离心丙烷制冷压缩机组启机故障排查及处理研究

李亚军，唐波，杨家林，杨俊琦，齐鹏逸

（1.中国石油塔里木油田设备物资处，新疆 塔里木 841599；2.北京博华信智科技股份有限公司，北京 100000）

新疆某公司乙烷回收装置采用“丙烷预冷+膨胀机制冷+双回流”工艺，实现乙烷的高效回收。其中丙烷制冷压缩机组是该生产装置的关键设备，该机组由电动机提供动力，通过变速器带动压缩机对丙烷进行压缩。该制冷机组的丙烷制冷压缩机（以下简称压缩机）为约克公司生产，型号M-555B，设计5级叶轮，轴功率3889.65kW，额定转速6546 RPM，临界转速3700RPM，启动方式为变频启动。在投产试机阶段，先后出现压缩机振动高无法启机、加载过程中振动高停车的故障，严重影响压缩机正常启机和运行，危害机组本体安全性能，制约企业设备管理及生产效益的提升。

1 压缩机振动高无法启机原因分析及处理

在机组试运行阶段，压缩机多次出现非驱动端径向振动高联锁停车（90μm），过程中最高振动值超过120μm。试运行之前压缩机空转测试都较为正常，初步排除机组内部机械故障，综合分析机组整个安装及试运行过程，认为造成压缩机振动高无法启机的原因可能为配管安装存在应力、压缩机—联轴器—电机对中不良。为此现场开展了机组外部机械检查。

1.1 压缩机管线应力检查与处理

（1）压缩机组撬外连接管线

压缩机撬边有1条进气、3条级间插入气、1条排气、1条回流共6条工艺管线。现场逐一拆检6条管线法兰，共发现4条管线法兰对中偏差（见表1），同时压缩机转轴水平方向偏移量读数为0.075mm（超过压缩机偏移量小于0.05mm的要求），垂直方向读数为0.035mm。由对中数据可知，压缩机组撬外管线安装存在较大应力，配管应力传导至压缩机后使转轴水平偏移超标。

表1 压缩机撬外连接管线偏移量

现场对偏差管线和法兰进行重新安装，按照《工业金属管道工程施工及验收规范》（GB 50235）要求保持法兰连接与管道同心，螺栓可自由穿入，满足法兰间平行度小于0.1mm和同心度小于0.2mm的要求，有效消除了工艺管线与机组之间存在的应力。

（2）压缩机组撬内管线

压缩机撬内排气管线上设置有直角三通，分出热气旁通管线（见图1）。撬内排气管线和热气旁通管线均由管卡固定，两个位置呈直角的关卡同时限制了管道纵向和横向移动，这样就会在开机阶段，使管道不能自由膨胀到位，从而产生热应力。启机前将管卡放松，运行时热气旁通管线沿排气管线轴向移动了5mm，压缩机组撬内排气管线热膨胀应力得到释放消除。

图1 排气管线及热气旁通管线

1.2 压缩机、联轴器、电机对中检查与处理

分别断开压缩机、变速箱和电机的联轴器，测量检查对中情况。发现电机联轴器垂直方向存在偏差，实测值1.2mm超过了0.918mm（机组运维手册）偏差要求。增加电机底部垫片0.3mm后，电机联轴器垂直方向偏差减少到0.37mm，符合机组运维手册要求。同步检查压缩机、变速箱、电机底脚螺栓，确保对中偏差符合要求。

通过机组外部机械检查，分别消除了撬外部管线安装应力、撬内部管线管卡固定应力和机组联轴器对中问题，压缩机启机过程振动高问题未再出现，机组顺利开车。

2 压缩机加载过程中振动高停车原因分析及处理

排除外部机械故障后，压缩机组正常启机，但加载后平稳运行约10min左右，非驱动端振动又快速增大，多次出现振动高停车（超过90μm，最高达115μm）。根据BH7000旋转机械状态检测系统数据，结合机组开机过程的工艺参数，通过多源数据的综合分析，认为该阶段的振动异常是由于压缩机暖机时间不足导致转子出现临时热弯曲。

2.1 状态监测与故障诊断分析

状态监测与故障诊断主要是采集、处理机组启、停机及运行过程中的振动数据，同时对DCS等系统中机组相关的流量、温度、压力等多源工艺量进行整合，进行综合分析。

结合设备历史运行情况，通过BH7000状态监测系统分析压缩机加载过程中的状态监测图谱，结果显示，在整个过程当中，频谱中以一倍频为主，占比能量最强，其余频率成分占比较小（见图2）。1X倍频振动幅值高可能是压缩机组转子不平衡、临时热弯曲、机组内部存在轻微碰磨导致。

图2 压缩机非驱动端振动频谱瀑布图

从压缩机非驱动端振动极坐标图（见图3）可以看出，振动相位有明显变化，可判断压缩机振动高停机的主要因素并非压缩机转子本体存在不平衡结构。压缩机启动前，各部位温度与室温相同且均匀一致，启机后因压缩丙烷做功而产生热量，使机组内部进出口各部位产生较大的温差（最高可达100℃）。该压缩机组共有5级叶轮，每级叶轮和主轴两端共有7道梳齿密封，加载过程中各部件的温度变化以及热膨胀的速度并不一致，其中叶轮的温度比主轴升高得快，因此推断原因可能为暖机时间不足，造成转子热膨胀不均匀，热应力过大使主轴弯曲，进而造成转子临时热弯曲导致振动高停机。

图3 压缩机非驱动端振动极坐标图

分析历次压缩机组运行参数趋势可以发现，压缩机自由端振动与入口温度变化、热气旁通阀（将压缩机出口90℃左右高温气体回流至入口吸入罐）开度有较大相关性；入口温度降速过快会导致压缩机自由端振动上升，反之压缩机组振动趋于平缓（见图4）。推断热气旁通阀（防喘阀）开度对压缩机温度变化和自由端振动大小有较大影响。

图4 入口温度-机组振动曲线图（红色曲线为入口温度，蓝色曲线为压缩机自由端振动）

2.2 延长压缩机暖机时间

应用BH7000状态监测系统，通过对机组多源数据的综合分析，得出了压缩机加载后平稳运行的有效措施。压缩机通过临界转速加载运行后，合理调节热气旁通阀开度，防止压缩机进入喘振区间，控制入口吸入罐降温速率，0～-10℃的降温时间由原来的4min延长至90min，-10～-15℃的降温时间由原来的3min延长至60min，-15～-20℃的降温时间由原来的3min延长至60min，通过充分暖机，消除转子热应力，防止压缩机加载后振动高停车。

3 结语

通过对离心丙烷制冷机组振动高无法启机、加载过程中振动高停车故障的有效处理，保障了工艺装置的安全生产，优化了设备操作规程，对大型关键动设备的安装运行具有以下指导意义。

3.1 规范机组安装施工

安装过程中要严格按规范施工，工艺管线、支撑、管卡应设置合理，法兰安装平行度、同心度应保证在偏差范围内，确保主机撬内管线、外部管线无应力连接。

3.2 加强状态监测与故障诊断

在机组调试、运行过程中，应充分运用设备状态监测与故障诊断技术手段，科学指导异常分析、原因排查、故障处理等，提高原因分析的准确性和故障排除效率。

3.3 优化启机工艺操作

启机加载后应缓慢控制工艺参数，保障一定的暖机时间。及时分析各参数与机组工况的相关性，对于离心设备应特别注意控制好防喘阀开度，远离喘振区间。