軸流式風機喘振逆流的控制及故障分析

李海濤，張登耀
（蘭州石化公司煉油廠，甘肅蘭州 730060）

軸流式風機發(fā)生喘振、逆流的機理、原因及危害，杜絕喘振和逆流工況發(fā)生的實施過程。通過實例分析120萬t/a重催裝置軸流式風機的TRICON ESD聯(lián)鎖控制系統(tǒng)聯(lián)鎖觸發(fā)后對機組的保護，和未觸發(fā)系統(tǒng)聯(lián)鎖的原因，并給出故障解決措施。

軸流風機；喘振；逆流；聯(lián)鎖保護

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.30

0 引言

120萬t/a重油催化裂化裝置主風機組由煙機—軸流風機—電機組成。驅動煙機型號YLII-10000H，軸流風機型號AV63-12，功率13 872 kW，流量180 000 m3/h，主軸轉速5711 r/min，設計吸入壓0.085 MPa，排出壓0.43 MPa，工作溫度20℃，工作介質為空氣，設計效率89%；配套電機型號QWG900Ka4，功率10 000 kW，額定電壓6000 V，額定電流1098 A。

正常生產(chǎn)工況下，主風機組向再生器底部輸送壓縮空氣，使再生器和反應器內(nèi)的催化劑處于流化循環(huán)狀態(tài)，以滿足催化裂化反再系統(tǒng)的流化及為燒焦提供輸送空氣，如主風機組停運，催化裂化反應也將被迫停止。因此，主風機組的運行狀況直接影響著整個催化裂化裝置的安全穩(wěn)定運行。喘振和逆流是諸多影響主風機組安全運行因素的一部分。

1 軸流式風機的喘振與逆流

1.1 喘振的成因及危害

喘振又稱飛動，是指軸流壓縮機運行過程中，因系統(tǒng)負荷降低而使壓縮機進口流量降低，當進口流量降到一定程度時，氣體排出量會出現(xiàn)強烈振蕩，使機身出現(xiàn)劇烈振蕩的現(xiàn)象。

在裝置的日常生產(chǎn)中,軸流式壓縮機總是與管網(wǎng)一起聯(lián)合工作。圖1為壓縮機和管網(wǎng)聯(lián)合工作性能曲線。圖中曲線Ⅰ是管網(wǎng)的阻力線，曲線ABC為壓縮機的特性線，P為管網(wǎng)壓力，Q為壓縮機進口流量。

圖1 壓縮機和管網(wǎng)聯(lián)合工作性能曲線

如圖1所示，機組正常工作時，機、網(wǎng)在兩曲線交點B工作。若管網(wǎng)阻力增加，則管網(wǎng)曲線左移，管網(wǎng)阻力線從位置Ⅰ移到Ⅱ，機、網(wǎng)系統(tǒng)工作點向上移動，壓縮機工況向小流量偏移。當流量減少到正常工作允許最小值時，壓縮機工作移到C點，此時壓縮機通道受阻堵塞，使氣流產(chǎn)生強烈脈動，壓縮機出口壓力突然下降。而管網(wǎng)中氣體壓力并未同時下降，由于管網(wǎng)阻力大于壓縮機出口壓力，氣體倒流到壓縮機，壓縮機工作點經(jīng)H從C跳到D點。由于管網(wǎng)一方面向外排氣，一方面向壓縮機倒流，因而壓力從C降到G點，壓縮機壓力也從D降到E點，此時壓力達到新的平衡，壓縮機又建立起正常輸氣條件，其工作點由E跳到F點，由F點突躍到原曲線ABC。此時壓縮機的流量大于管網(wǎng)排出量，于是壓縮機背壓上升，機、網(wǎng)的工作點又向C點靠近。到達C點后，倒流再次出現(xiàn)，如此周而復始，產(chǎn)生周期性氣流脈動，此現(xiàn)象被稱為喘振[1]。

由于喘振過程中，氣體在壓縮機及管網(wǎng)之間產(chǎn)生周期性氣流脈動，使機體和軸承振動幅度加大，給機組帶來很大危害，主要表現(xiàn)：①機體嚴重振動可能引起靜、動部件摩擦而損壞；②氣流脈動甚至共振，可能引起機組葉片斷裂；③氣體倒流，可能引起機體內(nèi)溫度急劇上升，導致葉片與內(nèi)缸損壞。

1.2 逆流的成因及危害

逆流現(xiàn)象是軸流風機最危險的工況，造成逆流的原因有：①工藝系統(tǒng)事故使系統(tǒng)壓力驟升，造成氣流向軸流風機倒流。②喘振狀態(tài)的進一步發(fā)展。軸流風機進入喘振工況，若不及時排除，由于工藝系統(tǒng)和管網(wǎng)的容量很大，就會產(chǎn)生持續(xù)逆流。同時由于出口壓力高，壓縮機氣體不能暢通輸出，則旋轉機械將其轉化為熱能使葉片膨脹，造成動葉與靜葉相碰而損壞軸流風機[2]。

2 軸流式風機防喘振與逆流的控制方法

（1）控制方法。防喘振控制系統(tǒng)主要是在壓縮機出口設置旁路放空閥，通過設定防喘振線對放空閥實施監(jiān)控，通過控制防喘振放空閥開度，改變壓縮機進口低流量狀態(tài)，使得工作點遠離壓縮機喘振曲線（圖2），以防止喘振發(fā)生。

圖2 喘振曲線簡圖

120萬 t/a重油催化主風機的防喘振控制是通過 TRICON ESD（Emergency Shut Down System）即緊急停車系統(tǒng)實現(xiàn)的，該系統(tǒng)主要完成以下控制功能：①機組的啟動、停止程序控制；②機組的停機連通器鎖保護程序控制；③機組的防喘振控制；④潤滑油、動力油等輔助系統(tǒng)的自動控制[3]。

（2）控制原理。機組防喘振控制系統(tǒng)原理如（圖3）所示。

圖3 軸流壓縮機防喘振控制系統(tǒng)原理

TRICON ESD提供專門的防喘振控制模塊，用戶在TriStation 1131系統(tǒng)軟件環(huán)境下的控制程序組態(tài)中可以利用和調用這些模塊，并將主風機進口壓力、溫度、流量和出口壓力、溫度等過程變量輸入到模塊中，在模塊中進行喘振線、喘振點和工作點的計算。防喘振控制的原理方程見式（1）。

式中ΔP0——主風機進口流量（進口喉部差壓）,MPa

K——計算常數(shù)

ΔPC0——主風機進、出口壓差,MPaT0——進口溫度,℃

b——設置反喘振安全裕度設定值f（a）——靜葉角度相對應函數(shù)

操作站中的軟件可以讀取這些數(shù)據(jù)，并做出喘振線和防喘振調節(jié)畫面，使操作人員可以直觀地監(jiān)控防喘振調節(jié)狀態(tài)。

（3）控制過程。在主風機的實際運行中，防喘振控制系統(tǒng)可以根據(jù)工作點的變化，自動調節(jié)防喘振閥的開度，使工作點遠離喘振線，當出現(xiàn)異常工況時，系統(tǒng)控制防喘振閥快速打開，避免主風機進入喘振狀態(tài)，實現(xiàn)防喘振目的。

ESD系統(tǒng)根據(jù)喘振的強弱、持續(xù)時間的長短進行綜合判斷處理對軸流風機實施防喘振和防逆流保護，大致可以分為3個階段：①靠防喘振控制系統(tǒng)的調節(jié)來消除喘振工況。②通過安全運行程序消除逆流工況（逆流時間＞4 s時）。③在迫不得已的工況下實施自動聯(lián)鎖停機程序（逆流時間＞10 s或20 s內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)多次逆流時）。

3 案例分析

3.1 主風機組安全運行故障

（1）故障現(xiàn)象。2011年7月27日，120萬t/年重催裝置主風機組進入安全運行和逆流保護狀態(tài)，主風機放空閥打開，主風單向阻尼閥關閉，煙機高溫蝶閥、高溫閘閥關閉，系統(tǒng)自動投入非自動運行。

（2）故障檢查。停機后檢查（SOE）記錄，發(fā)現(xiàn)主風機喉部壓差聯(lián)鎖開關發(fā)生動作，送出聯(lián)鎖接點信號，大約4 s之后機組進入安全運行模式，即在同一時間現(xiàn)場相應聯(lián)鎖自保閥同時發(fā)生自保動作。對照逆流保護邏輯程序段檢查，在喉部差壓開關（差壓值＜2 kPa）信號送出后若持續(xù)4 s未恢復正常，就會觸發(fā)相應的逆流保護程序，從而發(fā)生自保聯(lián)鎖閥輸出動作。

為確定現(xiàn)場實際喉部壓差信號是否發(fā)生低低聯(lián)鎖，進一步查看現(xiàn)場另一塊模擬量顯示表的歷史記錄,由上位歷史趨勢查到，喉部差壓模擬信號由正常值3.971 kPa直接降到0(逆流保護設定值為≤2 kPa），再查看相關的工藝參數(shù)，在同一時間這些工藝量都發(fā)生了變化，即主風出口壓力在3 s內(nèi)由306 kPa持續(xù)降低至82.6 kPa，主風入口壓力由73.6 kPa變至79 kPa；入口導葉控制閥閥位回訊由24.1%變至22.4%,1s之后由22.1%變至15.8%；在喉部差壓模擬信號為0持續(xù)4 s后，逆流保護程序啟動，防喘振閥閥位由12%全開至100%。參數(shù)歷史趨勢、SOE事件記錄及逆流保護程序與實際發(fā)生情況都符合，說明主風機確實發(fā)生了逆流保護。

（3）原因分析與處理措施。分析事件記錄及趨勢圖，確定發(fā)生了喉部差壓低的情況，造成這一狀況可能有3個原因：①2010年8月出現(xiàn)過由于引壓不暢造成機組安全運行。此后將此處檢修改造，將壓力開關和變送器信號分別輸出，但是這2個信號仍從同一測點采集數(shù)據(jù)，因此仍不能排除引壓不暢造成假信號的故障。②由于靜葉執(zhí)行機構自1996年投用以來，已存在老化現(xiàn)象，在30%以下開度線性不好，在30%以下開度限位不準確存在稍微跑位現(xiàn)象，也可造成喉部壓差低的現(xiàn)象。③由于靜葉執(zhí)行機構是風動調節(jié)，要求的氣源壓力為0.4 M～0.7 MPa，實際上靜葉執(zhí)行機構的供風壓力為0.35 MPa，執(zhí)行機構動力供應存在缺陷可能造成靜葉執(zhí)行機構存在偏差。

經(jīng)過近4 h的觀察，喉部差壓均≥5 kPa，并再無波動現(xiàn)象，系統(tǒng)投入自動運行，并采取2個措施:①儀表工放空喉部差壓并將測壓點徹底排空。②操作人員加強監(jiān)盤，將軸流風機入口靜葉開度控制在30%以上調整操作，小風量時利用防喘振閥控制主風流量。

3.2 主風機靜葉執(zhí)行機構跑位

（1）故障現(xiàn)象。2015年1月20日中午12時05分，主風機組靜葉控制閥在輸出操作無任何變化的情況下，閥位回訊逐漸變小，現(xiàn)場實際閥位發(fā)生跑位，靜葉控制閥不斷關小，從正常設定閥位35%關至24.7%，之后停止波動。隨后，操作人員不斷增加開度設定值，最終于12時29分將現(xiàn)場閥位恢復至與設定值一致的正常控制狀態(tài)。

（2）原因分析與處理措施。2015年1月20日故障主風機組入口靜葉往關小的方向關閉，機組的喉部差壓降低，但喉部差壓最低僅降到3.7 kPa，未達到防喘振控制系統(tǒng)所要求的聯(lián)鎖值2 kPa，故聯(lián)鎖未動作；反再崗位靠降量維持操作，待切換至備用主風機后恢復正常生產(chǎn)操作。為方便進一步檢查故障，通過專用軟件ValveLink對定位器進行在線診斷。

通過觀察行程診斷測試波形圖，確認定位器性能良好，未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。經(jīng)過2 d的不間斷觀察，控制閥一直工作狀態(tài)良好。經(jīng)過檢測、分析判斷，傾向于認為控制閥發(fā)生跑位故障可能是由于氣源供風品質較差，定位器在運行一段時間后出現(xiàn)短時噴嘴堵塞現(xiàn)象，造成調節(jié)失靈。根據(jù)判斷分析原因，為改善定位器供風品質，采取了臨時加裝兩組精密過濾器的措施，以進一步保證控制閥長周期工作的可靠性。

事故處理后，軸流風機半年多運行平穩(wěn)，軸流風機入口靜葉仍維持30%以上的開度運行，并通過出口防喘振閥共同維持風量，一定程度上影響裝置的能耗。

4 結語

為更大程度準確無誤的保護機組，確保裝置長周期運行，一方面對主風機組參與控制的聯(lián)鎖信號采集元件進行更換，消除儀表虛假信號對生產(chǎn)的影響；另一方面對軸流風機使用多年的防喘振閥在2013年裝置大檢修進行更換，確保機組喘振工況急時消除，杜絕逆流現(xiàn)象的發(fā)生。

［1］楊小鋒.S-3000系統(tǒng)在軸流壓縮機喘振控制中的應用［J］.廣東自動化與信息工程，2006（2）：29-30.

［2］錢玉洪.軸流風機的防喘振和防逆流保護系統(tǒng)［J］.齊魯石油化工，1996（4）：294-297.

［3］吳頤軒.緊急停車系統(tǒng)在催化裂化裝置主風機組中的應用［J］.風機技術，2005（5）：54-57.

TH443

B

〔編輯 李 波〕