动力空分压缩机并联研究

动力空分压缩机并联研究

吴午

中石油哈尔滨石化分公司 黑龙江 哈尔滨 150000

摘要：根据空分装置压缩机在并联运行的过程中，出现的机组喘振紧急停机的现象入手，分析关于压缩机在并联运行时可能出现的机组处理量不均等情况的原因及可能导致的对设备本体产生的影响。

中国石油哈尔滨石化公司空分空压装置共有4台空压机。其中空分装置K-J301/1#A、1#B空压机于2014年9月运行，机组排风经压缩热系统进行净化送入管网。机组厂家为阿特拉斯，科普柯。型号：ZH26000 6-8bar。电压：6KV功率：2500~2875KW（根据环境温度自调）。机组流量为350m³/min。K-J301/1#A、1#B机组，2014年安装时原设计出口流程共用一条管线送入压缩热系统，两台机组负荷不匹配，一台满负荷，一台低负荷。2016年大修出口流程进行改造，每台机组设计独立出口管线分别送入压缩热系统，两台机组负荷匹配较均匀。2019年深度热进料项目改造，两台机组出口分别配管线为催化提供非净化热风。

空压站流程图

2019年11月19日02:48时，动力车间空分装置内操监盘时发现空压机1#B电流波动从220跳变到275，通过调曲线发现出口压力和流量在同一时间也发生变化，由于电流19秒后恢复正常值，因此班长到现场检查时并未发现异常，内操继续观察，03:17电流发生第二次波动，1#B压缩机入口导叶大幅度摆动（40～90开度）和压缩机电流波动（219～273A），03：56第三次发生波动为避免1#B故障停机造成净化风管网波动对其他装置产生影响，与车间值班沟通后决定切机，04：16空压机3#机并网运行，04：26空压机1#B停机。经过事后调取机组运行记录，设备出现喘振报警。

离心机运行工况分析：对于离心式压缩机本体来说，运行时存在两个特殊的工况，其分别为喘振工况和阻塞工况。

离心式压缩机流道的几何尺寸及结构是根据设计工况确定的。当压缩机在设计工况下运行时，气体在流道中流动顺畅，与几何尺寸配合良好，气流方向和叶片的几何安装角相一致。这时压缩机各级工作协调、整机效率高。

当压缩机偏离设计工况运行时，效率、压缩比都有变化。当向大流量工况偏离时，效率、压缩比下降；当向小流量工况偏离时，效率下降在一定范围内压缩比生高。若偏离程度不严重，仍能维持稳定工作。一旦工况变化较大，这时由于流道中气体流动情况恶化，将导致压缩机性能大大降低甚至不能正常工作。

喘振工况和阻塞工况就是在偏离达到极限时的两个特殊工况。

喘振所造成的后果常常是很严重，它会使压缩机转子和静子经受交变应力作用而断裂；使级间压力失常而引起强烈振动，导致密封及推力轴承损坏；使运动元件和静止元件相碰，造成严重事故。

从分析可知，喘振的发生首先是由于变工况时压缩机叶轮中的气动参数和几何参数不协调，形成旋转失速，造成严重脱离。但并不是旋转失速都一定会导致喘振的发生，喘振还与管网系统有关。所以说喘振的发生有两方面的因素：从内部来说，它取决于离心式压缩机在一定条件下流动情况大大恶化，出现了强烈的旋转失速；从外部来说，又与管网的容量及管网特性线有关。

喘振的危害性及后果是严重的。在我国已有多起因配套离心式压缩机发生喘振而导致空分设备事故的报道。所以运行人员对喘振的机理及现象应有所了解，以便在喘振未出现或刚出现时就采取适当措施妥善处理。

通过对空分压缩机运行状况及出现喘振的情况分析，主要原因判断为两台机组并联运行，造成一台为主力送风，一台在低负荷工况下运行，并且低负荷运行机组出现上文所说小流量运行情况，一旦工况变化较大，这时由于流道中气体流动情况恶化，将导致压缩机性能大大降低甚至不能正常工作。严重时将对叶轮、轴瓦及密封等转动部件造成伤害。

为此，将对两台离心式压缩机并联运转有什么特点，操作时要注意什么问题进行分析

自2014年以前，我公司净化风都是以一运一备的原则进行生产，此种以单台机组带全厂生产用净化风存在较高的运行隐患，但单台机组的运行，可有效的保证机组工作效率在80%以上，此工况可使机组在较理想的条件下运行，并远离喘振区域。因此，在以前的生产中，并没有出现由于后路管网阻力大而导致的机组喘振情况。

对具有多套空分设备的公司，往往将几台离心式压缩机并联。我公司空分设备从14年也采取两台压缩机并联向同一管路供气的方式。所谓管网，一般是指与压缩机连接的进气管路，排气管路以及这些管路上的附件及设备的总称，但是对于离心压缩机来说，管网只是指压缩机后面的管路及全部装置。

当两台压缩机并联时，不管两台压缩机的性能是否相同，在两台压缩机的出口管的交汇处压力应相等。也就是说，如果两台机在并联时，两台机器应在排出压力相等的情况下，而排出的总气量应为两台气量之和。

下 图为离心压缩机工作点示意图，图中用G为质量流量，线1为压缩机性能曲线，线2为管网性能曲线

假设压缩机不是在A点而是在A1工况下工作，由于在这种情况下，压缩机的流量G₁大于A点工况下的G，在流量为G₁的情况下管网需求端压力为B₁，比压缩机能提供的压力A1还大△P，这时压缩机只能自动减量，减小气体的动能，弥补压能的不足，随着气量的减小，其排气压力逐渐上升，直到回到A工况点。

当压力不是回到工况点A而是到达工况点A₂时，这时压缩机提供的排气压力大于管网需要的压力，压缩机流量将会自动增大，同时排气压力则随之降低，直至和管网压力相等时达到稳定状态。而只当压缩机稳定在A点时，才是压缩机的实际工作点。

而当机组并联时，并联后的总性能曲线是由相同的出口压力下，两台机器流量迭加起来得到的曲线。假设当管网的性能曲线一定时，当压缩机单独供气时，其对应的流量分别为 QB 和 QC。当并联时，对应的总流量为 QA。这时，两台压缩机的对应的流量分别为QB1和QC1。并且，QA=QBl+QC1。根据实际使用中数据可知，两台离心式压缩机并联运转时的特点是：

并联的每台压缩机提供的气量分别比它们单独时要小，因此，总流量 QA虽然是增加了，但它小于并联前各自供气量之和，即：由于总流量的增加，并联后的出口压力也较原来单独时有所提高了。

右 下图曲线可看出，并联后的机组流量都将小于机组单独运行时的流量，那么对于流量偏小的机组就更易进入喘振区域。根据目前公司所用机组的运行逻辑，并联的每台机组压力监测都是在自己出口管路设置压力监测点，结合机组恒压运行的控制逻辑，当多台机组并行时，每台设备都只能控制自身运行的压力和流量，无法在系统内相互协调运行，而在管网用气量一定，管道性能曲线一定的情况下，必将造成各台机组处理量有多有少的情况，也加重了小流量机组运行的不稳定性。

由此也就出现如下问题：倘若两台压缩机并联时，如果管网特性曲线变陡，这时压缩机 A虽然仍能正常，但压缩机A却已进入喘振边界。也就是说，根据管网特性曲线，如两台压缩机单独运行均不会发生喘振，但一经并联，压缩机A马上就会喘振。

另外，特别需要注意的是，各并联压缩机的出口逆止阀是否正常。如果其中一台压缩机出口逆止阀动作失灵，则在该压缩机单独停车时，总输气管内大量高压气体就会倒流到该压缩机，使电机反转，造成次生事故，所以检查维修前一定要关闭机组出口阀，保证安全。

吴午 2020/4/16