楊金順（中國(guó)平煤神馬集團(tuán)開封東大化工有限公司，河南開封　475003）

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透平式壓縮機(jī)壓縮比異常現(xiàn)象及影響因素

楊金順
（中國(guó)平煤神馬集團(tuán)開封東大化工有限公司，河南開封475003）

摘要：通過透平式壓縮機(jī)壓縮比異?，F(xiàn)象，分析了影響壓縮比計(jì)算的因素并提出了綜合判斷壓縮比狀況的方法。

關(guān)鍵詞：透平；壓縮機(jī)；壓縮比；影響因素

在氯堿行業(yè)氯氣輸送設(shè)備中，透平式氯壓機(jī)因輸送能力大、效率高、能耗低而被廣泛應(yīng)用。但透平式壓縮機(jī)因高速轉(zhuǎn)子的可傾瓦軸承軸瓦及氣體密封件損壞而停運(yùn)維修的占絕大部分，綜其原因，多與發(fā)生振動(dòng)甚至喘振有關(guān)。

1　壓縮比異常的征兆

透平機(jī)的壓縮比是其進(jìn)排氣絕對(duì)壓力之比。在計(jì)算透平機(jī)壓縮比時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)壓縮比并不高，但又出現(xiàn)了喘振前兆甚至因振動(dòng)而損壞。影響壓縮比計(jì)算因素如下。

（1）主機(jī)振動(dòng)及噪聲增大。如出現(xiàn)明顯振動(dòng)且伴有周期性喘息狀異響，則是喘振發(fā)生，須立即采取措施，最快速有效的方法是迅速開啟小回流（即防喘裝置），然后再調(diào)整進(jìn)氣閥門或協(xié)調(diào)其他工段以改善透平機(jī)的運(yùn)行狀況。其主要目的是降低壓縮比以增加流量，即使未發(fā)生喘振，但主機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)及噪聲，也多與壓縮比過高有關(guān)，處置方法是適當(dāng)提高進(jìn)氣壓力或降低排氣壓力。

（2）高速軸振幅增大。如出現(xiàn)喘振前兆，其表現(xiàn)往往是高速軸振幅增加，當(dāng)壓縮比偏大但并不十分接近喘振流量對(duì)應(yīng)的壓縮比時(shí)，其振幅增加往往是漸進(jìn)性的，只要查看DCS歷史趨勢(shì)曲線即可發(fā)現(xiàn)。這是因?yàn)楫?dāng)高速軸受到的振動(dòng)力增加時(shí)，其軸承磨損會(huì)增加，軸承間隙隨之增大，油膜剛度、強(qiáng)度下降，軸承對(duì)軸的約束力削弱，軸的振幅就會(huì)增大，且隨磨損的增大，振幅增大的速度加快。

（3）高速軸瓦、氣封、葉輪及端封磨損加快。根據(jù)軸功率傳遞及軸承受力分析，對(duì)兩級(jí)壓縮的透平機(jī)而言，當(dāng)壓縮比偏高時(shí)，二級(jí)側(cè)各件易發(fā)生磨損。反之，如壓縮比偏低時(shí)，一級(jí)側(cè)各件易發(fā)生磨損。

（4）軸瓦溫升增大。當(dāng)供油壓力穩(wěn)定時(shí)，其對(duì)各摩擦副的供油量也應(yīng)是穩(wěn)定的。如果壓縮比異常，則軸承摩擦加劇，摩擦功耗增大，軸瓦的溫升就會(huì)增加。

（5）供油與油箱溫差增加。因排油溫度沒有測(cè)量設(shè)置，只能通過油箱油溫間接顯示。如上同理，當(dāng)壓縮比異常而軸承摩擦加劇時(shí)，油箱溫度會(huì)隨回油溫度的升高而升高，而供油是經(jīng)油冷卻器冷卻的，在冷卻水溫度基本不變的情況下，供油溫度相對(duì)穩(wěn)定，或變化較小且變化相對(duì)滯后，結(jié)果是供油與油箱溫差就會(huì)增加。

（6）電流異常。電流偏低兆示壓縮比偏高；電流偏高，意味著壓縮比偏低。

2　影響透平機(jī)壓縮比計(jì)算的因素

2.1海拔高度的影響

由于透平機(jī)供應(yīng)廠家均處低海拔地區(qū)，已習(xí)慣于直接以表壓數(shù)據(jù)加上標(biāo)準(zhǔn)大氣壓作為絕對(duì)壓力用于計(jì)算壓縮比，這種方法對(duì)于低海拔地區(qū)且透平機(jī)運(yùn)行壓縮比較設(shè)計(jì)接近時(shí)，其誤差并不大。但對(duì)于海拔較高地區(qū)，此方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相去甚遠(yuǎn)。如甘肅某氯堿企業(yè)，其氯氣透平機(jī)訂貨參數(shù)：進(jìn)氣為0.100 5 MPa（G），排氣為0.3 MPa（A），壓縮比約為4。多次反映運(yùn)行情況不好，其反饋信息為進(jìn)氣-10 kPa （G），排氣220 kPa（G），按低海拔地區(qū)習(xí)慣算法壓縮比約為（220+100/（-10+100）=3.56，壓縮比并不高。應(yīng)該公司要求，陽(yáng)光集團(tuán)派技術(shù)人員去現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助排查原因。當(dāng)問及當(dāng)?shù)卮髿鈮簳r(shí)，回答是82.5 kPa（A）。再查當(dāng)?shù)馗叱碳按髿鈮簳r(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)睾０螢? 650 m，應(yīng)為82 kPa（A）左右。計(jì)算透平機(jī)運(yùn)行壓縮比為：（220+82）/（-10+82）=4.2。查看該企業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，有不少時(shí)段壓縮比超過設(shè)計(jì)值。再考慮之前其反映電流不足250 A，而配備200 kW電機(jī)的其他機(jī)組電流多在300 A以上，且有低于290 A就無法運(yùn)行的先例。進(jìn)一步證實(shí)該機(jī)組是由于忽略了海拔高程對(duì)大氣壓的影響，從而使壓縮比計(jì)算偏差所致。該企業(yè)在陽(yáng)光集團(tuán)技術(shù)人員指導(dǎo)下調(diào)整了壓縮比后運(yùn)行情況良好。

此事例提示地處海拔較高的地區(qū)，特別是地處青藏、云貴、黃土、內(nèi)蒙古等高原的企業(yè)在根據(jù)表壓數(shù)據(jù)計(jì)算壓縮比時(shí)尤其要注意當(dāng)?shù)卮髿鈮旱挠绊憽?/p>

2.2氣體雜質(zhì)使進(jìn)口堵塞

氣體雜質(zhì)使葉輪堵塞能夠引起透平式壓縮機(jī)高速轉(zhuǎn)子振動(dòng)、磨損，對(duì)這一點(diǎn)一般不會(huì)質(zhì)疑，但對(duì)由于進(jìn)氣口堵塞而影響運(yùn)行壓縮比這一點(diǎn)往往會(huì)被忽略。尤其是進(jìn)氣濾網(wǎng)堵塞，因其設(shè)置在進(jìn)氣測(cè)壓點(diǎn)之后，其產(chǎn)生的壓力降不可能被測(cè)到，從而被忽視。

福建某企業(yè)的氯氣透平機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后，反映設(shè)備數(shù)次出現(xiàn)軸振偏高的現(xiàn)象，沒有明顯的頻度規(guī)律。維修人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查，沒有發(fā)現(xiàn)明顯異常。調(diào)取數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)機(jī)組壓縮比2.5左右，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。一級(jí)進(jìn)排氣壓力基本正常，而二級(jí)進(jìn)排氣壓力差別不大，壓縮比約為1.2左右，明顯低于2左右的設(shè)計(jì)值。再查看運(yùn)行電流發(fā)現(xiàn)明顯偏低，一般判斷應(yīng)存在壓縮比偏高，這明顯與壓縮比偏低的數(shù)據(jù)不符。經(jīng)分析，如果二級(jí)進(jìn)氣口堵塞導(dǎo)致二級(jí)實(shí)際進(jìn)口壓力偏低，從而使二級(jí)實(shí)際運(yùn)行壓縮比偏高導(dǎo)致振動(dòng)的可能性很大。雙方隨后共同打開檢查，發(fā)現(xiàn)二級(jí)進(jìn)氣濾網(wǎng)嚴(yán)重堵塞，在清除濾網(wǎng)積垢后故障排除。

2.3測(cè)壓點(diǎn)位置的影響

測(cè)壓點(diǎn)的位置應(yīng)是距離進(jìn)出口越近其偏差愈小。但往往由于顧及操作習(xí)慣、觀察方便、投資等原因，測(cè)壓點(diǎn)安裝位置往往距進(jìn)出口較遠(yuǎn)，甚至隔著閥門和設(shè)備，這就可能影響到壓縮比計(jì)算的偏差過大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起判斷失誤。

2.3.1進(jìn)氣測(cè)壓點(diǎn)裝在進(jìn)氣閥門之前

測(cè)壓點(diǎn)安裝在入口閥前，如此閥為截止閥等阻力較大的閥，其影響較大，如用的是蝶閥等阻力較小的閥，其影響會(huì)小些。具體影響程度與閥門開度有關(guān)，隨閥門開度減小而增大，隨閥門開度增大而減小。

這種情況如進(jìn)氣管道同時(shí)裝有進(jìn)氣閥和止回閥，測(cè)壓點(diǎn)裝在這些閥前，其測(cè)量值與進(jìn)口實(shí)際壓力值偏差更大。

在這種情況下，往往幾臺(tái)并聯(lián)的透平壓縮機(jī)，具有十分相近的進(jìn)口壓力值。完全忽略了各臺(tái)設(shè)備的個(gè)性問題。在閥門處于調(diào)節(jié)狀態(tài)下時(shí)，由于忽略了閥的阻力，使得設(shè)備運(yùn)行壓縮比值與實(shí)際情況發(fā)生出入，甚至在喘振已經(jīng)發(fā)生或出現(xiàn)嚴(yán)重的喘振前兆時(shí)不能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，貽誤處置時(shí)機(jī)導(dǎo)致設(shè)備損壞。

這種情況不乏其例，較典型的是山東某企業(yè)，在2012年10月至2014年5月，3臺(tái)設(shè)備反復(fù)損壞，周期甚至短達(dá)3～5天，3臺(tái)設(shè)備輪番檢修，損失慘重。直至此問題被發(fā)現(xiàn)，調(diào)整了操作壓力后問題才得以解決。

2.3.2排氣測(cè)壓點(diǎn)裝在換熱器之后

這種情況遠(yuǎn)較測(cè)壓點(diǎn)裝在入口閥之前普遍。

在設(shè)計(jì)時(shí)，一般將換熱器阻力估計(jì)為0.01 MPa，即1米水柱。實(shí)際運(yùn)行中，其進(jìn)出口壓力差多為6～8 kPa，很少有5 kPa以下的。此阻力如果是在設(shè)備運(yùn)行工況且在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近，其影響或許不大，但當(dāng)運(yùn)行工況接近喘振工況，即運(yùn)行壓縮比高于設(shè)計(jì)值時(shí)，則影響很大。對(duì)氯壓機(jī)來說，預(yù)計(jì)喘振流量下的壓縮比較設(shè)計(jì)壓縮比僅高10%左右。也就是說，在大多數(shù)進(jìn)氣壓力設(shè)計(jì)為0.09 kPa，排氣壓力設(shè)計(jì)在0.30～0.40 kPa，其緩沖余量也就是0.030～0.040 kPa、6～8 kPa的影響很大的。如個(gè)別企業(yè)將測(cè)壓點(diǎn)裝在換熱器排氣閥門之后，其影響就更大了。

2.4設(shè)備磨損的影響

很多用戶在設(shè)備發(fā)生故障，維修后再開機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行狀況不如以前，其實(shí)問題可能由以下原因造成。

2.4.1維修的性質(zhì)大多數(shù)是恢復(fù)性的

設(shè)備正常維修周期內(nèi)的故障概率曲線是著名的浴盆曲線，周期剛開始時(shí)，是故障高發(fā)期，隨著設(shè)備的磨合，故障率迅速下降，隨后是穩(wěn)定的緩慢上升的時(shí)期，但隨著設(shè)備磨損增加至某一程度，故障率又快速上升，當(dāng)故障率到了不可接受的程度，就必須投入維修。

設(shè)備的檢修一般是恢復(fù)性的，只能使設(shè)備性能恢復(fù)到新設(shè)備的某種程度，不可能完全達(dá)到新設(shè)備的性能，除非進(jìn)行改良性改造才能使設(shè)備性能完全恢復(fù)甚至提高。

整個(gè)設(shè)備壽命周期的故障曲線是維修周期逐漸縮短，故障率逐步上升的一連串的浴盆曲線，當(dāng)維修投入過高，維修周期不可接受時(shí)，就要更新設(shè)備，見圖1。

圖1　設(shè)備壽命周期故障率

該曲線決定了設(shè)備性能是逐漸下降的，維修周期是逐漸縮短的，單位時(shí)間內(nèi)維修投入是逐漸升高的。

2.4.2壓縮比異常引發(fā)的設(shè)備性能下降是不可逆的

壓縮比異常，尤其是壓縮比過高引起的振動(dòng)，當(dāng)高速轉(zhuǎn)子零件的振幅超過了與其相鄰的零件之間的配合間隙，就會(huì)發(fā)生磨損甚至刮削，使間隙進(jìn)一步擴(kuò)大。比如葉輪與端封或口環(huán)磨損，設(shè)備內(nèi)泄漏就會(huì)增加，效率就會(huì)下降，功耗就會(huì)增大。同時(shí)，葉輪升高壓力的能力下降。密封部件的磨損會(huì)使密封氣耗量增大，密封性能下降。軸瓦的磨損會(huì)使軸承的支承能力下降，軸瓦的冷卻效果降低，對(duì)軸徑的約束能力下降，從而使振幅增加。

壓縮比大到可以喘振時(shí)，透平機(jī)可在短時(shí)間內(nèi)損壞甚至報(bào)廢，更不用說性能不如以前了。經(jīng)驗(yàn)表明，壓縮比過高時(shí)，對(duì)于兩級(jí)壓縮的透平機(jī)，二級(jí)出問題的概率較高。

壓縮比過低，流量隨之增大，設(shè)備內(nèi)部阻力隨氣體流速的平方而增加。當(dāng)氣體流量達(dá)到某一量時(shí)，設(shè)備內(nèi)某處氣流可能接近或達(dá)到聲速，此時(shí)阻力迅速上升，流量不再增加，功耗卻明顯增加，設(shè)備同樣會(huì)發(fā)生振動(dòng)甚至損壞，引起設(shè)備性能不可逆的降低，這就是所謂的透平機(jī)運(yùn)行阻塞區(qū)。壓縮比過低還會(huì)引起各級(jí)壓縮比分配不合理，對(duì)于兩級(jí)壓縮的透平機(jī)來說，往往表現(xiàn)為一級(jí)壓縮比相對(duì)偏高，軸功率負(fù)擔(dān)偏重，故一級(jí)容易發(fā)生問題。

設(shè)備發(fā)生故障后，由于備機(jī)或費(fèi)用的原因，用戶大多不愿整機(jī)返修，而在現(xiàn)場(chǎng)維修無法進(jìn)行必要的配修或跑合，其修后性能恢復(fù)程度要差一些，有時(shí)甚至差很多。故苛求維修后的性能與維修前相同是不合理的。

2.5介質(zhì)密度對(duì)壓縮比的影響

離心式壓縮機(jī)壓縮氣體的能力實(shí)質(zhì)上是由氣體的密度所決定的，即離心式壓縮機(jī)升高氣體壓力的能力與氣體的密度成正比。

氯氣透平機(jī)輸送的介質(zhì)是氯氣，各企業(yè)由于裝置設(shè)計(jì)及安裝檢漏不同致使氯氣的純度、壓力、溫度各不相同，介質(zhì)的密度也不相同。

有些用戶訂貨時(shí)要求氯氣的純度較高，甚至以電解槽出槽設(shè)計(jì)純度要求，而在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于氯氣系統(tǒng)密封不良，導(dǎo)致空氣混入純度降低，不僅因體積增加而使氯壓機(jī)適應(yīng)燒堿生產(chǎn)的能力下降，更重要的是使氯氣透平機(jī)對(duì)氣體壓縮的能力下降。有些用戶所提進(jìn)氣壓力較高，有時(shí)甚至是正壓進(jìn)氣，而在實(shí)際運(yùn)行中，進(jìn)氣為負(fù)壓，甚至達(dá)-20 kPa，致使運(yùn)行壓縮比遠(yuǎn)高于合同要求，從而使設(shè)備輸送能力及排氣壓力無法滿足生產(chǎn)需要，此時(shí)，如果不想投資改造，要么盡量滿足設(shè)計(jì)運(yùn)行條件，要么適當(dāng)降低運(yùn)行要求。

影響氯氣密度的另一因素是，剛開車時(shí)電解槽排出氯氣純度較低，氯氣輸送管道中存有較多低分子量氣體，此時(shí)，應(yīng)先將低純度氯氣送往次氯酸鈉工段或其他可消耗此氯氣的工段，待純度上來后再投入透平式氯壓機(jī)運(yùn)行。

3　結(jié)語

用壓縮比判斷透平式壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況較以流量判斷現(xiàn)實(shí)而方便。但是，在以壓縮比來判斷設(shè)備運(yùn)行狀況時(shí)，必須綜合考慮設(shè)備所處位置的海拔高程、介質(zhì)密度、設(shè)備技術(shù)狀況，尤其要結(jié)合設(shè)備運(yùn)行電流來做綜合判斷。否則，將可能被假象所迷惑。如果經(jīng)計(jì)算設(shè)備壓縮比不高，甚至偏低，電流同時(shí)偏低的情況下，則可能設(shè)備進(jìn)口不暢，或者存在其他導(dǎo)致壓縮比失真的情況。如果壓縮比偏低，電流偏高，則說明流量偏大，應(yīng)適當(dāng)調(diào)高壓縮比，一般應(yīng)調(diào)小進(jìn)氣閥開度。如果運(yùn)行壓縮比偏高，電流偏低，則說明流量偏小，可適當(dāng)調(diào)大進(jìn)氣閥門開度。

Compression ratio anomaly and influencing factors of turbo compressor

YANG Jin-shun
（China Pingmei Shenma Group Kaifeng Dongda Chemical Co.，Ltd.，Kaifeng 475003，China）

Abstract：Through the turbine compressor compression ratio anomaly，The influence factors of compression ratio calculation was analyzed，and The Judgment method of compression ratio were put forward.

Key words：turbine；compressor；compression ratio；influence factor

中圖分類號(hào)：TQ051.21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-1785（2016）02-0031-03

收稿日期：2015-07-28