离心式压缩机长周期运行故障分析与检修策略

张世凯，鞠 琦，程新续

（中国石油大庆炼化公司检，黑龙江大庆 163411）

0 引言

某炼化厂9#压缩机（TA-11000/30 型）额定电压6000 V，额定功率1500 kW，转速3000 r/min，设有油温、油压、振动和定子线圈温度等报警自保单元。该设备自2007 年投入运行至今，期间发生多次故障，如中冷器泄漏、油冷器堵塞、仪表探头损坏等。经设备维修人员及时维修处理，故障问题得到解决，保证了压缩机以最快速度重新投入生产。在日常检修的过程中，通过总结经验，明确各类故障的发生原因、具体表现和维修策略，然后以此为依据制定离心式压缩机的检修方案和应急预案，才能提高设备管理的科学化和规范化水平。

1 离心式压缩机长周期运行故障及原因分析

1.1 油冷器换热效果差

该压缩机的原装油冷器采用管式换热装置，正常情况下油温应当维持在35～45 ℃之间，因此压缩机的报警自保系统中设置了46 ℃的报警线，实际温度超过46 ℃即报警；同时还设置了55 ℃联锁线，实际温度超过55 ℃设备即联锁停机。

压缩机在2020 年10 月24 日的油温变化如图1 所示，由图1 可知，该压缩机润滑油的油温从6：00 开始有上升趋势，至9：00已经突破了报警值，10：00 时已经逼近了联锁值。接到警报后，设备管理人员立即采取开大油冷器水阀、增加冷却水量的措施，在11：00 后油温回归到正常范围。分析此次故障原因，是因为循环水系统的过滤能力下降，管式换热装置的部分水管发生淤堵，导致换热效率降低，热量不能及时散失，导致油温出现上升。

图1 压缩机润滑油温度变化趋势

1.2 控制柜电源板频繁更换

该压缩机的现场控制面板采用一体化设计，线路及电子设备的布局较为紧密。同时，控制面板位置在压缩机二级蜗壳前方，这导致二级叶轮压缩空气时产生的高温辐射造成控制面板温度升高。早在2011 年控制面板就因为温度过高而出现过1次电源板烧毁的故障，更换电池板后加装了隔热板，后来又加装了散热风扇，但是实际效果有限。2020 年7 月份，现场控制柜的电源板再次烧毁，设备检修人员现场测量控制柜内温度达到了55 ℃。

1.3 叶轮结垢严重引起设备连锁停机故障

随着离心式压缩机运行时间的延长，叶轮表面结垢的情况也变得十分普遍，叶轮结垢会导致叶轮质量不平衡，进而在高速转动过程中出现明显的振动，严重时会造成设备联锁停机。该压缩机的报警自保系统中，设定振动的报警值为37.0 μm，联锁值46.7 μm。2021 年4 月11 日发生联锁停机故障，设备维修人员收集离心机运行参数，发现振动值最高达到51.8 μm，超过联锁值，导致设备停机。进一步检查发现，造成叶轮结垢的原因有：除尘器过滤精度不高，导致空气中杂质含量偏多，进入压缩机后使得叶轮严重结垢。机组运行时循环水压力维持在0.6～0.8 MPa，明显高于冷器气侧排凝压力0.3 MPa，导致部分循环水进入冷器气侧，冲击叶轮进而引起振动升高。

2 离心式压缩机长周期运行故障的维修措施

2.1 油冷器换热效果差的维修措施

首先将油冷器的前置过滤器拆卸下来进行清洗，将过滤网上淤堵的杂质清洗干净后重新装回，恢复正常的过滤功能。然后将原来的管式换热器升级为板式换热器，该装置用两块波纹板片替代了原来的多条波纹管，保证了冷热两种流体之间的热量交换速率更快、交换能力更强。同时，板式换热器还具有分流均匀、不易结垢、对循环水要求不高、不易堵塞等优势。为了满足正常的换热要求，同时又要控制成本，在更换设备时需要科学计算板式换热器的换热面积。根据热平衡方程：

式中ma和mb为冷、热流体的质量流量，kg/s；Cpa和Cpb为冷、热流体的定压比热，J（/kg·℃）；ta和ta1为润滑油入口和出口的温度，℃；tb和tb1为循环水进口和出口的状态温度，℃。在压缩机正常运行期间，测得ta=65 ℃，ta1=41 ℃，tb=20 ℃，tb1=30 ℃。在实际中还要考虑换热器的散热损失Q散，当润滑油流过换热器时，放出的热量Q放等于循环水吸收热量Q吸外加散热损失，即：

但是Q散具有不稳定性，因此化工过程中常以热损失系数η 估算：

根据TA-11000/30 型压缩机说明书，可知mb=215.8 L/min=0.6 kg/s，Cpb=4.2 kJ（/kg·℃），这里η 取0.98，则有：

将上述数据带入式（4），计算可得Q放=26.7 kJ。再根据传热方程：

式（5）中，K 为传热面的平均传热系数，取350 W（/m2·℃）；A为传热面积，m2；Δtm为冷热流体的平均温差，实际测得为17.3 ℃。根据式（5）可求得传热面积A 为14.6 m2。由此可知，该压缩机组将管式换热器升级成板式换热器，需要换热板面积≥14.6 m2才能保证换热效果比原来得到提升，即单板面积≥7.3 m2。根据这一计算结果，设备管理人员更换符合要求的板式换热器后，压缩机重新启动运行，油温维持在35～40 ℃，保证压缩机的长周期稳定运行。

2.2 控制柜电源板频繁更换的解决措施

针对现场控制柜温度偏高导致电源板频繁烧毁、更换的情况，决定采取加强隔热与强制冷却2 种措施。原来的隔热板仅安装在电源板后方，加上控制柜内空间有限，隔热板的厚度和面积较小，因此隔热范围有限。本次维修中选择一块更大、更厚的隔热板，直接安装到现场控制柜的外侧，有效阻挡了控制柜和二级涡轮之间的热交换，对抑制控制柜升温有显著作用。除此之外，从除尘器反吹气源线引一路气源至现场控制柜，然后在冷却风线上间隔10 cm 钻一个直径为12 mm 的孔，同时封闭气源线末端，形成一个强制冷却风幕，可以吹散现场控制柜与蜗壳间的热气，并起到降低环境温度的效果。完成改造后，让压缩机重新启动运行，并测量现场环境温度，以及对比改装前后控制柜内温度（图2）。

结合图2 可知，现场环境温度基本维持在18～23 ℃。而控制柜温度从改造前的50～56 ℃降低至改造后31～33 ℃，并且温度较为稳定，没有明显波动。对于控制内的各类元器件和线路来说，30～35 ℃属于正常温度，对降低控制面板故障发生率，以及减少电源板更换频率起到了积极作用，从而保证了离心机的长周期运行。

图2 加装冷却风源前后控制柜温度变化趋势

2.3 叶轮结垢严重的解决措施

在明确导致叶轮严重结垢的原因后，采取了以下维修措施：①将原来的布袋式除尘器替换为新型的MSF-400 型脉冲反吹自洁式除尘器，其过滤粒度≤5 μm，可以有效滤除空气中大部分粉尘和微粒，从而延缓了叶轮上硬质结垢的形成；②优化了压缩机冷器管程和壳程排凝线的布局，从原来管程、壳程连接后集合排凝，更改为管程、壳程单独排凝（图3）。图3 中，V1 为管程循环水排空阀，V2 为壳程气侧排凝阀，V3 为集合排凝总阀。

图3 压缩机组冷器

改造后，循环水不会进入到冷器壳程排凝线中，一方面是避免了叶轮振动升高的情况，另一方面也可以杜绝因为操作不当或阀门内漏造成的压缩机进水事故，采取上述两项措施后，压缩机于2021 年4 月15 日投入运行，至今未再出现因为振动异常而导致的设备联锁停机故障。

3 结语

随着运行年限的增加，因为设备老化或操作不当等原因，压缩机容易出现诸如仪表误报、叶轮结垢等问题。本文介绍的炼化厂A-11000/30 型压缩机，采取了更换新型板式换热器，提高除尘器过滤精度，加装冷却风源等维修措施，使得压缩机得以稳定运行，取得了良好效果，同时也为压缩机日常管理积累了经验。