离心式压缩机的防喘振控制与操作

李敬珂，朱新德

(河南能源化工集团中原大化公司 河南濮阳 457004)

河南能源化工集团中原大化公司(以下简称中原大化公司)的合成氨装置采用ICI- AMV工艺，以天然气为原料，年产合成氨300 kt。除空气压缩机02K001外，该装置的气氨压缩机09K001、合成气压缩机07K001、天然气压缩机01K001均采用汽轮机驱动，在实际运行中经常出现喘振现象。以09K001为例，针对压缩机常见的喘振问题进行剖析和探讨，总结防喘振的方法和控制要点。

1 09K001的基本参数和工艺流程

1.1 09K001的选型及设备参数

氢氮气(10 580 kPa，239 ℃)在铁催化剂的作用下于合成塔内进行氨的合成反应，出合成塔的气体(10 100 kPa，414 ℃，含氨质量分数16.36%)进入废热锅炉回收热量，之后依次进入3台换热器(08E002，08E003和08E004)换热，而后经第1氨冷器08E005、第2氨冷器08E006进行冷却。09K001也称冰机，其作用是为氨冷器提供冷量，以冷却分离出合成回路中的氨。中原大化公司合成氨装置设计为两级氨冷的冷冻循环，选用2MCL528/1型单缸两段离心式压缩机，由HG32/20型背压蒸汽透平09MT01驱动。09K001的主要结构性能及压缩参数如表1所示。

表1 09K001的主要结构性能及压缩参数

项目一段一级二级二段入口压力/kPa228425908出口压力/kPa4259341660压缩比1．862．191．83入口温度/℃-13．02．542．0出口温度/℃86．0100．0流量/(kg·h-1)167763764955420叶轮级数/级233叶轮直径/mm540500470转速/(r·min-1)10770功率/kW4565

1.2 09K001在合成氨装置中的工艺流程

来自08E006的气氨(表压128 kPa，-15 ℃)与来自08E005和气体冷却器10E004的气氨(表压325 kPa，0.5 ℃)分别进入09K001一段一级和二级的吸入侧，经一段压缩后的气氨(表压为830 kPa，86 ℃)送段间冷却器09E005冷却，冷却后的气氨与来自氨闪蒸槽09D001的气氨相汇合，于表压808 kPa、温度42 ℃条件下进入09K001的二段吸入侧；经二段压缩后的气氨(表压为1 560 kPa，100 ℃)分为3路，第1路经防喘振阀F09001返回至08E006，第2路经防喘振阀F09002返回至08E005，第3路经并联的水冷器09E002A/B冷却后冷凝为液氨并送至氨受槽09D002。

09D002中的液氨温度较高，称为热氨。热氨流经换热器09E003A/B、氨闪蒸槽09D001及产品氨加热器09E004后与来自闪蒸槽08D001的冷氨进行热交换，使之冷却、减压降温，重新送往08E005，08E006和10E004用作冷冻剂。

2 离心式压缩机喘振的危害、现象及判断

2.1 喘振的危害

喘振是当离心式压缩机的进口流量减少至一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动，气体流量、进出口压力出现波动，从而引起压缩机转速及工艺气强烈波动。

喘振的危害：①由于气流强烈的脉动和周期性振荡，会使供气参数(压力、流量等)大幅波动，破坏了工艺系统的稳定性；②使压缩机叶片发生强烈振动，叶轮应力大幅增加，噪声加剧；③引起动静部件的摩擦与碰撞，使压缩机的轴发生弯曲变形，严重时会产生轴向窜动，使轴向推力增大，发生烧毁止推轴瓦甚至扫膛事故；④加剧轴承、轴瓦的磨损，破坏润滑油膜的稳定性，使轴瓦合金产生疲劳裂纹，甚至发生烧瓦抱轴等事故；⑤损坏压缩机的机械密封及轴封，使压缩机效率降低，同时由于密封的损坏会造成工艺气泄漏，极易引发火灾、爆炸等事故；⑥影响驱动机的正常运转，干扰操作人员的正常操作，使一些仪表、仪器的测量准确性降低甚至损坏。一般机组的循环量、压比、排气压力和气体的密度越大，发生的喘振越严重，危害越大。

2.2 喘振的现象

离心式压缩机发生喘振时，常见的现象：①压缩机的出口压力先升高，继而急剧下降，并呈周期性波动，出口压力表的指针来回摆动；②压缩机的流量急剧大幅波动，甚至出现气体倒灌至吸气管道，带动压缩机的汽轮机指示不稳定；③机组产生强烈的振动，同时发出异常的气流噪声；④机组运行声音异常，有间断、低沉的吼声，相关的前后工序装置工况也随之大幅波动。

2015年4月30日19：32，操作人员发现09K001的振动增强，迅速查看相关参数，发现其轴振动值X09004和X09005分别达到73 μm和75 μm，超过了正常振值范围(45～70) μm；09K001的入口压力PRC09001从正常值1.28×105Pa(表压)下降至0.92×105Pa(表压)；压缩机的流量F09001由正常值21 800 m3/h(标态)下降至17 400 m3/h(标态)，F09002由正常值72 800 m3/h(标态)降至65 100 m3/h(标态)，机组蒸汽用量F09004明显波动。根据运行参数的变化，立即判断为压缩机发生喘振。经检查发现，08E005的液位L08003实际已上升至82%，初步判断喘振是压缩机一段入口气氨带液所致。为此，通过降低机组转速S09001、手动调整08E005进氨阀开度等措施，喘振现象逐渐消失，机组运行逐步恢复正常。

3 喘振发生的条件和引起喘振的原因

3.1 喘振发生的条件

压缩机的固有特性决定了压缩机在一定的转速下有其对应的升压比，即一定的流量对应一定的出口压力，并在一定的转速下存在一个极限流量(即喘振流量)。当流量低于喘振流量时，压缩机就不能够稳定运行而发生喘振。

压缩机出口气体的压力大于一定转速下对应的最高压力时也会发生喘振，即压缩机工作时，当系统压力高于压缩机在该转速下对应的极限压力时，便在压缩机出口形成很高的“背压”，使压缩机出口阻塞、流量减少，甚至出现气体倒流，造成压缩机喘振。

3.2 引起喘振的原因

(1) 压缩机的气体流量运行点距离喘振边界太近或进入了喘振区。

(2) 正常生产时，防喘振裕度设定不足或防喘振装置未及时投自动控制，均会导致操作运行点易接近或进入喘振区而发生喘振。防喘振整定值不准或防喘振装置与机构失灵，也会导致喘振的发生。

(3) 压缩机吸入气体流量不足或出口气体压力太高，也容易导致喘振。

(4) 生产工况发生变化时，压缩机放空阀或回流返回线阀Fv09001和Fv09002未及时打开，将引发喘振。压缩机气体出口管线上的止逆阀内漏、损坏或开关不灵活等，导致气体回路压力波动，也会引发喘振。

(5) 开停车过程中或生产工况大幅变化时，09K001升速和升压过快且不平稳，或降速时没有先降压，从而导致喘振的发生。

(6) 根据气体热力学方程，气体的温度、压力影响流量。压缩机转速和出口压力不变时，入口气体温度升高容易造成喘振；当转速一定时，进气压力越高则喘振流量值也会升高；在进出口压力均一定、转速也不变的条件下，入口气体组分发生变化，喘振流量值也会相应变化，其中组分变轻，即分子量降低时易发生喘振。

(7) 压缩机设备零部件损坏或脱落等设备故障，如机械密封、平衡盘密封、O形环损坏或脱落，均会诱发机组出现喘振。

4 离心式压缩机喘振的预防措施

(1) 保证压缩机设备本身及零部件完好无损；进出口管线无泄漏；进出口管道上的调节阀、止逆阀等阀门开关正常、灵活可靠，无卡塞或内外漏等情况。

(2) 定期校验防喘振值，数值不准及时校正；提前测定各种工况下的防喘振裕度，并控制在1.03～1.50倍。防喘振裕度太大，虽不易发生喘振，但压力下降，经济性差；防喘振裕度太小，安全性差。正常生产时需关闭防喘振阀，投自动控制，这样既安全又经济。

(3) 检查压缩机运行点，防止运行点距喘振边界太近或落入喘振区。

(4) 控制压缩机吸入气体流量和出口气体压力，避免流量过低或压缩机出口压力太高而引发喘振。

(5) 生产装置波动时应及时打开压缩机放空阀或Fv09001和Fv09002，以增大入口气体流量，防止发生喘振。对空气、CO2等无毒气体可采用放空的方法，而对天然气、气氨等采取回流循环。

(6) 开停车过程中或生产工况大幅变化时，必须严格遵守升压先升速、降速先降压的原则，操作时应缓慢、均匀，多次交替完成升压和变速。

(7) 主控室要密切关注高压蒸汽P03055的压力和温度以及中压蒸汽P03054的压力和温度，防止蒸汽管网大幅波动而影响压缩机的安全平稳运行。

5 结语

喘振虽然是离心式压缩机的固有特性，但喘振现象的发生主要取决于管网的特性曲线和离心式压缩机的特性曲线。喘振形成的原因在于倒流与供气的周期性交替进行，因此应针对喘振的主要影响因素，分别采取有效的防喘振控制措施，提高压缩机抗喘振性能，确保合成氨装置的安全稳定运行和企业良好的经济效益。