī)兩側(cè)軸端的一級密封腔，進(jìn)入密封腔的密封氣大部分通過壓縮機(jī)梳齒密封進(jìn)入壓縮機(jī)腔內(nèi)，而極少部分的密封氣通過一級動靜密封環(huán)端面進(jìn)入一級密封放空管網(wǎng)系統(tǒng)，到火炬燃燒，流程圖見圖1。

圖1 干氣密封流程圖

1.1.2 啟機(jī)過程中一級密封流程

壓縮機(jī)啟動前，氮氣閥被打開見圖2，氮氣壓力為0.6MPa（G），溫度為25℃，通過過濾器、調(diào)壓閥、流量計進(jìn)入干氣密封一級密封腔，其中大部分氣體進(jìn)入壓縮機(jī)工作腔內(nèi)。一級密封后，用氮氣和工藝氣分別對缸體進(jìn)行置換，使缸體內(nèi)壓力保持在0.3MPa（G）以下，打開驅(qū)動增壓泵的空氣動力閥門，驅(qū)動風(fēng)壓為0.4MPa（G），啟動增壓泵，來自壓縮機(jī)出口的密封氣進(jìn)入增壓泵見圖3，建立起一級密封氣后，對壓縮機(jī)缸體進(jìn)行均壓，然后啟動壓縮機(jī)，當(dāng)提速到最低工作轉(zhuǎn)速8 333 r/min后，停增壓泵，將壓縮機(jī)出口工藝氣切入到一級密封氣流程中[3]。

圖2 干氣密封增壓泵流程圖

1.2 造成干氣密封損壞的因素

塔里木大化肥大機(jī)組干氣密封均采用由約翰克蘭生產(chǎn)的、帶中間迷宮、串聯(lián)式兩級結(jié)構(gòu)，其螺旋槽為雙向燕尾形槽，工作時干氣密封動、靜環(huán)工作間隙保持在2～5μm范圍內(nèi)[8-9]。

油怕水及微小顆粒物體帶入干氣密封中，造成密封損壞。當(dāng)液體進(jìn)入動、靜環(huán)密封間隙后，因液體表面張力的作用，使動、靜環(huán)密封面粘貼在一起。壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)時，螺旋槽內(nèi)閉合力大于氣體產(chǎn)生的開啟力，開啟力不能將密封面分開，而形成氣膜,使其接觸、摩擦，造成密封面磨損,而顆粒進(jìn)入也會造成密封面劃痕性磨損，從而使干氣密封失效[4-5]。

為防止壓縮機(jī)缸體內(nèi)工藝氣污染一級密封動、靜環(huán)端面，使密封環(huán)端面損壞，工藝氣在進(jìn)入壓縮機(jī)腔體前,必須先投經(jīng)過濾的一級密封氣，同時壓縮機(jī)缸內(nèi)氣體壓力要小于一級密封氣體壓力，為防止干氣密封受潤滑油的污染，先投隔離氣，8分鐘以后才能開啟壓縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)，同樣隔離氣在潤滑油系統(tǒng)停運8 分鐘后方可切斷[6-7]。

2 增壓泵損壞后壓縮機(jī)啟動方式

化肥大機(jī)組經(jīng)安裝、試車后投入化肥正常生產(chǎn)，運行半年，壓縮機(jī)高、低壓缸增壓泵相繼發(fā)生了故障，18 個月，6 臺增壓泵全部損壞，因損壞元件需從美國Haskel原廠進(jìn)貨，所以其修復(fù)時間很長。期間，壓縮機(jī)啟動時，因增壓單元故障無法投用，為避免干氣密封在開車時被缸體內(nèi)工藝氣體污染，造成密封環(huán)損壞，須采用壓縮機(jī)降壓啟動技術(shù)。

3 運用降壓啟動技術(shù)存在的風(fēng)險

3.1 降壓啟動技術(shù)原理

在壓縮機(jī)啟機(jī)時，采用降壓啟動技術(shù)，其目的是避免干氣密封被機(jī)缸體內(nèi)工藝氣體污染而損壞。根據(jù)以上描述知，為防止壓縮機(jī)缸內(nèi)工藝介質(zhì)污染干氣密封環(huán)，就必須保證一級密封氣壓力大于壓縮機(jī)缸內(nèi)工藝氣體壓力，在使用增壓泵期間，壓縮機(jī)出口工藝氣作為增壓泵進(jìn)口氣，經(jīng)增壓泵提壓后，其出口壓力增大了0.2MPa，增壓后的氣體被送到干氣密封，作為一級密封氣，這就確保了一級密封氣壓力始終大于壓縮機(jī)缸內(nèi)工藝氣壓力，這樣在壓縮機(jī)開啟前，壓縮機(jī)進(jìn)口主閥就可以全開，使進(jìn)口管網(wǎng)壓力與壓縮機(jī)缸體內(nèi)壓力一致。

因增壓泵全部損壞，所以干氣密封只能使用0.6MPa氮氣作為一級密封氣進(jìn)行密封，由于合成氣壓縮機(jī)、原料氣壓縮機(jī)及氨壓縮機(jī)其進(jìn)口壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于密封氮氣壓力，如合成氣壓縮機(jī)進(jìn)口氣壓力為3.27MPa，這就要求在壓縮機(jī)進(jìn)行啟動時采用降壓啟動技術(shù)[10]，降壓啟動技術(shù)要點如下：

1)為防止缸內(nèi)壓力超過一級密封氮氣壓力，需使用壓縮機(jī)進(jìn)口旁路閥對缸體進(jìn)行充壓，保持缸內(nèi)壓力在0.2～0.4MPa 之內(nèi)，必要時使壓縮機(jī)管路放空閥打開，而不能采用打開進(jìn)口主閥的方式對壓縮機(jī)充壓。

2）壓縮機(jī)啟動后，隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速提升，壓縮機(jī)出口氣體壓力在不斷上升，其出口與進(jìn)口氣壓差在逐漸增大，當(dāng)壓縮機(jī)出口壓力大于一級密封氮氣時，出口氣就頂開單向閥對一級密封進(jìn)行供氣，這時缸體出口氣就替代了密封氮氣。

3）根據(jù)經(jīng)驗，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000r/min時，壓縮機(jī)出口和進(jìn)口之間工藝氣壓力就產(chǎn)生了0.2MPa 以上壓差，這時，壓縮機(jī)進(jìn)口大閥就可緩慢打開，然后關(guān)閉旁路閥。

3.2 降壓啟動技術(shù)存在的風(fēng)險

3.2.1 氨壓縮機(jī)缸體高溫事故介紹

在化肥裝置進(jìn)行年度停工大檢修工作，啟動氨壓縮機(jī)，4.5個小時后氨壓縮機(jī)一段進(jìn)口工藝氣管線保溫材料著火，在停機(jī)1.5 小時后對缸體表面進(jìn)行了測溫，發(fā)現(xiàn)缸體溫度在292℃以上，根據(jù)聚氨脂保冷材料的燃點一般在350℃左右，可推測著火時缸體內(nèi)的溫度在450℃以上，事故出現(xiàn)后，對壓縮機(jī)缸體進(jìn)行了解體，從外觀上看，葉輪受高溫作用，其表面已出現(xiàn)嚴(yán)重發(fā)藍(lán)現(xiàn)象；壓縮機(jī)內(nèi)部的O形圈、密封條已全部燒損、碳化；干氣密封上的O 形圈也已燒損；轉(zhuǎn)子上的第三、四級葉輪有輕微變形，同時轉(zhuǎn)子上的葉輪已移位，經(jīng)決定，對轉(zhuǎn)子、干氣密封、級間密封及缸體內(nèi)部的O形圈、密封條進(jìn)行了更換，使用備用部件。

3.2.2 降壓啟動技術(shù)存在的風(fēng)險分析

氨壓縮機(jī)用于化肥合成氨裝置冷凍系統(tǒng)，其作用是將氨冷器中蒸發(fā)的氣氨進(jìn)行壓縮，提高氣氨的冷凝溫度，為氨合成塔循環(huán)氣提供冷量，將循環(huán)氣中的氨冷凝下來，在氨壓縮機(jī)啟動的過程中，壓縮機(jī)喘振閥始終打開，汽化的液氨被壓縮打循環(huán)，其熱量由級間水冷器帶走。

事故出現(xiàn)后，將機(jī)組的運行參數(shù)及與機(jī)組有關(guān)的工藝參數(shù)從ITCC 及DCS 中調(diào)出進(jìn)行分析，并結(jié)合操作人員對事故經(jīng)過的描述，認(rèn)為壓縮機(jī)無循環(huán)流量引起了缸體溫度升高，排除了壓縮機(jī)喘振閥關(guān)閉引起無循環(huán)流量及壓縮機(jī)內(nèi)密封嚴(yán)重?fù)p壞引起無循環(huán)流量后，最終認(rèn)定壓縮機(jī)系統(tǒng)內(nèi)氣氨量不足造成了該事故的發(fā)生，其過程如下。

從上述描述知，壓縮機(jī)在啟動前應(yīng)先啟動增壓泵，增壓后的工藝氣作為干氣密封的一級密封氣，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)氨壓縮機(jī)啟動時，未使用增壓泵，而采用降壓啟動技術(shù)，其一級密封氣為0.6MPa氮氣，為防止壓縮機(jī)缸體內(nèi)的壓力超過氮氣壓力而污染密封，在開機(jī)過程中壓縮機(jī)出口副線閥一直處于全開狀態(tài)，壓縮機(jī)引氨時間為8月8日19點30分，由于壓縮機(jī)出口副線閥處于全開，來自壓縮機(jī)進(jìn)口氨冷器E506和E508的氣氨經(jīng)過副線閥被排放到火炬，氨冷器內(nèi)壓力逐漸下降，其液氨不斷被汽化，因汽化放熱，所以液氨溫度不斷降低，在汽輪機(jī)啟動前21 點30 分氨冷器E506的液氨溫度從3.2℃降低到-15.69℃，而氨冷器E508 的液氨溫度從3.4℃降低到-13.87℃，在汽輪機(jī)啟動后，從沖轉(zhuǎn)、暖機(jī)、提速到汽輪機(jī)最低工作轉(zhuǎn)速8 692r/min，其液氨溫度在繼續(xù)下降，23點02分氨冷器E506的液氨溫度降到了-18.34℃，其飽和蒸氣壓為0.182MPa，氨冷器E506 的液氨溫度降到了-21.61℃，其飽和蒸氣壓為0.174MPa，23點02分壓縮機(jī)出口副線閥開始關(guān)閉，此時汽輪機(jī)已到達(dá)最低工作轉(zhuǎn)速，隨著出口副線閥關(guān)閉，壓縮機(jī)一段進(jìn)口壓力很快提高到0.311MPa，二段進(jìn)口壓力提供到0.37MPa，因甲烷化氣不合格，合成氣壓縮機(jī)一直未開，氨冷器E506 和E508 沒有外來熱源，所以其液氨在該條件下根本無法汽化，從而導(dǎo)致壓縮機(jī)缸體內(nèi)氣量嚴(yán)重不足。盡管汽輪機(jī)從啟動到暖機(jī)結(jié)束時間持續(xù)了1.5小時，但因暖機(jī)轉(zhuǎn)速較低，在1 500r/min以下，壓縮機(jī)的機(jī)械摩擦損失較小，所以到暖機(jī)結(jié)束時壓縮機(jī)出口溫度僅有41.8℃，由于過臨界時汽輪機(jī)提速較快，持續(xù)時間較短，只有6～7分鐘，所以當(dāng)汽輪機(jī)到達(dá)最低工作轉(zhuǎn)速時其溫度也只有49.1℃，當(dāng)汽輪機(jī)提轉(zhuǎn)至最低工作轉(zhuǎn)速8 692r/min后，其機(jī)械摩擦損失增大，產(chǎn)生的熱量猛增，因壓縮機(jī)的氣量嚴(yán)重不足，其產(chǎn)生的熱量無法帶出，所以在12 點18 分導(dǎo)致壓縮機(jī)出口溫度達(dá)到200℃，其溫度指示為滿量程，在恒速8 692r/min運行近3小時后，即凌晨3點氨壓縮機(jī)缸體內(nèi)溫度達(dá)到450℃以上，一段進(jìn)口工藝氣管線保溫材料著火。

可見，氨壓縮機(jī)啟動時采用降壓啟動技術(shù)，迫使其出口副線閥全開，導(dǎo)致汽化的液氨排出，液氨的進(jìn)一步汽化造成氨冷器的液氨溫度極低，加之氨冷器一直沒有外來熱源，在出口副線閥關(guān)閉后，液氨不具備汽化條件，致使壓縮機(jī)在啟動過程中氣量嚴(yán)重不足，最終導(dǎo)致壓縮機(jī)缸體溫度持續(xù)升高，同時操作人員經(jīng)驗不足，對機(jī)組出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象，如壓縮機(jī)沒有循環(huán)流量；其二段出口溫度指示已滿量程；一級密封沒有流量等，未引起足夠重視，沒能及時停機(jī)，最終造成轉(zhuǎn)子等部件嚴(yán)重?zé)龘p。

由于其它大機(jī)組如合成氣壓縮機(jī)及原料氣壓縮機(jī)，其缸體壓縮原料不存在從液態(tài)轉(zhuǎn)換成氣態(tài)的過程，所以在啟動時，其缸內(nèi)壓力的下降不會引起壓縮循環(huán)流量的不足，而氨壓縮機(jī)的壓縮介質(zhì)是從液氨汽化而來，其缸內(nèi)壓力對汽化溫度及汽化量有較大影響，若采用降壓啟動技術(shù)，加之操作控制不當(dāng)，就會對氨壓縮機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，這一點已被上述例證所證明。

據(jù)以上分析得知，降壓啟動技術(shù)僅對氨壓縮機(jī)會造成風(fēng)險，而對我廠其它機(jī)組如使用干氣密封的合成氣壓縮機(jī)及原料氣壓縮機(jī)不會產(chǎn)生影響。

4 對策

對于氨壓縮機(jī)，在使用降壓啟動技術(shù)時，要遵守以下操作要點：

1）將低壓氮氣管網(wǎng)的壓力盡可能提高，一般可提高至0.7MPa，這樣就可以使缸體內(nèi)的壓力盡可能高；

2）打開氮氣閥，用氮氣對干氣密封的一級進(jìn)行密封；

3）根據(jù)一級密封氣的壓差，調(diào)整壓縮機(jī)出口副線閥的開閉，盡量使副線閥處于關(guān)閉狀態(tài)；

4）在啟動時，壓縮機(jī)一、二段進(jìn)口分離器前的大閥要打開；

5）一級密封氣管線上的閥門要處于全開狀態(tài)，在啟動過程中使密封氣自動完成切換；

6）氨冷器E506 和E508 的液位要嚴(yán)格按照工藝指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定；

7）根據(jù)經(jīng)驗，氨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升至3 000r/min之后，其出口和進(jìn)口之間就產(chǎn)生了0.1MPa 以上的壓差，缸體出口氣就會自動代替密封氮氣成為一級密封氣，若壓縮機(jī)出口副線閥處于打開狀態(tài)，此時要及時關(guān)閉；

8）在啟動過程中，要嚴(yán)密監(jiān)視壓縮機(jī)的循環(huán)流量以及其出口溫度；

9）及時啟動合成氣壓縮機(jī)，為氨冷器E506和E508及時提供熱源。

5 結(jié)語

壓縮機(jī)降壓啟動技術(shù)是在干氣密封的增壓泵損壞的情況下，為防止缸體內(nèi)的氣體壓力高于一級密封氣的壓力而污染干氣密封，所采取的一種不得已而為之的操作方法，通過對氨壓縮機(jī)在啟動過程中出現(xiàn)缸體溫度高而燒損轉(zhuǎn)子部件的事故分析，同時對其它機(jī)組，如合成氣壓縮機(jī)及原料氣壓縮機(jī)，使用降壓啟動技術(shù)后存在的風(fēng)險分析，可以得出，降壓啟動技術(shù)僅對氨壓縮機(jī)會造成安全風(fēng)險，而對我廠其它機(jī)組不會產(chǎn)生相同影響，通過對氨壓縮機(jī)事故的剖析，使人們對降壓啟動技術(shù)有了更深刻、更全面的認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上,提出了相應(yīng)的防止措施，以避免類似事故的再次發(fā)生。

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