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多軸離心式空壓機(jī)放空閥突然打開的原因分析及防范措施

文檔作者：邵士銘，張錫德，辜興春文檔來源：中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年08月29日
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上一篇：鉆井設(shè)備機(jī)械故障分析及處理對策

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Apr．2012
· 34 ·
化肥設(shè)計(jì)
Chemical Fertilizer Design
第5O卷第2期
2012年4月
多軸離心式空壓機(jī)放空閥突然打開
的原因分析及防范措施
邵士銘，張錫德，辜興春
(中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田石化分公司，新疆庫爾勒841000)
摘要：中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田石化分公司45萬t／a合成氨裝置的工藝空氣壓縮機(jī)采用德國
Atlas Copco公司的多軸離心式壓縮機(jī)。簡述了該壓縮機(jī)的工藝流程和控制原理；分析了該壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)放空閥突
然打開并導(dǎo)致二段爐斷空氣的事故原因；提出了調(diào)整操作指標(biāo)和改進(jìn)操作方法的防范措施。結(jié)果表明，當(dāng)合成氨
裝置的負(fù)荷由100％減至70％ 時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行新的操作規(guī)定，未發(fā)生壓縮機(jī)放空閥打開的事故。
關(guān)鍵詞：合成氨裝置；多軸式空氣壓縮機(jī)；放空閥斷開；原因分析；防范措施；操作
中圖分類號：TQ051．5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1004—8901(2012)02—0034—04
Cause Analysis and Preventive M easures for Suddenly Opening Blow
of Valve of M ulti-Shaft Centrifugal Air Compressor
SHA0 Shi—ruing，ZHANG Xi-de，GU Xing-chun
(Talimu Oil Field Petro-chemical Sub—company，China Petroleum and Natural Gas Stock Company Ltd．，Kuerle Xi@ang 841000 China)
Abstract：Multi—shaft centrifugal compressor made by Germany Atlas Copso Company has been used as process air compressor in ammonia synthesis
plant with a capacity of450，000 t／a in Talimu Oil Field Petro-chemical Sub-company，China Petroleum and Natural Gas Stock Company Ltd．，author has
briefly described the process flow，and control principle for this compressor；has analyzed the re．on of accident that the blow of valve was suddenly
opened during running of this compressor and therefore induced to cut of the air flow of the secondary reformer；has presented the preventive measures to
adjust operating index and to impmve operating method．Result indicates while the load of ammonia synthesis plant is reduced from 100％ to 70％ ．if the
operating stipulation is strictly obeyed，no accident occurs due to opening the blow of vale of this compressor．
Key words：ammonia synthesis plant；multi-shaft air compressor；cutting blow of valve；analysis of reason；preventive measures；operation
中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田石
化分公司化肥項(xiàng)目的設(shè)計(jì)規(guī)模為年產(chǎn)45萬t合成
氨／80萬t尿素。合成氨裝置采用丹麥的TOPS~bE
工藝。合成氨工藝空氣壓縮機(jī)選用德國Atlas Copco
公司的多軸離心式壓縮機(jī)，其驅(qū)動設(shè)備為杭汽生產(chǎn)
的中壓注汽凝汽式透平。該項(xiàng)目于2010年5月投
入正常生產(chǎn)，2011年1月5日凌晨6點(diǎn)59分壓縮
機(jī)一段、二段放空閥突然打開，造成二段爐斷空氣，
除了一段爐及脫碳系統(tǒng)以外，其他所有工段停車。
對此，筆者簡要分析事故發(fā)生的原因，并對相應(yīng)的
防范措施和效果進(jìn)行總結(jié)。
多軸式空氣壓縮機(jī)簡介
1．1 工藝描述
空氣壓縮機(jī)用于合成氨裝置，壓縮機(jī)帶增速齒
輪箱，由蒸汽透平驅(qū)動，中間齒輪箱安裝在壓縮機(jī)
齒輪箱和透平之間，用來降低輸入到壓縮機(jī)齒輪箱
的轉(zhuǎn)速。壓縮機(jī)由兩段組成，一段為4級壓縮，二
段為2級壓縮，水冷器分別安裝在1、2、3及4級出
口。壓縮機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，來自過濾器的大氣空氣
58 820 m ／h為0．088 MPa(絕)、35℃ ，在4級出FI
被壓縮到1．42 MPa(絕)，然后被冷卻到34．5℃ ，
其中一部分被抽出作為儀表空氣和尿素防腐空氣
之用，另一部分進(jìn)入壓縮機(jī)的二段。在正常運(yùn)行
時(shí)，從一段來的空氣53 840 m ／h為1．42 MPa(絕)、
34．5℃ ，被二段壓縮至3．82 MPa(絕)、167 oC進(jìn)入
二段爐進(jìn)行燃燒。
1．2 壓縮機(jī)控制描述
壓縮機(jī)的流量及壓力由IGV(人口導(dǎo)葉)控制，
重大項(xiàng)目：中國石油天然氣股份有限公司重大化肥項(xiàng)目。
作者簡介：邵士銘(1979年一)，男，湖北嘉魚人，2005年畢業(yè)于新疆
大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程專業(yè)，碩士，工程師，從事化肥裝置的生
產(chǎn)技術(shù)管理工作。
萬方數(shù)據(jù)
第2期 邵士銘等 多軸離心式空壓機(jī)放空閥突然打開的原因分析及防范措施 ·35·
打開IGV，壓縮機(jī)流量及下游壓力增加，關(guān)閉IGV
則反之。在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，離心壓縮機(jī)要求有最小
容積流量，只要壓縮機(jī)流量低于該最小的容積流
量，葉輪內(nèi)的流量就會停滯，發(fā)生喘振，對機(jī)械部
件造成很大的應(yīng)力，因此應(yīng)該避免該現(xiàn)象的發(fā)生，
在壓縮機(jī)達(dá)到最小流量前放空閥打開。為了確保
壓縮機(jī)遠(yuǎn)離喘振線，在DCS中安裝了防喘振控制
系統(tǒng)，在壓縮機(jī)進(jìn)入喘振之前，由其控制打開防喘
振閥。
(1)為確保壓縮機(jī)穩(wěn)定操作，甚至在減小流量
的情況下正常運(yùn)行，壓縮機(jī)配備了放空閥，該閥門
用來彌補(bǔ)當(dāng)前和最小容積流量的差額。放空閥通
過喘振控制器進(jìn)行控制。穩(wěn)定和不穩(wěn)定運(yùn)行的分
界線稱作喘振線，其喘振線取決于多種因素，如溫
度、壓力等。對喘振線要留一定的安全余量，這條
安全線稱為放空線，其與喘振線平行，其安全余量
是設(shè)計(jì)流量的8％ ，以確保壓縮機(jī)穩(wěn)定、安全運(yùn)行。
壓縮機(jī)的喘振控制線見圖1。
口
丑
喘振安全余量
圖1 壓縮機(jī)的喘振控制線
(2)防喘振閥和導(dǎo)葉(IGV)。壓縮機(jī)的流量
(0％ ～100％)是由防喘振閥和導(dǎo)葉控制的，一段流
量的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)范圍僅為額定流量的30％ ，也就是
說，通過導(dǎo)葉調(diào)整可使額定流量從100％ 減少到
70％ ，如果流量需減到70％ 以下時(shí)，只能通過一段
放空閥來進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)裝置需求量大于70％ 時(shí)放
空閥將完全關(guān)閉；當(dāng)一段放空閥關(guān)閉時(shí)，一段導(dǎo)葉
將開始從最小操作位置(大約一55。)打開。
二段流量導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)范圍僅為額定流量的
38％ ，也就是說，通過導(dǎo)葉調(diào)整可使額定流量從
100％減少到62％ ，如果流量減到62％ 以下時(shí)，只能
通過二段放空閥來進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)裝置需求量大于
62％時(shí)放空閥將完全關(guān)閉；當(dāng)二段放空閥關(guān)閉時(shí)，
二段導(dǎo)葉將開始從最小操作位置(大約一60。)
打開。
(3)通過導(dǎo)葉(IGV)對壓縮機(jī)的流量進(jìn)行控
制。對于一段流量，由1級人口的可調(diào)式導(dǎo)葉來控
制其流量，導(dǎo)葉的位置角度由氣動執(zhí)行器來調(diào)節(jié)，
其位置角度范圍為一55?！?+20。，相當(dāng)于開度為
0％ ～100％ 。
對于二段流量，由5級人口的可調(diào)式導(dǎo)葉來控
制其流量，導(dǎo)葉的位置角度由氣動執(zhí)行器來調(diào)節(jié)，
其位置角度范圍為一60。～+20。相當(dāng)于開度為0％
一100％ 。
(4)一段控制原理。控制器01FIC4201必須設(shè)
置在自動模式，其任務(wù)是防止壓縮機(jī)喘振，同時(shí)在
極端的條件下打開放空閥01 FV4204，一段喘振流量
的設(shè)定值為3 450 m ／h，其包括實(shí)際喘振流量加安
全余量。當(dāng)壓縮機(jī)的一段測定流量大于設(shè)定值，一
段放空閥關(guān)閉；當(dāng)小于設(shè)定值一段放空閥打開，電
信號4 mA對應(yīng)的放空閥的開度為100％ ，20 mA對
應(yīng)的開度為0％ 。
二段喘振流量的設(shè)定值為1 750 m。／h，二段控
制原理與一段相同。
(5)一段出口壓力控制器01PIC4207是一個(gè)限
定安全控制器，由DCS進(jìn)行控制，運(yùn)行時(shí)應(yīng)放置自
動模式，其作用是防止一段出口壓力超過最大的允
許值1．5 MPa。在極端操作條件下，當(dāng)其壓力超過
1．5 MPa時(shí)，一段、二段放空閥會瞬間全開，當(dāng)小于
該值時(shí)關(guān)閉(經(jīng)模擬試驗(yàn)，當(dāng)壓力大于1．5 MPa時(shí)
在2 S內(nèi)放空閥全開)。
二段出口壓力的最大允許值4．2 MPa，其控制
原理與一段相同。
(6)當(dāng)透平轉(zhuǎn)速在4 981 r／min(正常轉(zhuǎn)速5 860
r／mim的85％)以下時(shí)，一段導(dǎo)葉處于最小位置
(一70。)，二段導(dǎo)葉處于(一75。)。當(dāng)轉(zhuǎn)速升至
4 981 r／min時(shí)，一段導(dǎo)葉調(diào)至最小操作位置(～55。)，
二段導(dǎo)葉調(diào)至(一60。)。
當(dāng)透平轉(zhuǎn)速升至最小轉(zhuǎn)速5 743 r／min以上時(shí)
(大約為正常轉(zhuǎn)速的98％)，在全自動模式下，可對
壓縮機(jī)進(jìn)行加載，在IGV畫面上逐步增加一段、二
段出口壓力的設(shè)定值，放空閥逐漸關(guān)閉，當(dāng)全關(guān)后，
入口導(dǎo)葉才逐步打開，完成加載。需卸載時(shí)，減小
一段、二段出口壓力的設(shè)定值，導(dǎo)葉逐步關(guān)閉，當(dāng)完
全關(guān)閉后，放空閥才開始逐步打開，完成卸載。
當(dāng)透平的轉(zhuǎn)速降至5 743 r／rain以下時(shí)，電磁閥
失電，一段、二段放空閥瞬間全開，導(dǎo)葉瞬間全關(guān)。
(7)當(dāng)壓縮機(jī)流量進(jìn)入喘振線以內(nèi)時(shí)，就會被
記錄1次，當(dāng)防喘振的次數(shù)達(dá)到廠商設(shè)定的極限喘
振次數(shù)時(shí)(在一定時(shí)間內(nèi))，壓縮機(jī)報(bào)警，超過后，
DES發(fā)出指令機(jī)組跳車。
(8)一段功率極限控制器是一個(gè)安全控制
萬方數(shù)據(jù)
· 36· 化肥設(shè)計(jì) 2012年第5O卷
器，在極端的操作條件下才能被觸發(fā)，其作用是
保證壓縮機(jī)一段、二段功率在最大允許值內(nèi)運(yùn)
行。當(dāng)壓縮機(jī)一段功率大于允許值8 965 kW，二
段功率大于3 465 kW 時(shí)，功率控制器將發(fā)出指
令使導(dǎo)葉關(guān)閉。
2 一段、二段放空閥突然打開原因分析
2．1 放空閥打開的理論原因
制系統(tǒng)的描述得知，造成壓縮機(jī)放空閥突然打開的
原因一般有2種情況。
(1)當(dāng)透平的轉(zhuǎn)速降至5 743 r／min以下時(shí)，電
磁閥失電，一段、二段放空閥瞬間全開。
(2)當(dāng)壓縮機(jī)一段出口壓力超過1．5 MPa或二
段出口壓力超過4．2 MPa時(shí)，一段、二段放空閥會瞬
間全開。
2．2 放空閥打開的原因推斷
通過對Atlas Copco公司多軸離心式壓縮機(jī)控 201 1年1月5日壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況見表1。
表1 壓縮機(jī)運(yùn)行狀況
由表1可見，透平的轉(zhuǎn)速p01SE4271在放空閥
打開前幾乎沒有變化，其轉(zhuǎn)速基本保持在5 904
r／min左右，遠(yuǎn)大于5 743 r／rain，所以轉(zhuǎn)速不是導(dǎo)致
～ 段、二段放空閥打開的原因。進(jìn)一步分析表明：
(1)2011—01—05T6：46：54時(shí)，一、二段導(dǎo)葉開
始逐漸關(guān)閉，06：58：51時(shí)一段導(dǎo)葉開度控制信號
yO1ZC420值已為0，而一段導(dǎo)葉的實(shí)際開度
a01ZT4201為24．305％(Atlas Copco公司設(shè)定值)，
緊接著07：00：24時(shí)二段導(dǎo)葉控制信號yOlZC4204
值為0，而二段導(dǎo)葉的實(shí)際開度a01ZT4202為
11．034％(Atlas Copco公司設(shè)定值)，說明此時(shí)DCS
已認(rèn)定一段、二段導(dǎo)葉已完全關(guān)閉。
(2)06：59：49時(shí)，DCS發(fā)出指令打開一段放空閥，
到Cr7：02：48時(shí)一段放空閥a01ZT4204才突然全開，緊
接著cr7：02：58時(shí)二段放空閥a01ZT4203突然全開。
(3)正常操作時(shí)一段出口壓力a01PT4207為
1．451 MPa，二段出口壓力a01PT4206為3．861 MPa，
說明當(dāng)時(shí)操作時(shí)一段、二段出口壓力的設(shè)定值同上。
(4)通過空氣壓縮機(jī)出口閥FV2011開度的歷
史曲線，發(fā)現(xiàn)在06：25：22時(shí)空壓機(jī)出口閥門的開度
為6O．30％ ，而07：01：22時(shí)閥門的開度為41．00％ ，
查裝置的原料氣變化情況，可確定該階段裝置負(fù)荷
有較大的變化。
通過上述分析，筆者做出如下推斷。
(1)當(dāng)裝置負(fù)荷變化后，為防止二段爐超溫，操
作人員通過關(guān)小壓縮機(jī)出口閥FV201 1來減少二段
爐的空氣供應(yīng)量。關(guān)小出口閥會造成一段、二段出
口壓力上升，因一段、二段出口壓力的限定值分別
為1．451 MPa和3．861 MPa，壓縮機(jī)會自動通過關(guān)
小導(dǎo)葉來穩(wěn)定其壓力。
(2)當(dāng)DCS輸出的控制導(dǎo)葉開度信號，即導(dǎo)葉開
度值為0時(shí)，操作人員仍然在關(guān)小出口閥，這時(shí)通過
導(dǎo)葉控制壓力的手段已用完，壓縮機(jī)一段出口壓力很
快超過1．451 MPa并直逼1．5 MPa，06：59時(shí)壓力達(dá)
到1．5 MPa，DCS發(fā)出指令一段放空閥打開，但此時(shí)
放空閥并沒有打開，07：02時(shí)一段放空閥突然打開，
萬方數(shù)據(jù)
第2期 邵士銘等多軸離心式空壓機(jī)放空閥突然打開的原因分析及防范措施 ·37·
緊接著二段放空閥打開，二段爐斷空氣，裝置停車。
(3)因二段出口壓力設(shè)定值為3．872 MPa，與4．3
MPa相距甚遠(yuǎn)，所以放空閥打開是由一段造成的。
(4)放空閥實(shí)際打開與DCS發(fā)出指令相比推遲
了2分59秒，其原因可能是放空閥被卡，估計(jì)是放
空閥管內(nèi)結(jié)冰(當(dāng)時(shí)環(huán)境溫度在一l8℃ 以下)或另
有其他情況。
2．3 放空閥打開原因的分析結(jié)果
導(dǎo)致壓縮 閥打開和二段爐斷空氣的原因如下。
(1)在壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)，操作人員過高設(shè)定了一
段出口壓力值1．451 MPa，使其接近壓力限定值1．5
MPa，正常情況為1．32 MPa。
(2)操作人員采用了不適當(dāng)?shù)姆绞?，即通過關(guān)
小壓縮機(jī)出口閥FV2011(開度60％ ～41％)來減少
裝置的空氣量。
3 防范措施
為防止此類事故再次發(fā)生，對各項(xiàng)實(shí)際操作數(shù)
據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)當(dāng)一段出口壓力小于1．4 MPa
時(shí)，會使得二段壓比過大，往往造成二段功率超標(biāo)，
>3 465 kW，機(jī)組報(bào)警。征得Atlas Copco公司同意
后提出了新的操作要求：
(1)嚴(yán)格壓縮機(jī)的操作指標(biāo)，要求壓縮機(jī)一段
出口壓力嚴(yán)格控制在1．4 MPa以下，二段出口壓力
從3．72 MPa調(diào)整到3．9 MPa。
(2)不允許通過壓縮機(jī)出口閥FV2011來減少空
氣供給量，而是通過壓縮機(jī)減量，即保證壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速
恒定，通過壓縮機(jī)的導(dǎo)葉和放空閥進(jìn)行卸載。操作人
員改變一段、二段出口壓力的設(shè)定值，壓縮機(jī)先自動
逐步關(guān)閉一段、二段導(dǎo)葉，當(dāng)導(dǎo)葉完全關(guān)閉后，放空閥
再開始逐步打開，完成卸載，這樣即安全又節(jié)能。
4 運(yùn)行效果
201 1年1月21日，因尿素裝置負(fù)荷較低，要
求合成氨裝置的負(fù)荷從100％減至70％ 。操作人
員嚴(yán)格按上述操作規(guī)定對空氣進(jìn)行減量，逐步改
變一段、二段出口壓力的設(shè)定值，使裝置的空氣量
從58 582 1TI ／h下降至41 010 ITI ／h，順利完成了減
負(fù)荷，未發(fā)生壓縮機(jī)一段、二段放空閥打開以及裝
置斷空氣的重大事故。壓縮機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。
其后，合成裝置又多次進(jìn)行減負(fù)荷，均采用上述方
法減空氣量，均未發(fā)生壓縮機(jī)一、二段放空閥打開
的事故，實(shí)踐證明上述防范措施是安全可靠的。
表2 壓縮機(jī)運(yùn)行有關(guān)數(shù)據(jù)
5 結(jié)語
(I)通過對空氣壓縮機(jī)放空閥打開、二段爐斷
空氣的原因分析，找出了事故原因，并采取了相應(yīng)
的防范措施，避免了此類問題的再次發(fā)生。
(2)由于多軸式壓縮機(jī)的控制很復(fù)雜，引起壓
縮機(jī)停機(jī)、放空閥突然打開或逐步打開的原因較
多，故在分析、查找問題時(shí)，要認(rèn)真消化廠商資料，
并要結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，對可能引起問題的原因逐項(xiàng)仔
細(xì)排查，才能真正找到事故的根源，并防患于未然。
收稿日期：2011--03—10
(上接第33頁)
表1 還原態(tài)氨合成催化劑使用效果比較
序號 隋況
1全部氧化態(tài)催化劑
2 20％還原態(tài)催化劑+80％氧化態(tài)催化劑
3 50％(預(yù))還原催化劑+50％氧化態(tài)催化劑
4 全部還原態(tài)催化劑
100．0 ≥10 大量
160．0 5—6 中等
250．0 3—4 少量
400．0 1—2 沒有
(2)由表1可知，雖然還原態(tài)氨合成催化劑單
位質(zhì)量的價(jià)格是氧化態(tài)催化劑的3～4倍，使催化劑
一次性投資費(fèi)用增加，但無論是部分使用或是全部
使用還原態(tài)催化劑，均可縮短還原時(shí)間1／2或更
多。1個(gè)1 000 t／a氨的合成氨廠，與全部使用氧化
態(tài)催化劑相比，其凈效益相當(dāng)于1 000～4 000 t氨的
價(jià)值。采用部分還原態(tài)催化劑(總量15％)對于低
壓(1O一13 MPa)合成的裝置是有利的，如果用于
中、高壓裝置則更加有利。
(3)目前，還原態(tài)催化劑的市場銷售量達(dá)到氨
合成催化劑總量的10％ ～15％ ，有些合成氨裝置
已全部使用還原態(tài)催化劑。生產(chǎn)應(yīng)用情況表明，
XA201一H一1型還原態(tài)催化劑，對合成氨裝置提
高催化劑還原質(zhì)量，縮短還原時(shí)間，減少原材料、
燃料和動力消耗等方面均具有顯著的技術(shù)意義和
經(jīng)濟(jì)意義。

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