汽拖空压机在空分空压装置中的问题及对策

陈贝琳 , 魏 军

(1.洛阳炼化宏达实业有限责任公司 洛阳分公司 , 河南 洛阳 471012 ; 2.中国石化 洛阳分公司 , 河南 洛阳 471012)

空分空压装置是诸多现代工业行业中的动力源,起到了将空气中的组分分离,产生氧气、氮气等气体,将其有效净化并持续输送的作用。空气压缩机作为空分空压装置中的核心设备,最常用的是电拖离心式空压机。电动机作为驱动设备,离心式压缩机通过叶轮做功,使之动能增大,然后经扩压器使气体的压力提高,并持续输出稳定气源,为石油炼化行业中工业风、仪表风及氮气系统提供有力保障。而电动机的持续驱动,离心式压缩机的高效运行,无疑成为了这份保障中的关键。随着现代工业的不断发展,汽轮机的安全性及稳定性也日益成熟,其在石油化工行业中的应用也日益频繁。在企业生产工艺达到储备足量过剩蒸汽且蒸汽价格合理的前提下,从经济及能效转换的角度分析,如何在空分空压装置中,用汽轮机替代电动机,实现汽轮机驱动离心机,既保证汽拖空压机安全、稳定运行的同时,又能为企业节约大量用电成本,成为现代石油炼化行业在空分系统中的主要探讨方向。

1 空分空压装置现状

1.1 装置概述

某公司空分空压装置设置有净化压缩空气管网、非净化压缩空气管网及氮气管网。净化压缩空气为仪表用压缩空气,非净化压缩空气主要是吹扫用气,氮气为保护用气。

空分空压站包括空气压缩和空气分离两部分。主要由3台离心式空气压缩机、2台冷冻式干燥机、2台微热再生干燥机、3台变压吸附制氮机组成。离心式空气压缩机1台为汽轮机驱动,2台为电机驱动。

除生产装置自产蒸汽外,目前蒸汽来源为外购3.5 MPa蒸汽,其中部分中压蒸汽进入中压蒸汽管网,部分中压蒸汽通过汽轮机及减温减压器降至1.0 MPa蒸汽送入低压蒸汽管网。

由于公司属于石油炼化行业,3.5 MPa蒸汽及1.0 MPa蒸汽使用消耗量大,故选用汽拖空压机作为空分空压装置主要驱动设备,为企业节约大量用电成本。

1.2 设备主要参数

电拖离心式空压机2台,型号ZH1600,空气流量240 Nm3/min,空气进口压力为常压,出口压力为0.9 MPa,额定转速2 980 r/min。汽拖离心式空压机1台,型号ZH1600,空气流量240 Nm3/min,空气进口压力为常压,出口压力为0.9 MPa,额定转速为2 980 r/min。

1.3 设备主要能耗

汽拖空压机用汽负荷:压力3.4 MPa,温度为(420±30) ℃,用汽量30 t/h;产汽负荷:压力(1.2±0.1)MPa,温度为300 ℃,产汽量30 t/h。

电拖空压机电压10 000 V,操作设备1台,备用设备1台,电机操作功率1 600 kW,备用功率1 600 kW。

2 汽拖空压机存在的主要问题

2.1 汽轮机升速过程中振动超标导致联锁停机

汽轮机在单机试运时,低速暖机结束后的升速过程中,临近额定转速2 980 r/min时,蒸汽侧振动频繁超标导致联锁停机。即在汽轮机升速阶段,蒸汽侧振动值持续上升,当运行转速临近2 500 r/min时振动高报,当运行转速临近2 980 r/min时振动联锁导致停机,振动高报值为62 μm,振动联锁值为76 μm。

2.2 汽轮机在升速结束时失速导致联锁停机

汽轮机在汽拖空压机整机联运启动后,汽轮机升速结束时,汽轮机转速频繁波动,无法稳定在额定转速2 980 r/min,最终导致汽轮机失速触发联锁停机。当汽轮机505控制系统设定转速为2 980r/min,汽轮机在升速结束时,实际运行转速无法得到有效控制最终超速,达到3 040 r/min联锁值导致机组停机。

2.3 汽轮机在运行过程中失速导致连锁停机

汽拖空压机启动完成,离心空压机出口空气并入气路管网时,由于离心空压机出口压力为恒压控制,在空压机入口IGV及出口BOV控制阀依靠PID自动调整阀位,稳定出口压力的过程中,汽轮机转速出现大幅波动,导致汽轮机失速触发联锁停机。当空压机控制阀PID调节、稳定空压机出口压力时,汽轮机的实际运行转速来回震荡波动且呈逐渐放大趋势,最终失速导致联锁停机。

3 解决方案

由于汽轮机与离心式压缩机在空分系统中的应用不多,离心式压缩机对驱动机的需求也高,需求驱动转速更加稳定的同时,其实际需求转速也仅为2 980 r/min。低转速、高稳定性对汽轮机来说,均存在一定挑战性,尤其是出现振动超标联锁等一系列难点,更需要全面充分考虑。除了从设备本身着手之外,还需要充分结合空分空压装置的生产特性,在保护离心式空压机的前提下,做好汽轮机与离心式压缩机的有机融合,确保单个设备安全运行的同时,尽可能优化汽拖空压机的控制系统,保证设备安全稳定运行。

3.1 汽轮机振动超标问题解决方案

动设备出现振动超标问题始终是行业内的难题。尤其是汽轮机,除了工艺管线设计方存在设计缺陷之外,应从以下几点逐步分析。

3.1.1检查并确认设备使用润滑油油质是否异常

在设备安装期间,应充分做好设备润滑油箱、润滑油管路的跑油工作,避免杂质进入轴瓦等关键润滑部位,确保油冲洗合格。油冲洗应以循环方式进行,每8 h在35～70 ℃内升降油温1～2次,直至油冲洗合格;与此同时,自上游向下游按油的流向先主管、后支管对各油管道分段反复冲洗,按油的流向用木锤沿管线敲击各焊缝、弯头和三通,定期排放并清理油路的死角和最低处积存的污物。

待油冲洗循环多次后(连续冲洗4 h),在设备本体进油管口上加装的80～75 μm(180～200目)临时滤网上,1 cm2面积上肉眼可见软性杂质≤3点,且不允许存在硬质颗粒为合格标准。油系统冲洗合格后,油系统内冲洗油应全部退出换成新油。在此基础上,加强对在用润滑油的闪点、运动黏度、酸值、机械杂质及水分的分析频次,确保在用润滑油油质合格。

3.1.2拆检设备本体确认轴瓦及各主要间隙无异常

在设备到厂安装阶段,应严格做好翻瓦工作,确认轴瓦内表面无明显损伤,当机组出现振动较大时,更应着重对设备进行拆检检查。

复查的主要项目有:轴承箱进回油路检查、轴瓦表面及油道检查、轴瓦径向间隙复查、轴瓦推力间隙复查、轴瓦渗透探伤复查、转子窜量复查、叶片及围带检查、喷嘴间隙复查、油封表面及间隙复查、气封表面及间隙复查、碳刷间隙及磨损情况复查、转子机械及电子跳动检查、转子动平衡实验。

需要指出的是,作为基础检查项,轴承箱及轴瓦的相关检查须在第一时间进行,以此判断轴瓦安装情况或润滑油质是否存在异常,为下一步拆检方案或处理方式提供初步依据。

3.1.3复查汽轮机进出口管线布局及支撑形式

重新复查汽轮机进出口管线及阀门布局、支撑位置及形式,每条蒸汽管线及膨胀弯的位置和标高,每个弹簧支吊架或滑动支撑的位置和形式,施工过程中的微小疏漏导致与设计存在的偏差,均可能造成汽轮机进出口管线应力不均匀。

对现场与设计图纸存在偏差的阀门、滑动支撑及弹簧支吊架进行全面调整,需根据设备开停需要适当调整设计方案。

3.1.4加强汽拖空压机设备底座及基础强度

设备底座和基础强度是动设备平稳运行的关键。对设备现有基础进行充分核算,并对汽轮机底座、汽拖空压机联合底座进行加固,调整地脚螺栓形式,确保设备底座及基础强度符合设计要求。

3.1.5复查汽轮机进出口管线应力情况

动设备进出口管线无应力检查,是动设备安装合格后的重要指标之一。在进行进出口管线无应力检查之前,应确保进出口管线所有连接螺栓紧固到位,弹簧支吊架及滑动支撑端面在适中位置,设备本体固定螺栓全部紧固到位,避免出现为应对检查而出现的故意虚紧情况。

3.1.6做好试运前汽拖空压机整体静态振动检测

汽轮机在升速过程中出现振动超标联锁,即代表设备在现有状态下,其升速过程中产生的振动幅度是始终存在的,最终导致振动始终无法降低,从而导致超标联锁。故在设备及管线复查结束后,对设备整体的静态振动检测尤为关键。

通过整机静态振动检测,分析整机在现安装状态下的振动频率是否满足设计要求,振动频率尽可能远离机组满负荷50 Hz频率的前提下,找出在0～50 Hz可能存在的振动点,从而在汽轮机505控制系统中进行针对性调整,汽轮机升速过程中快速跨过此频率点。

3.1.7结合离心空压机设计确认各级临界转速

公司离心空压机设计为3级增压,其每级转动轴均对应有不同的相对临界转速,分别核算出996、1 192、1 364 r/min为3处临近转速点,并在汽轮机505控制系统中进行针对性调整,使汽轮机升速过程中快速跨过各级临界转速。

根据静态振动频率及各级临界转速点,可将汽轮机升速速率进行调整,即当汽轮机转速<500r/min时,升速速率为1 500 r/min;当汽轮机转速为900～1 500 r/min、1 900～2 650 r/min时,升速速率为3 000 r/min,此时汽轮机迅速升速跨过易激发振动的临界区域,剩余转速段的升速速率为900r/min。

3.1.8复查汽轮机入口蒸汽管线蒸汽打靶结果

重新对汽轮机入口蒸汽管线进行打靶实验,确认入口管线内清洁度满足要求,确保进入汽轮机内的蒸汽品质良好,不会对机组稳定运行造成影响。

3.1.9对汽轮机进行充分暖机

汽轮机低速暖机,需要指出的是务必要暖机彻底。由于汽拖空压机在空分空压装置中的应用,多数依靠的是成套控制系统,设备的启动过程大多数依靠已经设定好的程序执行。在此种情况下,汽轮机的低速暖机时间是否合适,需要以现场汽轮机缸体温度为主要衡量指标。

3.2 汽轮机在升速结束时失速问题解决方案

针对汽轮机在升速结束时失速导致联锁停机问题,主要在于汽轮机本体无法实现稳定控速,应从以下几点进行分析:

①复查汽轮机入口调节汽阀线性程度。结合汽轮机厂家,重新对调节汽阀进行拉阀实验、校验行程点的同时,结合现有装置波动情况,确认调节汽阀的控制形式,即选用气动控制还是液压控制,确保调节汽阀本体适用于机组现有工况,从而提高调节汽阀的抗波动性,使其更为稳定。②调整控制系统中调节汽阀PID参数。在升速程序的基础上,调整汽阀的PID参数,使其更适用于现有的升速程序,从而确保调节汽阀的控制幅度可控,避免造成机组频繁失速。

3.3 汽轮机在运行过程中失速问题解决方案

汽拖空压机在运行过程中失速导致联锁停机问题,除了蒸汽波动导致失速的原因之外,主要原因在于汽拖空压机的控制模式设计思路是否满足空分系统恒压稳压工况需求。

空分空压装置空压机设计主要以出口恒压为准,离心式压缩机的入口IGV及出口BOV控制阀控制模式,均以尽可能恒定空压机出口压力为调整基准,即当出口压力达到设定压力的一定偏差范围时,IGV与BOV控制阀会相互配合,通过已设定的PID参数调整阀门开度,对出口压力进行调整。

根据设备运行工况调整固定比例控制模式下的详细参数,根据空压机空气出口设定压力与实际压力的偏差情况,将偏差范围划分为6个区域(如表1所示),且每个区域内IGV控制阀按一定比例/秒调整阀门开度。

表1 控制阀固定比例控制模式参数表

4 结论

经过上述调整后,空压机IGV控制阀在按固定比例调整时,既满足空压机空气出口压力稳定的同时,又降低了空压机控制阀的波动频次,大大提高整机负荷的稳定程度。汽拖空压机在出口空气并网后的运行过程中,未再出现因空压机空气出口压力波动而造成汽轮机失速联锁停机,汽轮机运行转速趋势平稳,未再出现震荡型波动,极大地提高了汽拖空压机的稳定性,确保了蒸汽系统及空气系统的双平衡。

汽拖空压机在空分空压装置的合理应用,为企业节约了大量的用电成本。用汽拖空压机代替传统的电拖空压机,虽带来了一定的经济效益,但其首次投用成本高、建设周期长、管理难度高、抗蒸汽负荷波动性较差等因素,仍是后续该设备在各领域应用时,企业需要多方面考虑的关键因素。