空气压缩机导叶阀故障原因分析及改进措施

张起源

（中国石化巴陵石化分公司煤化工部，湖南岳阳 414003）

某企业煤气化装置空分单元的空气压缩机采用的是四级离心式压缩机，压缩机的安全可靠运行对生产意义重大。喘振是离心式压缩机在入口流量减少到一定程度时所发生的一种非正常工况下的振动，对于离心式压缩机有严重损害[1]。压缩机的流量控制通过改变入口导叶阀的导叶叶片开度即旋转角度来控制进气量大小，由分散控制系统（DCS）根据导叶阀进口流量经过比例积分微分（PID）运算发出4～20 mA控制信号，经过阀门定位器使活塞执行机构带动连杆控制导叶叶片来实现[2]。离心式压缩机设有防喘振的自动放散阀，一旦出口压力过高，压缩机接近喘振区或者发生喘振时，该阀门会自动打开，以解除喘振。

煤气化装置因空气压缩机入口导叶阀HV1111故障造成两次非计划停车，从停车状况来看，导叶叶片开度突然过小或过大都会直接引发空气压缩机防喘振动作造成装置停车。该文分析了导叶阀产生故障的原因，并提出改进措施，防止再次发生因空气压缩机导叶阀故障而停车，保证了装置的长周期稳定运行。

1 导叶阀结构及故障经过

1.1 导叶阀结构

空气压缩机2006 年投用，入口导叶阀HV1111执行机构型号为Fisher3030SF，控制附件为智能定 位器DVC6200，减压阀95H，过滤器262K。空气 压缩机导叶阀结构见图1。

导叶阀主要由执行机构、活塞杆、气源阀、过滤器、气源减压阀、智能定位器等部件组成。导叶阀定位器接收来自DCS 控制系统的4 ～20 mA 控制信号，根据信号大小将其转换成对应的0.02～0.1 MPa气源信号作用于执行机构的气缸，通过在气缸上下两侧形成压力差，活塞带动活塞杆往复运动，从而带动连杆控制导叶叶片的开度实现导叶叶片的开关。当定位器接收到4 mA控制指令时，导叶叶片全开；当定位器接收到20 mA控制指令时，导叶叶片全关，同时将导叶叶片的动作情况通过位置传感器反馈给阀门定位器，由阀门定位器输出4～20 mA阀位反馈信号，在DCS系统上进行显示。

图1 空气压缩机导叶阀结构

1.2 导叶阀故障经过

2020 年11 月15 日煤气化装置空分单元空气压缩机入口导叶阀HV1111 导叶叶片由43%快速关闭至14%，压缩机入口流量低造成防喘振阀FV1110全开，冷箱联锁空分停车，进而氧气中断导致气化单元联锁停车。经分析判断为HV1111 阀门定位器故障，更换定位器并增加机械下限位后重新开车。

11月16日HV1111导叶叶片突然由40%全开至100%，压缩机入口流量PDI1110 超过量程上限16 kPa，综合控制系统（ITCC）设置为当PDI1110超量程时，压缩机入口流量指示为0，防喘振阀FV1110全开，冷箱联锁停车，氧气中断导致气化装置联锁停车。

11 月20 日HV1111 导叶叶片再次突然关小至下限位32.5%（控制器命令输出为40%～50%，但 实际阀门一直在下限位）造成空分短时间内降负荷运行，空气负荷由236 000 Nm3/h降低到215 000 Nm3/h，氩系统发生氮塞停运的严重情况。

11月25日HV1111导叶叶片又出现突然关至下限位，尝试开关多次后才打开。

12 月1 日HV1111 导叶叶片再次出现突然关闭至下限位的情况，空气负荷由238 000 Nm3/h 降低到230 000 Nm3/h左右。反复开关20多次仍无法打开，过程持续时间达35 min，后通过现场短时断开气源的方法，导叶阀才开始工作。

2021 年1 月9 日HV1111 导叶 叶片再次突然关小至下限位，总控无法调节阀门，阀门一直处于下限位状态。反复尝试开大关小阀门、现场停仪表气源、现场拆下气缸气源管等方式都无法开大阀门。只能通过直接在阀门上气缸加压的方式才得以开大阀门，处理过程中气缸漏气。

2 原因分析

针对导叶阀故障可能存在的原因进行了分析，主要有以下几点。

2.1 定位器故障及行程参数设置不合理

定位器故障。第一次停车后，检查了导叶阀的执行机构和机械部件的动作情况，判断导叶阀HV1111定位器存在故障导致导叶叶片关小。

定位器参数设置不够合理。第一次停车后定位器的行程整定参数由最慢响应C设置为较快响应H，阀门空载动作正常，由于阀门参数的设定都是在阀门空载下进行，阀门带载后定位器响应不够迅速，阀门在0%～50%行程部分有卡涩现象。

2.2 感应磁条偏转及感应行程过大

感应磁条偏转。由于空气压缩机振动导致磁条固定轴存在一定角度偏转，安装于轴上的行程传感器磁条也随之偏转，导致定位器测量到的磁场大小发生改变，从而导致在导叶叶片没有动作的情况下，定位器检测到的阀位随着磁条的偏转发生变化。在导叶叶片不动的情况下，阀位反馈磁条的偏转导致阀位反馈信号超过10%的变化时，阀位反馈信号的偏差会导致定位器短时间内无法跟踪给定信号，导叶叶片出现动作滞后以及突然打开或关闭的风险。

磁条感应行程过大。使用的感应磁条能检测到的行程范围为0 ～110 mm，而阀门的实际反馈行程为0～18 mm，磁条的感应行程过大导致阀位反馈信号测量误差由0.5%放大至1%。

2.3 执行机构窜气

执行机构窜气严重，导致导叶叶片通过多种手段都无法打开。检查后发现是因为导叶阀动作频率较高，气缸活塞和气缸内壁经常处于摩擦状态，造成密封件磨损严重密封性变差，致使气缸窜气造成导叶阀失控。

3 改进措施

3.1 更换定位器并优化定位器行程整定参数

更换定位器。将原DVC6200定位器更换为智能型分体式定位器DVC6205＋DVC6215，分体式定位器控制信号4～20 mA，自带位置反馈。

优化定位器行程整定参数。将定位器行程整定参数H改为最快响应M，重新对定位器进行了校验，阀门动作正常。空分开车后对导叶阀进行带载测试，阀位反馈信号与控制信号偏差小于1%，阀门运行稳定。

3.2 固定感应磁条转轴并更换磁条

固定阀位感应磁条的转轴进行加固以防止发生偏转，并且将阀位反馈磁条长度从110 mm 更换为50 mm。

3.3 增加机械上下限位

为防止导叶叶片突然关闭或打开，根据正常运行时导叶叶片开度情况，现场增加机械上下限位。目前上限位设置为导叶叶片开度的53.5%，下限位设置为导叶叶片开度的30%。机械上下限位示意见图2。

3.4 更换执行机构

更换新执行机构PS32-S01/1X，解决执行机构的窜气问题。新执行机构带有成套安装的失气保位阀377和成套安装在定位器上的过滤减压阀67CFR。双作用气缸失电、失信号时故障开，失气时故障保位。控制信号为4～20 mA，4 mA活塞杆完全伸出，20 mA活塞杆完全缩回。

图2 机械上下限位

3.5 增加偏差报警

为监控阀门出现卡涩等异常情况，增加FIC2615（空压机入口导叶流量控制器）与PIC2615（空压机入口导叶压力控制器）选小后的输出值与导叶阀位反馈信号正负偏差为5%的一级报警，同时将导叶阀位置反馈信号趋势图放在DCS主动性监控屏幕来加强监控，增加阀门定位器HART信号在线诊断 过程。

3.6 制定以可靠性为中心的预防性维修（RCM）策略

为保证装置长周期的安全运行，将空压机入口导叶阀HV1111纳入RCM管理。RCM管理是通过分析设备功能以及故障模式，采用安全以及最小资源消耗的维修策略，确定设备的维修级别、类型、内容以及检修频率，达到优化维修的目的。首先将导叶阀HV1111 识别为装置安全关键设备，根据制造商提供的指导性设备平均无故障运行时间为5 年，通过对执行机构、定位器、仪表气源的失效模式和失效原因进行分析，确定设备维修频率为大修期2年，最终编制预防性维修工单。工单内容包括：在日常维护中要经常检查紧固感应磁条转轴，加强对阀位反馈信号的监控；每次大修期间对定位器进行诊断，及时发现类似缺陷；对执行机构进行泄漏性测试，检查是否窜气；并且制定合理的更换周期对阀门定期进行更换，预防因设备老化引起的故障，每次大修定期触发并执行。

4 改进效果

以上措施取得了较为明显的效果。导叶阀运行状况良好，再未出现导叶叶片开度突然过大或过小的现象，有效提高了导叶阀工作稳定性，成功消除安全隐患，有利于装置平稳运行。

5 结论

（1）某石化企业煤化工部空气压缩机入口导叶阀故障的原因是定位器故障和行程整定参数设置不够合理、感应磁条固定轴偏转和感应行程过大导致阀位反馈信号精度不高，同时执行机构运行时间较长，内部密封件老化。

（2）首先通过更换定位器并重新设置行程整定参数、更换感应磁条并固定其转轴、增加机械上下限位和偏差报警等措施，保证装置正常生产；然后通过更换新的执行机构，彻底解决了空压机导叶阀反复发生的故障问题。

（3）通过执行导叶阀的预防性维修，使得设备维修管理有序，设备维修档案记录有追溯，合理的维修频率同时意味着维修费的节省，并且杜绝了因仪表设备失效而引起的装置非计划停车，为装置长周期安全运行提供强有力保障。