电驱离心式压缩机运行故障分析与对策.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：王超（1981），男，汉族，山东临邑人，大学本科学历，中级工程师，研究方向为设备、压缩机技术研究。-157-电驱离心式压缩机运行故障分析与对策 王 超 国家管网集团北京管道有限公司山西输油气分公司，山西 太原 030000 摘要：摘要：随着我国能源结构优化，天然气工业步入高速发展阶段，天然气开发及市场需求扩大，带动了输气管道建设的迅速发展，也建成投产了一系列由电机驱动的离心式压缩机组。压缩机组的稳定运行是关乎管道生产的重要因素之一，本文主要阐述离心式压缩机在较长时间的运行过程中，会由于各种因素而出现的故障以及针对性对策这两个方面的内容，并以此来论证压缩机的维护保养对于提高机器的运行效率和稳定性的巨大作用。关键词：关键词：电驱离心式压缩机组；运行故障；对策；应对措施 中图分类号：中图分类号：TH452 0 引言 电驱离心式压缩机系统主要包括：变频电机、齿轮箱、压缩机、空压机设备、配电设备、控制设备、站场工艺设备等。涵盖机械、控制、电气、仪表、天然气输送工艺等多学科知识，压缩机组是一个完整的系统集成，要全面的处理压气站运行中出现的故障和问题，必须对各个学科都有所了解，并且对自己的专业学科重点掌握，这样才能很好的对出现的问题进行正确的判断和处理。对机组和相关设备的的说明书要详细阅读，出现故障后，对重点部分还应该详细阅读，只有对设备的原理有了深入的了解，才能分析产生故障的“病根”，然后“对症下药”解决问题。仅仅掌握了理论知识还是远远不够的，压气站的故障处理还需要不断的实践积累和丰富。从压气站的建设到投产是积累故障处理经验的最好时机，因为机组的故障在此时出现的概率最高，在平时机组故障处理后要注意及时总结经验，勤于思考，通过积累自身实践经验和学习借鉴他人处理故障的过程来不断提高自身处理故障的水平。设备监控系统记录设备的实时和历史运行数据，设备档案记录着设备所有的维修记录，包括例行维护和定期维护，在机组出现故障时，可从设备监控系统中调出相关的运行数据，也可从设备档案中查阅各种维护记录，从而为识别机组的故障奠定基础。这一个环节十分重要，从实践中看，不论是场站技术人员还是厂家专业工程师，在解决问题的开始，都是从设备监控系统或者日常运行和维护的记录入手，开始故障的识别。1 离心式压缩机的工作原理 压缩机是一种压缩气体以提高气体压力或输送气体的机械。离心式压缩机是一种叶片旋转式压缩机1，气体从外界被吸入，通过叶轮对其作功，使气体的压力、速度、温度都得到提高2，之后再通过扩压，使气体的速度能(动能)转化成压力能。当通过一个叶轮不能满足压力要求时，可以将压缩机作成多级式，使气体可以被引入下一级继续压缩，以满足压力要求。长时间的运行会出现各类故障，不及时补救很有可能发生严重事故、造成极大经济损失。因此，进行压缩机故障分析以及采取有针对性的措施，是非常有必要的。2 电驱离心式压缩机常见故障分析与对策 离心式压缩机常见的故障主要包括几个方面，其中包括电气滤波与变频系统和自控控制程序上的原因，本次我们主要探讨机械方面的原因。第一，压缩机组运行工况方面；第二，压缩机辅助设备设施方面；第三，外部环境方面。下面我们进行详细说明。2.1 压缩机组运行工况方面 压缩机喘振是一种运行中的异常现象3，喘振发生的内部原因与叶轮结构及叶道内介质气体有着密切的关系。当机组入口流量瞬时降低，低过了所允许的最低工况点时，压缩机内的气流流动方向与叶片进口安装角出现很大的偏差，造成叶道内的气流出现严重的“旋转脱离”，使气体在叶道中滞流，致使压缩机压力突然降低，然而出口系统的压力并没有瞬时下降，这就使排气管内压力高的气体流回压缩机，使叶道内的流量又得以补充，并恢复正常工作，当压缩机内的流中国科技期刊数据库 工业 A-158-量再次减小时，系统气体又会出现倒流，如此反复，系统中的气流便产生了周期性的振荡，并伴随着强烈的噪声，这就形成了压缩机的喘振。长时间喘振会对压缩机转子叶片及级间密封造成严重伤害，严重情况会发生叶片及级间密封损坏、断裂，压缩机需要返厂维修，造成极大的经济损失，无法保证机组完整性，有可能影响正常的输气量。如图 1 叶片损坏、图 2 级间密封损坏。图 1 叶片损坏 图 2 级间密封损坏 压力、温度、流量是压缩机运行过程中最重要的工况参数，其中压缩机压比和入口流量是压缩机运行工况最重要的两个，压比又称压缩比，是压缩机出口压力与入口压力之比，它直接影响压缩机的性能和效率，压比越大，压缩机越容易发生喘振，但压比不是唯一决定喘振的条件，机组的入口流量不足是压缩机发生喘振的另一个必要条件。如图 3 防喘振控制曲线所示，纵坐标为压比 Pd/Ps（Pd-出口绝对压力，Ps-入口绝对压力），横坐标为入口节流元件差压与入口压力的比值，并将其进行归一化处理后的百分比 h/Ps%（h-入口节流元件差压，Ps-入口绝对压力）。压缩机的喘振点可由压比（Pd/Ps）及入口流量表测出的入口流量计算得出。这种坐标使得压缩机的喘振极限线的计算与入口工况条件（比如入口温度）无关，从而从根本上保证了压缩机组的工况的动态运行性能。通过精确的防喘振控制，实现可靠的保护并且最大限度的节省能源消耗。防喘振控制具有以下特点：防喘阀具有快开慢关功能。比例功能可忽略控制器的调节，强制打开防喘阀。工作点突然移向喘振区，喘振设定值跟踪功能将提前打开防喘阀。可手动控制帮助设定、测试和排除故障。图 3 防喘振控制曲线 如图 3 所示，在喘振线基础上，各点 X 坐标向右增大一定百分比得到另两条保护线：快开线与防喘振线。防喘振线确定防喘振控制中当前工作点对应的设定值，当工作点向左越过此线后，会按 PID 控制输出开阀；而快开线确保在工作点向左越过该线后紧急打开防喘振阀电磁阀，同时强制阀位为手动模式输出100%，使得防喘振阀非线性快速打开，将工作点拉回到安全区。在工作点向左移动超过一定距离时，PID控制比例增益会按工作点与喘振线距离成反比增大，使得开阀更迅速4。防喘阀的快开慢关是防止机组喘振的一个重要措施，但是防喘阀长时间处于开位运行会造成压缩机出口温度迅速升高，特别是在夏季，温度升到一定程度会触发高高报造成保护停机。另外，防止机组发生喘振的对策，一是时刻关注压缩机运行工况，发现工况不良及时进行调整；二是保证压缩机发生喘振时振动、温度、轴向位移等参数突变时的监测探头的完好性，在机组发生喘振时及时保护停机，防止对机组造成较大的伤害。2.2 压缩机辅助设备设施方面 中国科技期刊数据库 工业 A-159-压缩机辅助设备设施主要包括润滑油系统、干气密封系统、空压机系统、冷却系统等等，下面具体谈谈各系统造成压缩机故障的情况。润滑油系统主要的故障是主副油泵突然故障、润滑油管线泄漏、堵塞、润滑油不合格等，这些故障都会造成运行中的润滑油压力降低，无法保证为压缩机、齿轮箱、电机的各轴承以及齿轮箱齿轮提供足够的润滑、降温作用。当压缩机供油压力不足时，轴承及齿轮箱温度会升高，造成温度高高报保护停机。主要的对策是：（1）加强日常对润滑油站的巡护检查，发现润滑油泵有异响、漏油现象，及时进行处理，更换润滑油泵与电机的减震垫，更换润滑油泵的油封。（2）检查蓄能器压力是否符合要求，防止油泵故障切换备用时蓄能器无法提供足够压力。（3）机组维护保养时，更换双联过滤器滤芯，处理各处跑冒滴漏。（4）根据润滑油在线监测或取样监测，判断润滑油质量是否合格，如不合格及时进行更换。干气密封系统主要的故障是干气密封气源杂质多、含液，另外就是干气密封气源温度过低，造成气流结冰进入叶轮内部造成叶轮损坏。干气密封气源含液体、杂质进入干气密封过滤器，可能会造成过滤器滤芯脏污、堵塞，过滤器差压高会造成机组停机，如果干气密封气源含杂质、液体进入到干气密封动静环中，非常可能使动静环黏连，在动环高速旋转中，极易发生动静环碎裂，进而造成干气密封损坏，一次放空压力高高报、爆破放空，机组停机，需要更换新的干气密封，造成较大的经济损失。干气密封气源一般来自压缩机出口管线或压缩机出口汇管，洁净与否和进站后天然气过滤、分离关系很大，进站天然气所含液体经过有效过滤非常关键，一是保证分离器没有堵塞，需要按照要求定期进行更换滤芯；二是按照要求对分离器定时排污，保证进入干气密封的天然气不含杂质、液体；三是压缩机维护保养时对干气密封过滤器滤芯进行更换，有效保障干气密封供气的最后防线。另一方面是冬季气温比较低，天然气的水露点与环境温度接近，如果干气密封供气管线的电加热器故障，会造成进入干气密封过滤器的天然气经过节流效应结冰，进入干气密封后，泄漏到机组内部，轻则造成转子叶片出现划痕，严重会出现叶片、级间密封损坏。防止此情况发生必须保证干气密封加热器的完好性，每次保养对加热器进行测试，保证其运行正常，干气密封管线也需要加装伴热带。干气密封作为离心压缩机的一个关键设备，我们必须掌握其原理、结构、系统流程，如何处理好“干气”是我们要研究解决的问题。空压机系统影响压缩机主要是电机的正压通风、进出口阀门动力气源和密封气系统的隔离气压力。如果空压机系统不能为电机的正压通风和进出口阀门提供足够的气源，会造成启机失败。密封气系统的隔离气主要是为干气密封隔离器提供气源，防止润滑油气通过轴承油通道进入到干气密封内部，使得干气密封动静环因含液造成损坏。空压机故障停机，备用机组也无法启动的情况下，空气气源压力降低到一定程度，隔离气压力降低，会使所有运行中的压缩机停机，润滑油油气也会进入干气密封内部，造成干气密封损坏，并且影响干线输气量，造成非常大的损失。单台机组因隔离气压力低停机，原因主要是隔离气调压阀使用年限较长，皮膜疲劳老化开裂失效，这种情况的对策是机组运行一定时间，对隔离气调压阀或皮膜进行预防性更换，防止此种情况的发生。轴承主要包括压缩机径向轴承、止推轴承5，齿轮箱径向轴承、止推轴承，电机轴承三部分组成。轴承主要故障为轴瓦温度高，轴承振动高。造成轴瓦温度高的原因主要为供油压力不足，轴承间隙过小或轴承总成装配问题等，轴承温度过高，在轴瓦表层会产生高温聚合物（如图 4），因聚合物的存在，加剧了轴承局部间隙偏小，导致轴承润滑不良，润滑油流通截面局部受限、流量较小，带不走运行过程中产生的热量，使轴承座内温度更高，导致温度高高报保护停机。针对此类故障，除了保证润滑油油质、压力外，根据每台机组历史运行情况，有针对性的进行维护保养，定期检查轴承间隙、轴瓦情况，及时采取更换轴承、轴瓦或维修等措施。轴承振动高主要原因为机组处于喘振工况或轴承间隙过大，再者，机组不对中、转子不平衡也是其中原因之一。这种情况也是在机组维护保养、大修中，要有针对性的检查，保证机组运行工况良好、轴承间隙在标准范围内、机组对中良好、转子动平衡测试合格。2.3 外部环境方面 压缩机投产后，压缩机进口管线滤网损坏或拆除后，有异物进入压缩机转子内，造成压缩机振动跳变，转子叶片损坏。如发生此类情况，及时对压缩机转子中国科技期刊数据库 工业 A-160-叶片进行检查、对压缩机进口滤网进行检查。图 4 轴瓦表面聚合物 压气站周边如果有开发区或经济新区等正在建设的项目，会造成压气站尘土飞扬、空气质量比较差，进而会使变频器空冷风扇脏污，变频器换热效果较差，很容易造成变频器内部温度高高报导致停机。针对此种情况，不能单单依靠每半年冷却系统空冷风扇的清洗，还需要时刻关注变频器温度，如有异常及时对空冷风扇进行卫生清理，保证冷却效果。3 结束语 目前，离心式压缩机在天然气行业中应用广泛，之前清一色的进口离心式压缩机，后来情况有所改变，自从 2011 年“大国重器”沈鼓集团生产出 20 兆瓦国产电驱压缩机以后，就开始了一次又一次的重大突破，技术也越来越成熟，距离我们全面取代进口压缩机的时代已经指日可待，天然气长输管道压缩机最终全面实现国产化也势在必行，在进口机组与国产机组“共存”期间，就需要压缩机站场运行维护人员，利用长期的压缩机运行维护经历，总结经验、教训，多为国产压缩机持续改进提供建议，降低压缩机运行期间的故障率，因此，压缩机的运行、维护、维修工作非常重要，检维修不仅要在出现了故障之后，还应该在机器使用了较长时间后，对机器的各个部件进行定期的维护保养、预防性更换，及时发现可能的隐患，并排除它，把可能带来的损失降到最低。参考文献 1唐宇,石成江,吴华远.离心压缩机喘振原因分析与控制措施J.当代化工,2012(9).2刘文明.离心压缩机叶片扩压器诱发管道高频振动的原因及处理 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