透平式氯压机的相对过载与运行调整

杨金顺

（中国平煤神马集团开封东大化工有限公司，河南 开封 475003）

YANG Jin-shun

（China Pingdingshan Coal Shenma Group Kaifeng Dongda Chemical Co.，Ltd.，Kaifeng 475003，China）

由于透平式氯气压缩机（以下简称氯气透平机）具有效率高，流量-压力曲线平坦，输送能力大，自动化程度高，对生产负荷适应能力强等优点，已在中国氯碱行业广泛应用。对于大型的透平式氯压机，多采用德国KK＆K 公司及中航黎明集团锦化机公司的产品，而众多小型的氯气压缩机，则由杭州阳光集团求是透平机公司和杭州振兴公司提供，其中，求是透平机公司产品目前在线运行的有近三百台/套，其单台氯碱适应能力覆盖范围已达3万～15万t/a，且新产品正在不断地研发和投用。在众多在线运行的氯气透平机中，大多反映运行状况良好，但也有个别企业、个别台位、个别时段、个别型号的氯气透平机故障较多，即使是某些运行状况较好的氯气透平机，也存在运行不十分理想，不够经济，工况点过于靠近喘振临界点或过于偏离设计工况，检修周期偏短等情况。而在分析这些设备运行状况时，用户大多认为运行工况没有问题，甚至认为是在优于设计条件下运行的，在商讨出现的问题时，常常出现难以理解，难以沟通，难以协调的情况，延误了问题的解决。

1 透平式氯压机的相对过载现象

为了便于解释问题的原因，把大多运行参数正常，个别参数过于偏离设计工况点，甚至超出正常运行许可范围的工况，称之为“相对过载”。

1.1 压缩比偏高

透平式氯压机与容积式压缩机一样，也存在压缩比问题，其数值等于透平机出口绝对压力与进口绝对压力之比。容积式压缩机运行压缩比过高，往往存在电机负载过高及设备强度安全问题，而透平式压缩机根据其特性曲线，往往电机负载不高，甚至偏低，其设计留有余地较大，往往也不存在强度安全问题，其危害性往往表现为运行工况太过于临近或达到喘振点，出现喘振前兆甚至是喘振。

关于喘振，文献资料大多认为是随着透平机流量的减小（个别文献认为是随着出口压力升高而导致流量减小），介质会在叶轮表面出现分离现象，从而出现周期性的声响及振动。设备使用说明书往往也标注出预计喘振流量。上述解释虽正确但不直观，在指导操作上意义不大，因为大多数装置在机组出口处都未安装流量计。如果把喘振解释为由于机组压缩比过高，使介质在叶轮表面出现“打滑”现象，与后系统的设备及管道形成共振系统，从而使得介质通过叶轮流道周期性地输出及回流，发出周期性声响与振动，这样的解释则因透平机进、排气口均装有压力计而对运行指导意义较大。

喘振对透平机组危害极大，它可使转动部件乃至整机在短时间内严重损坏，修复费用很高，且往往影响整个氯碱系统的运行，因而备受重视。

喘振前兆是因机组压缩比偏高，但未达喘振点，其危害往往表现为轴振增加，声音有所变化，轴承温度升高，瓦块磨损加快，检修周期偏短等情况。经过分析对两级压缩机组来说，后级情况甚于前级，此问题往往会因其特征及危害不够明显而被忽视。但也有例外，山东某企业在半年多时间里，（当然也不排除有其他原因影响），设备运行周期往往仅为3～5天，3台透平机轮番维修，严重影响生产运行。最后，还是通过调低压缩比才使设备转入正常运行。

引起压缩比偏高有以下原因。

（1）出口压力过高。由于强调后续工序需要，比如考虑氯气液化的节能而使透平机排气压力过高。

（2）进气压力过低。有的企业后续工序需求压力不高，生产负荷偏低，为了节能，转而调低进口压力，从而使压缩比偏高。多台氯气透平机并联运行，而进气阀门实际开度不一，导致个别机组的进气压力过低。

（3）氯气纯度偏低。氯气中的杂质组份多为空气和少量氢气，其密度要比氯气低许多。氯碱系统在开车初期，氯气纯度往往偏低，透平机检修后如置换不充分，进入机组的氯气纯度也会偏低。系统正常运行时的氯气纯度偏低，往往是因泵前负压系统密封不良而漏入空气造成的。氯气纯度较低时，由于介质密度降低，透平机提升排气压力的能力就会降低，如仍按正常压缩比运行，则会超出设备此工况下的实际能力。

（4）进气温度偏高。温度偏高会引起进气密度降低。大多企业因氯气干燥需要，氯气温度控制较严，故透平机进气温度偏差不是很大。

（5）压力测量位置不正确。有的企业将进气压力变送器装在进气阀之前，排气压力变送器装在排气阀之后，或远离透平机出口，从而使测量数据与透平机运行工况严重不符。

（6）多套氯处理并联共用1套后续系统。设计压力低的氯气透平机迁就设计压力高的氯气透平机。

进气密度对氯气透平机的影响，仅理解为对压缩比的影响是不够准确的。透平机是离心式输送机械，其对介质压力的升高量（即透平机排气与进气压力之差，暂称作‘升压'）与进气介质密度成正比，而压缩比为进出口绝对压力之比。在排气压力不太高的情况下，进气密度对‘升压'的影响要大于对压缩比的影响。

1.2 机组轴功率偏高

机组轴功率偏高按理说是真正意义上的过载，但因透平机流量-压力曲线平坦及电机安全需要，机组配用功率一般富裕较大。即使机组轴功率超过设计值，也因运行电流与电机额定电流相比仍有余地而被忽视。所以，仍把它视作相对过载。

轴功率偏高的危害首先是对电机电器安全运行不利，其次是浪费电能，再次是问题不易发现，使各运转部件长期超负荷运行，加速其磨损而失效。

轴功率偏高可能由以下原因引起。

（1）多台氯气透平机并联运行，由于进气阀门实际开度不一，导致出现个别机组偏载。

（2）几套氯碱及氯处理系统并联运行共同为同一后续系统服务，而每套氯气透平机系统设计条件不一，设计排气压力高的系统照顾设计压力低的系统，使其在排气压力低于设计值下运行。

（3）设计的排气压力较生产运行压力富裕过大。由于氯气透平机流量—压力曲线较平坦，排气压力稍降，流量就会明显增加，轴功率随之上升，如表1所示。

表1 某透平机性能数据

（4）强调电解电流升降的变化需要，即强调生产负荷的灵活性，要求透平机组的大回流有较大的流量，以利于生产负荷的调节。其实，大回流流量大些虽有利于生产调节，但氯气加压后再减压回流是一种能源浪费，过大回流运行是不经济的。应根据自身生产负荷变化规律，摸索出适宜的大回流自动阀门开度。

由于企业为了保证项目的成功，在生产装置设计选型时，在价格一定情况下，总希望买能力大的设备；在试车及生产组织时，为了生产负荷调节的方便；在设备运行中，为了提高对生产的保障程度；在设备设计时，为了满足用户的要求等，使氯气透平机的实际能力层层加码，以至于远大于生产需要。在实际使用中，看似有利于安全运行，其实，反而增加了运行时的轴功率，不利于设备的安全运行。建议在上述各环节中，企业或生产工艺设计者，要如实提供工况条件，在制造企业设计时，会适当考虑余量。在设备运行时，要保证在设计工况点附近运行。这样，既能保证设备的正常运行，又能减少能源浪费。

1.3 每级压缩运行参数不合理

每级压缩运行参数不合理主要表现在以下方面。

（1）级间冷却不良。压缩机在设计时，为了降低排气温度、控制每级合理的压缩比及提高压缩效率而节能，气体在每级压缩后要冷却至近乎常温再进入下一级压缩。对于大多数用户，更重视压缩机进口与出口的运行数据，而忽视级间运行数据。如果级间冷却不良，势必造成前级排气压力升高后级则因进气温度升高而增加流量见图1。引起机组轴功率升高。

图1 排气压力升高及进气流量增加情况

（2）前级压缩比偏高。其原因一是其后冷却不良使得该级排气压力升高；二是大量事实证明，对于二级压缩的机组，前级的压缩比受机组总压缩比影响较小，其值是相对稳定的，当机组总压缩比偏低时，反而使前级压缩比在总压缩比中占的比例偏高；三是进气压力升高，而排气压力受后系统控制不能升高，使前级压缩比在总压缩比中占的比例偏高，见图2。

图2 前级进气温度与后级排气压力变化情况

（3）末级压缩比偏低。由于前级及中间级压缩比的相对稳定性，当机组排气压力偏低时，后级压缩比在总压缩比中占的比例显得偏低。

关于是否存在前级压缩比偏低，后级压缩比偏高的情况，因压缩比偏高的危害已经得到认同，容易引起重视，不再介绍。当机组排气压力偏高时，末级压缩比会偏高，但对前面各级压缩比影响相对较小。

1.4 机组压缩比偏低

机组压缩比偏高容易引起喘振，尽量避免，但却容易产生另一种极端情况——机组压缩比偏低。其危害主要表现在以下方面。

（1）压缩比偏低往往是由于排气压力偏低所致，如前所述，它可能引起机组轴功率升高甚至过载。

（2）各级压缩比分配不合理。表现为前级压缩比相对偏高，末级压缩比相对偏低。

（3）各级压缩轴功率分配不合理。从分析看，容易产生前级分担轴功率过多，末级分担轴功率较少的情况。对于二级压缩的透平机而言，出现这种情况后，前级叶轮可能因超负荷而发生抖动。故前级的问题要甚于后级，有的用户的前级高速轴承及轴封频繁损坏，经分析，可能与此有关。如调取其历史数据，可见，早期一切正常，一段时间后，轴振与轴承温度同步上升，具有同步性、渐进性，直至损坏，具有明显磨损破坏特征，见图3。

（4）机组流量过大，大回流流量过大，导致能源浪费。

图3 轴承温度与轴振现象变化情况

（5）运转部件磨损加剧，检修周期变短。

（6）问题较隐蔽，不易发现故分析排除困难。

2 相对过载的运行调节

根据以上分析，出现相对过载时，运行调节非常简单。

（1）压缩比过高时，适当开大进气阀门并适当降低排气压力即可。但当喘振发生或有明显前兆时，可先适量打开小回流阀消除之，然后，再适量开大进口阀，关闭小回流阀。

（2）压缩比过低时，可适当关小进气阀门，使进气压力降低，从而提高压缩比。在受生产负荷限制，不便将进口阀关得过小时，可配合适当关小排气阀门，提高透平机排气压力，同样可以升高压缩比。此时，不必担心电机电流，因提高排气压力时，轴功率是趋向变小的。

（3）级间冷却不良时，可开大级间冷却器供水阀门，或者降低供水温度。

（4）加强生产调度，合理分配机组运行负荷，统筹协调各工序关系。

关于机组流量的调节，使用说明书给定三种方式：进口阀调节；出口阀调节；回流阀调节。有的文献推荐的透平机流量调节还有旁路放空调节和转速调节，前者显然不适宜于氯气系统，而后者主要用于蒸汽轮机驱动的情况。但其推荐的优先选用进气阀调节，仍值得采用，因其更安全，更方便，更经济，更合理。

3 结语

对于透平式氯压机的过载问题，既要从广义的角度分析问题，又要结合具体情况具体分析。不仅要关注机组的整体运行参数，还要关注机组内部各级运行参数的关系。

从上述分析看，高于设计工况运行的属于过载，而低于设计工况运行的，比如排气压力过低，则会转化为另一种过载——流量过大，进而是轴功率过载。且会因加剧各级压缩参数分配的不合理，导致某些局部易发生故障。