煤制甲醇合成气压缩机的异常振动及防喘振措施

王晓培

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037001)

煤化工是将煤经过化学加工，使其转化为所需产品的过程[1]。甲醇是一种常用有机原材料，煤制甲醇生产具有成本低、材料来源广泛的特征，可以获得显著的经济效益，因此煤制甲醇对于行业发展的重要性也逐渐体现出来。煤制甲醇的生产技术包括空分、气化、净化以及甲醇合成等，其中，压缩机是空气分离、甲醇合成等行业广泛运用的机械设备。然而压缩机振动异常会使运行效率下降、能耗增大甚至引发事故，因此，在压缩机组运行、维护及管理过程中，如何有效地控制和减小其振动，维护机组的正常运行，对煤制甲醇整个工艺装置的稳定运行具有重大意义。

1 某煤制甲醇合成气压缩机组简介

在煤制甲醇的过程中用到最多的设备就是压缩机。具体来讲，合成气压缩机组工艺包括离心式压缩机合成段和循环段工艺。其中，合成段的工艺为首先将新鲜合成气进入分液罐内进行气液分离，其次进入合成气压缩机进行压缩，然后进入甲醇合成塔；循环段的工艺为首先将循环段气体进入分液罐内进行气液分离，其次进入压缩机内进行压缩，然后进入甲醇合成塔进行甲醇合成[2]。合成气压缩机组系统设有防喘振管线，并由防喘振冷却器控制回流气体的温度。某公司400 kt/a甲醇合成装置采用离心式压缩机为一缸两段结构，其工艺流程，如图1所示。

图1 合成气压缩机工艺流程

2 离心式压缩机防喘振控制

2.1 喘振现象

离心式压缩机流量减少时，可能出现另一种不稳定的工况现象，引起机器大幅度地波动，强烈的振动，即喘振现象。喘振现象一般具有以下特征：1) 喘振有强烈的周期性气流噪声，出现气流吼叫声；2) 离心式压缩机旋转失速，工作非常不稳定，排气压力及流量等参数脉动大；3) 机器强烈振动，机体、轴承等振幅急剧增加。喘振会损坏压缩机零部件，引起仪表的准确性降低或者失灵，从而产生巨大的危害，因此压缩机是不允许在喘振下运行的。

2.2 影响喘振的因素

实际运行中，除了内部流动，因失速区的产生与发展，引起喘振外，外部管网流量和阻力的变化与压缩机工作不协调，如压缩机的流量等于或小于喘振流量等，也是引起压缩化喘振的重要原因。

实际上，压缩机喘振往往是多种因素综合作用的结果，主要有转速、进气状态、管网特性、结构参数等。其中，当转速提高时，压缩机叶轮对气体所做的功将增大，喘振流量也增大，性能曲线上移；反之，转速降低则使性能曲线下移。当进气温度增大、进气压力降低，实测的喘振流量增大，压缩机性能曲线下移。管网容量越大，压缩机系统的稳定性变差，喘振越严重，破坏性越强。随着导叶预旋角由负增大到正，喘振流量也将减少；叶轮是离心式压缩机中的惟一做功部件，一般叶轮结构参数中的出口安装角较小的话，抗喘振性能较好，但还与叶道设计的是否合适有关。离心式压缩机中扩压器是一个与叶轮几乎同等重要的部件，是决定压缩机稳定王况范围的重要因素；一般无叶扩压器半径比小，喘振流量大，压缩机容易喘振；通过调小叶片扩压器进口安装角，喘振流量大为减少，其最高效率和能量头基本不变。

2.3 喘振原因分析及喘振预测

由于喘振的危害性，因此厘清压缩机发生喘振的原因，以及在一定的情况下对期进行预测，并提出改进措施尤为重要。根据喘振机理及上述分析，压缩机发生喘振的原因主要是管网流量和阻力的变化与压缩机工作不协调，具体表现为压缩机的实际运行流量小于喘振流量及出口压力低于管网压力。

对于喘振预测而言，由于压缩机喘振往往是多种因素综合作用的结果，导致运用传统的方法寻求喘振与这些工艺参数之间关系的数学模型较为困难。神经网络利用反映多变量间关系的累积数据，并通过网络的结构和权值加记忆，为判断出机器对应的状态，提供了一个切实可行的办法。

2.4 喘振控制技术

由于喘振的危害性，因此防喘振控制是压缩机控制系统的核心。一般而言，喘振控制技术有压缩机本体设计优化及运行条件改善两种。其中，对于离心式压缩机在设计上主要以扩大稳定工况范围为目的，如采用后弯式叶轮、无叶扩压器等气动参数和结构参数以及采用导叶可调机构等。对于离心式压缩机在运行条件上，主要采取控制压缩机的进出口压力，设法在管网流量减少过多时增加压缩机本身的流量等措施。

3 某煤制甲醇合成气压缩机异常振动情况及防喘振措施

3.1 异常振动情况介绍

如上所述，某公司400 kt/a甲醇合成装置采用离心式压缩机为一缸两段结构，该压缩机组于2016年3月投入运行，正常运行时，各点振动波动非常小。然而，分别于2018年12月29日及2019年1月19日，压缩机合成段、循环段均出现异常振动，持续时间分别为30 min和10 min。压缩机组异常振动曲线，如图2和图3所示。

图2 2018年12月29日压缩机组异常振动曲线

图3 2019年1月19日压缩机组异常振动曲线

同时，根据2018年12月29日压缩机组异常振动时压缩机运行数据显示，合成段进出口压力、循环段进出口压力同步增加，同时循环段入口流量也快速增加。根据2019年1月19日压缩机组异常振动时压缩机运行数据显示，合成段入口流量缓慢增加，入口压力也出现增加，出口压力则下降，而循环段入口流量及进出口压力全部下降。

3.2 异常振动原因分析

根据压缩机的运行情况，且从异常振动过程中记录的数据和异常振动曲线可知，该压缩机从投入使用以来，未进行过大检修，且平时压缩机运行工况非常好。同时，压缩机合成段、循环段的轴振动频率、振幅等基本保持一致。另外，在这2次振动过程中，汽轮机转速、润滑油温度等均处于稳定状态。由此说明，这2次异常振动不是因为压缩机故障等机械原因造成的，不是仪表探头故障，也不是润滑油压力、压缩机和汽轮机两侧的轴位移、压缩机入口分离罐液位等参数导致的振动。

针对2018年12月29日压缩机组异常振动，从异常振动过程中记录的数据和异常振动曲线可知，压缩机合成段入口流量无变化，但是整个系统压力全部上涨，说明大量未反应的气体进入压缩机循环段，打破了压缩机原有的平衡，致使压缩机振动异常，且整个过程持续30 min。

针对2019年1月19日压缩机组异常振动，从异常振动过程中记录的数据和异常振动曲线可知，合成段入口压力和流量增加，其余压力及流量均减小，说明甲醇合成反应速度加快，系统压力降低，打破了压缩机原有的运行平衡点，从而导致振动值从9.24 μm增加到21.80 μm，出现了10 min的短时间振动异常。

3.3 采取的措施和效果

根据上述分析，及时调整了净化气组分含量，使甲醇合成反应速度基本保持稳定，甲醇合成气压缩机的异常振动逐步消失，压缩机各点的振动均回到10 μm以内。

4 结语

综上所述，甲醇合成气压缩机为工艺流程中主要用到的关键动设备[3]。然而，离心式压缩机流量减少时，可能出现喘振现象，从而造成运行效率下降、能耗增大甚至引发事故。研究通过对某煤制甲醇合成气压缩机振动异常情况进行分析，结合甲醇合成反应的特点，考虑工艺气组分对甲醇合成反应速率的影响，从而产生了异常振动。为此，探索出了新的解决问题的思路，即通过系统工艺气组分的调整，使甲醇合成反应速度基本保持稳定，消除了甲醇合成压缩机的振动异常现象。