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多軸離心式空壓機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		點擊數：	更新時間： 2024年08月29日
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Apr．2012
· 34 ·
化肥設計
Chemical Fertilizer Design
第5O卷第2期
2012年4月
多軸離心式空壓機放空閥突然打開
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采用德國
Atlas Copco公司的多軸離心式壓縮機。簡述了該壓縮機的工藝流程和控制原理；分析了該壓縮機運行時放空閥突
然打開并導致二段爐斷空氣的事故原因；提出了調整操作指標和改進操作方法的防范措施。結果表明，當合成氨
裝置的負荷由100％減至70％ 時，嚴格執行新的操作規定，未發生壓縮機放空閥打開的事故。
關鍵詞：合成氨裝置；多軸式空氣壓縮機；放空閥斷開；原因分析；防范措施；操作
中圖分類號：TQ051．5 文獻標識碼：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
化分公司化肥項目的設計規模為年產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選用德國Atlas Copco
公司的多軸離心式壓縮機，其驅動設備為杭汽生產
的中壓注汽凝汽式透平。該項目于2010年5月投
入正常生產，2011年1月5日凌晨6點59分壓縮
機一段、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以外，其他所有工段停車。
對此，筆者簡要分析事故發生的原因，并對相應的
防范措施和效果進行總結。
多軸式空氣壓縮機簡介
1．1 工藝描述
空氣壓縮機用于合成氨裝置，壓縮機帶增速齒
輪箱，由蒸汽透平驅動，中間齒輪箱安裝在壓縮機
齒輪箱和透平之間，用來降低輸入到壓縮機齒輪箱
的轉速。壓縮機由兩段組成，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。壓縮機正常運行時，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，另一部分進入壓縮機的二段。在正常運行
時，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進入
二段爐進行燃燒。
1．2 壓縮機控制描述
壓縮機的流量及壓力由IGV(人口導葉)控制，
重大項目：中國石油天然氣股份有限公司重大化肥項目。
作者簡介：邵士銘(1979年一)，男，湖北嘉魚人，2005年畢業于新疆
大學化學化工學院化學工程專業，碩士，工程師，從事化肥裝置的生
產技術管理工作。
萬方數據
第2期 邵士銘等 多軸離心式空壓機放空閥突然打開的原因分析及防范措施 ·35·
打開IGV，壓縮機流量及下游壓力增加，關閉IGV
則反之。在穩定運行時，離心壓縮機要求有最小
容積流量，只要壓縮機流量低于該最小的容積流
量，葉輪內的流量就會停滯，發生喘振，對機械部
件造成很大的應力，因此應該避免該現象的發生，
在壓縮機達到最小流量前放空閥打開。為了確保
壓縮機遠離喘振線，在DCS中安裝了防喘振控制
系統，在壓縮機進入喘振之前，由其控制打開防喘
振閥。
(1)為確保壓縮機穩定操作，甚至在減小流量
的情況下正常運行，壓縮機配備了放空閥，該閥門
用來彌補當前和最小容積流量的差額。放空閥通
過喘振控制器進行控制。穩定和不穩定運行的分
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
是設計流量的8％ ，以確保壓縮機穩定、安全運行。
壓縮機的喘振控制線見圖1。
口
丑
喘振安全余量
圖1 壓縮機的喘振控制線
(2)防喘振閥和導葉(IGV)。壓縮機的流量
(0％ ～100％)是由防喘振閥和導葉控制的，一段流
量的導葉調節范圍僅為額定流量的30％ ，也就是
說，通過導葉調整可使額定流量從100％ 減少到
70％ ，如果流量需減到70％ 以下時，只能通過一段
放空閥來進行調整。當裝置需求量大于70％ 時放
空閥將完全關閉；當一段放空閥關閉時，一段導葉
將開始從最小操作位置(大約一55。)打開。
二段流量導葉的調節范圍僅為額定流量的
38％ ，也就是說，通過導葉調整可使額定流量從
100％減少到62％ ，如果流量減到62％ 以下時，只能
通過二段放空閥來進行調整。當裝置需求量大于
62％時放空閥將完全關閉；當二段放空閥關閉時，
二段導葉將開始從最小操作位置(大約一60。)
打開。
(3)通過導葉(IGV)對壓縮機的流量進行控
制。對于一段流量，由1級人口的可調式導葉來控
制其流量，導葉的位置角度由氣動執行器來調節，
其位置角度范圍為一55。～ +20。，相當于開度為
0％ ～100％ 。
對于二段流量，由5級人口的可調式導葉來控
制其流量，導葉的位置角度由氣動執行器來調節，
其位置角度范圍為一60。～+20。相當于開度為0％
一100％ 。
(4)一段控制原理。控制器01FIC4201必須設
置在自動模式，其任務是防止壓縮機喘振，同時在
極端的條件下打開放空閥01 FV4204，一段喘振流量
的設定值為3 450 m ／h，其包括實際喘振流量加安
全余量。當壓縮機的一段測定流量大于設定值，一
段放空閥關閉；當小于設定值一段放空閥打開，電
信號4 mA對應的放空閥的開度為100％ ，20 mA對
應的開度為0％ 。
二段喘振流量的設定值為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是一個限
定安全控制器，由DCS進行控制，運行時應放置自
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，當其壓力超過
1．5 MPa時，一段、二段放空閥會瞬間全開，當小于
該值時關閉(經模擬試驗，當壓力大于1．5 MPa時
在2 S內放空閥全開)。
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)當透平轉速在4 981 r／min(正常轉速5 860
r／mim的85％)以下時，一段導葉處于最小位置
(一70。)，二段導葉處于(一75。)。當轉速升至
4 981 r／min時，一段導葉調至最小操作位置(～55。)，
二段導葉調至(一60。)。
當透平轉速升至最小轉速5 743 r／min以上時
(大約為正常轉速的98％)，在全自動模式下，可對
壓縮機進行加載，在IGV畫面上逐步增加一段、二
段出口壓力的設定值，放空閥逐漸關閉，當全關后，
入口導葉才逐步打開，完成加載。需卸載時，減小
一段、二段出口壓力的設定值，導葉逐步關閉，當完
全關閉后，放空閥才開始逐步打開，完成卸載。
當透平的轉速降至5 743 r／rain以下時，電磁閥
失電，一段、二段放空閥瞬間全開，導葉瞬間全關。
(7)當壓縮機流量進入喘振線以內時，就會被
記錄1次，當防喘振的次數達到廠商設定的極限喘
振次數時(在一定時間內)，壓縮機報警，超過后，
DES發出指令機組跳車。
(8)一段功率極限控制器是一個安全控制
萬方數據
· 36· 化肥設計 2012年第5O卷
器，在極端的操作條件下才能被觸發，其作用是
保證壓縮機一段、二段功率在最大允許值內運
行。當壓縮機一段功率大于允許值8 965 kW，二
段功率大于3 465 kW 時，功率控制器將發出指
令使導葉關閉。
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
制系統的描述得知，造成壓縮機放空閥突然打開的
原因一般有2種情況。
(1)當透平的轉速降至5 743 r／min以下時，電
磁閥失電，一段、二段放空閥瞬間全開。
(2)當壓縮機一段出口壓力超過1．5 MPa或二
段出口壓力超過4．2 MPa時，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控 201 1年1月5日壓縮機的運行狀況見表1。
表1 壓縮機運行狀況
由表1可見，透平的轉速p01SE4271在放空閥
打開前幾乎沒有變化，其轉速基本保持在5 904
r／min左右，遠大于5 743 r／rain，所以轉速不是導致
～ 段、二段放空閥打開的原因。進一步分析表明：
(1)2011—01—05T6：46：54時，一、二段導葉開
始逐漸關閉，06：58：51時一段導葉開度控制信號
yO1ZC420值已為0，而一段導葉的實際開度
a01ZT4201為24．305％(Atlas Copco公司設定值)，
緊接著07：00：24時二段導葉控制信號yOlZC4204
值為0，而二段導葉的實際開度a01ZT4202為
11．034％(Atlas Copco公司設定值)，說明此時DCS
已認定一段、二段導葉已完全關閉。
(2)06：59：49時，DCS發出指令打開一段放空閥，
到Cr7：02：48時一段放空閥a01ZT4204才突然全開，緊
接著cr7：02：58時二段放空閥a01ZT4203突然全開。
(3)正常操作時一段出口壓力a01PT4207為
1．451 MPa，二段出口壓力a01PT4206為3．861 MPa，
說明當時操作時一段、二段出口壓力的設定值同上。
(4)通過空氣壓縮機出口閥FV2011開度的歷
史曲線，發現在06：25：22時空壓機出口閥門的開度
為6O．30％ ，而07：01：22時閥門的開度為41．00％ ，
查裝置的原料氣變化情況，可確定該階段裝置負荷
有較大的變化。
通過上述分析，筆者做出如下推斷。
(1)當裝置負荷變化后，為防止二段爐超溫，操
作人員通過關小壓縮機出口閥FV201 1來減少二段
爐的空氣供應量。關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，壓縮機會自動通過關
小導葉來穩定其壓力。
(2)當DCS輸出的控制導葉開度信號，即導葉開
度值為0時，操作人員仍然在關小出口閥，這時通過
導葉控制壓力的手段已用完，壓縮機一段出口壓力很
快超過1．451 MPa并直逼1．5 MPa，06：59時壓力達
到1．5 MPa，DCS發出指令一段放空閥打開，但此時
放空閥并沒有打開，07：02時一段放空閥突然打開，
萬方數據
第2期 邵士銘等多軸離心式空壓機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)因二段出口壓力設定值為3．872 MPa，與4．3
MPa相距甚遠，所以放空閥打開是由一段造成的。
(4)放空閥實際打開與DCS發出指令相比推遲
了2分59秒，其原因可能是放空閥被卡，估計是放
空閥管內結冰(當時環境溫度在一l8℃ 以下)或另
有其他情況。
2．3 放空閥打開原因的分析結果
導致壓縮 閥打開和二段爐斷空氣的原因如下。
(1)在壓縮機運行時，操作人員過高設定了一
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的方式，即通過關
小壓縮機出口閥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生，對各項實際操作數
據進行監控，發現當一段出口壓力小于1．4 MPa
時，會使得二段壓比過大，往往造成二段功率超標，
>3 465 kW，機組報警。征得Atlas Copco公司同意
后提出了新的操作要求：
(1)嚴格壓縮機的操作指標，要求壓縮機一段
出口壓力嚴格控制在1．4 MPa以下，二段出口壓力
從3．72 MPa調整到3．9 MPa。
(2)不允許通過壓縮機出口閥FV2011來減少空
氣供給量，而是通過壓縮機減量，即保證壓縮機轉速
恒定，通過壓縮機的導葉和放空閥進行卸載。操作人
員改變一段、二段出口壓力的設定值，壓縮機先自動
逐步關閉一段、二段導葉，當導葉完全關閉后，放空閥
再開始逐步打開，完成卸載，這樣即安全又節能。
4 運行效果
201 1年1月21日，因尿素裝置負荷較低，要
求合成氨裝置的負荷從100％減至70％ 。操作人
員嚴格按上述操作規定對空氣進行減量，逐步改
變一段、二段出口壓力的設定值，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
負荷，未發生壓縮機一段、二段放空閥打開以及裝
置斷空氣的重大事故。壓縮機運行數據見表2。
其后，合成裝置又多次進行減負荷，均采用上述方
法減空氣量，均未發生壓縮機一、二段放空閥打開
的事故，實踐證明上述防范措施是安全可靠的。
表2 壓縮機運行有關數據
5 結語
(I)通過對空氣壓縮機放空閥打開、二段爐斷
空氣的原因分析，找出了事故原因，并采取了相應
的防范措施，避免了此類問題的再次發生。
(2)由于多軸式壓縮機的控制很復雜，引起壓
縮機停機、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，要認真消化廠商資料，
并要結合現場實際，對可能引起問題的原因逐項仔
細排查，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 還原態氨合成催化劑使用效果比較
序號 隋況
1全部氧化態催化劑
2 20％還原態催化劑+80％氧化態催化劑
3 50％(預)還原催化劑+50％氧化態催化劑
4 全部還原態催化劑
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，雖然還原態氨合成催化劑單
位質量的價格是氧化態催化劑的3～4倍，使催化劑
一次性投資費用增加，但無論是部分使用或是全部
使用還原態催化劑，均可縮短還原時間1／2或更
多。1個1 000 t／a氨的合成氨廠，與全部使用氧化
態催化劑相比，其凈效益相當于1 000～4 000 t氨的
價值。采用部分還原態催化劑(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，還原態催化劑的市場銷售量達到氨
合成催化劑總量的10％ ～15％ ，有些合成氨裝置
已全部使用還原態催化劑。生產應用情況表明，
XA201一H一1型還原態催化劑，對合成氨裝置提
高催化劑還原質量，縮短還原時間，減少原材料、
燃料和動力消耗等方面均具有顯著的技術意義和
經濟意義。

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