离心式压缩机一次放空压力异常现象分析

（中石化天然气榆济管道分公司，山东济南 250000）

1 引言

压缩机[1]作为天然气管道的“心脏”，确保其安全、稳定、长周期、满负荷、优良运行至关重要。某天然气站采用SIEMENS生产的STC-SV（06-5-A）型电驱式离心压缩机，正常运行时，机组的驱动端、非驱动端一次放空压力数值基本一致。但该机组在运行过程中，出现驱动端、非驱动端一次放空压力相差过大的情况，如不及时解决，机组将存在非计划停车的风险。

因此，本文首先从机组运行状态、一次放空气路、干气密封组件[2]、润滑油状态4个方面进行分析，总结出可能导致该异常现象的原因；然后借通过监测平台，对采集的数据及图谱进行分析判断，确定其主要因素；最后对机组后期的运行提出可行性建议。

2 一次放空压力异常分析

图1为SIEMENS控制系统中驱动端与非驱动端一次放空压力趋势图，两者的最大差压达到70 kPa，机组的运行存在很大的安全隐患。

2.1 机组运行状态

机组运行过程中，振动、轴位移[3]的变化会导致密封气进气量发生变化，影响一次放空量。如图2所示，在一次放空量变化较大的区间内，压缩机振动数值变化较为平稳，轴位移数值基本保持不变，因此可推断此次压缩机驱动端、非驱动端一次放空量不同并非由振动、轴位移导致。同时，压缩机转速也维持在一个数值，说明一次放空量的不同与转速无关。

在一次放空量变化较大的时间段内，止推轴承内、外侧温度，驱动端、非驱动端径向轴承温度基本保持不变，说明其对一次放空压力的不同也没有产生影响。同时，经现场勘查，机组运行中并无异响，该时段内现场仪表显示正常，转速、位移、振幅等参数均在允许范围内，且波动不大，工况未发现异常。

2.2 一次放空气路

密封气气源共有3路：增压撬进气、正常进气及压缩机腔体进气。3路进气均通过旋风分离器、卧室分离器（滤芯精度3 μm）、锥形过滤器、密封气过滤器，气源洁净。但机组长时间运行，压缩机腔体内部难免会有结垢的现象，使气源中混入杂质，而混入杂质的气源如果直接作为密封气可能造成一次放空压力异常。通过内窥镜观察，如图3所示，压缩机流道及内壁无异常现象；密封气过滤器差压正常（图4），内部滤芯清洁，无异物。

图1 SIEMENS控制系统中一次放空压力趋势图

图2 SIEMENS控制系统中振动、轴位移对一次放空量压力的影响

而一次放空的密封气经加热器后，变成两路，通过孔板（d=2.1 mm）分别进入压缩机驱动端和非驱动端的干气密封盘，再经过孔板（d=5.4 mm）和单向阀后排入大气。如图5所示，如果孔板或单向阀卡顿、内部结垢等，也将直接导致驱动端、非驱动端的一次放空压力不等。对孔板、单向阀等一次放空气路检查，无漏气现象，阀门活动正常，拆卸后内部清洁，无杂质。

2.3 干气密封组件

密封气需要进入压缩机内部干气密封组件，经动静环后，出压缩机腔体进行放空。因此，需要对迷宫密封的组件进行分析。

通过图6我们可以看出，如果干气密封盘出现问题，那将直接导致驱动端、非驱动端的一次放空压力不同[4-5]。而干气密封盘出现问题主要包括3点：（1）压紧套或波纹带失效，导致其轴向移动，进气量减少；（2）弹簧单元损坏，导致密封间隙自调节过程失效，密封气的进气量不同，进而一次放空压力发生变化；（3）第一级动静环后迷宫密封[6]损坏，二级放空量增加，进而导致一级放空量减少，一级放空压力降低。迷宫密封的组件为一次性，如果其它所有情况均排除后仍未查明原因，那么才考虑对干气密封进行检查。

2.4 润滑油状态

发现异常时，通过油视窗检查润滑油状态，未见异常，油温、油压均符合要求。但如果润滑油中存在杂质，可能导致干气密封内部动静环间隙发生变化，间接造成机组两端一次放空压力不等。需通过图谱分析及润滑油检定报告来确定。

3 故障诊断

图3 压缩机组内壁及流道情况

图4 密封气过滤气滤芯情况

图5 SIEMENS压缩机一次放空气路简图

故障时压缩机驱动端X方向波形频谱图如图7所示，可以看出：分数谐波与高次谐波同时出现，且故障时波形图削波现象严重，可能为动静摩擦[7]。而图中出现了频率为0.75X的谱线，经计算是压缩机一阶临界转速5790 r/min所对应的工频，可能为油膜振荡和气流激振，需做进一步的判断。

图6 干气密封结构及原理图

图7 故障时压缩机驱动端X方向波形频谱图

图8 提纯后高速轴轴心轨迹图

图9 压缩机高速轴驱动端二维全息谱图

从图8中可以看出，提纯后的高速轴轴心轨迹杂乱无章且带有小圆环，进动方向为反进动，同时轨迹变得狭长，其上存在尖点和突变，一般都是由碰磨形成的[8-9]。

发生碰磨后，转子可能会出现热弯曲，导致与静子件间进一步碰磨。

图9为压缩机高速轴驱动端二维全息谱图[10]。如果为油膜振荡，应在分倍频区内形成偏心率很小的椭圆，接近正圆，不可能只在垂直方向出现，排除油膜振荡的影响。而动静碰磨在全息谱上体现为一组偏心率很大的高频椭圆，图中的2X、3X、4X、6X符合动静碰磨的特征。

在一次放空压力异常时，压缩机转速为1198 r/min，低于机组2倍临界转速21970 r/min，主频为工频而非固有频率，压缩机并未出现异响，调整轴承润滑油的温度、压力，机组运行的稳定性无明显变化；调节机组负荷与进口压力、流量，固有频率并未消失或减轻。因此，初步判断异常原因为气流激振。

压缩机使用的润滑油为航空级46#汽轮机油，按照其取样要求，对故障后润滑油取样送检，并与最近的一次检定结果进行对比。通过表1成分对比，可以看出：故障后的油样检测结果为含有中等数量的滑动磨粒，少量严重滑动磨粒以及油品变质产物。

因此，对该压缩机组进行润滑油更换作业，更换完成后压缩机组进行试运行，取适量润滑油样品进行检测。经检定：润滑油样符合要求，机组运行过程中驱动端、非驱动端一次放空压力数值趋于一致。

综上所述，该故障是由于机组润滑油中存在滑动磨粒，导致转子与轴瓦发生局部摩擦，受振动影响高速轴两端的干气密封气膜间隙发生微小变化，引起气流激振，从而导致气体泄漏量增大，一次放空压力提高，致使压缩机驱动端、非驱动端出现一次放空压力差值过大的异常现象。

表1 故障前后压缩机润滑油油样磨粒成分对比

4 后期运行建议

（1）日常工作巡检中，时刻关注密封气、隔离气、润滑油、循环水等参数的变化趋势，现场设备的运行状态是否存在异常。

（2）定期对机组润滑油进行检定，定期滤油，定期进行更换。建议长期运行的机组每月检定一次润滑油；长期处于冷备的机组应每月开车测试，每季度检定一次润滑油。

（3）当故障再现时，可调整轴承润滑油的温度、压力，改善润滑油的粘度，若无明显变化，建议停机处理；

（4）当故障再现时，若生产条件允许，可适当调节压缩机的工况点，改变生产运行参数，若无明显变化，建议停机处理。

5 结语

作为生产过程中不可或缺的设备，压缩机在石化行业的作用至关重要。针对离心式压缩机在运行过程中出现的问题，本文进行了详细分析，总结出可能导致该异常现象的因素，进行故障诊断，确定了其主要因素，最后对机组后期的运行提出可行性建议，保证机组能安全、稳定、长周期、满负荷、优良运行。