热泵压缩机出口管道振动原因分析及解决方案

孙琰

（中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103）

热泵精馏是一种节能型精馏工艺，其原理是塔顶的气相通过压缩机加压升温之后作为塔底再沸器的热源，使塔釜的液相部分气化，压缩后的塔顶气相被塔釜液相冷凝后，一部分作为产品抽出，另一部分则作为塔顶回流液。整个过程中，压缩机是唯一消耗外功的设备[1]。因此，热泵压缩机的稳定运行，是保证整个精馏过程正常操作的关键。某烯烃装置丙烯分离塔采用热泵精馏工艺，装置开车时，热泵压缩机出口管线及防喘振管线产生了强烈振动，迫使多次停机。本文从多方面对振动原因进行了分析，并提出了解决方案。

1 设计方案

某烯烃装置丙烯分离塔采用热泵精馏工艺，工艺流程如图1 所示。其中，精馏塔C-001 塔顶出来的丙烯蒸气经热泵压缩机K-001 加压后进入再沸器E-001A/B，作为塔釜液相丙烷再沸的热源，塔釜的液相丙烷被部分气化后回到塔釜，作为塔的上升蒸气。丙烯蒸气被冷凝为饱和液相后进入到回流罐V-001，V-001 罐底的一股液相经换热器E-003 过冷后作为回流液送至塔顶，另一股液相经产品泵P-001A/B 送至冷却器E-002 冷却后送出界区。K-001 出口引出一路至入口管线，用于压缩机的防喘振。防喘振管线没有设置后冷却器，而是从E-003 出口引出一股过冷液至该管线，用于防喘振管线回流气体的降温。热泵压缩机K-001 的操作参数如表1 所示。

图1 热泵精馏工艺流程Fig.1 Heat pump distillation process flow

表1 热泵压缩机操作参数一览表Tab.1 Operation parameters of heat pump compressors

当热泵压缩机启动后，压缩机出口至再沸器E-001A/B 管段（DEF 段），入口分液包至压缩机入口管段（ABC 段），防喘振管段（EA 段）均出现了较强烈的振动，支撑管线的钢结构连带产生强烈振动，迫使压缩机多次停机。以下从几个方面对造成这种强烈振动的原因进行分析。

2 振动原因分析

原因一：管道走向和支架设置

热泵压缩机出口管线的走向和支架设置如图2所示。

图2 热泵压缩机出口管道走向图Fig.2 Direction of outlet pipe of heat pump compressor

振动产生以后，业主操作人员首先认为是由于管道的走向和支架设置不合理导致。直观上感觉出口管道弯头设置太多，即认为图2 中P1～ P4 段和P5～ P8 段弯头设置太多。实际上，这两段的倒U 型设置是为了满足工艺要求。由于热泵压缩机出口没有设置后冷却器，为了控制气相丙烯的温度，需要在压缩机出口和防喘阀后喷入丙烯急冷液来降温，如图1所示。压缩机在非正常操作时（例如防喘阀突然打开），压缩机出口会形成瞬间的低压，此时为了防止急冷液在管网背压作用下倒流回压缩机出口而要求管线设置倒U型。

为了排除管道支架的影响，应力专业在原支架设置的基础上，在图2 中10 号点增加了导向支架，在30 号点增加了承重+导向支架（原设计10 号点为托架，30 号点无支架）。同时，业主在10 号点和20 号点增加了上下导向支架，并且在导向架与管道之间增加了橡胶减振垫，通过支架的修改进一步增加了管系的刚度。但是，重新启机以后，出口管道振动的幅度没有任何改善，因此可以排除管道支架设置不合理。

原因二：管道系统带液

热泵压缩机的启机流程如下：（1）回流罐V-001和C-001 塔釜建立一定液位的液体，在环境温度下塔内气液两相会达到平衡；（2）将压缩机进、出口阀门和防喘振阀全开，压缩机入口导叶全开；（3）启动压缩机，待压缩机切工频后逐渐关闭防喘振阀。通过和操作人员交流发现，在压缩机启机之前，压缩机入口管线分液包和压缩机缸体经过了较长时间的排液操作，且很难完全排净。经过分析和调取DCS数据发现，V-001 罐顶的压力比C-001 塔顶的压力高大约0.1 MPa，原因是因为回流罐垫料为纯丙烯，而C-001 塔釜垫料为丙烯+丙烷的混合物。由于纯丙烯的饱和蒸气压高于丙烯+丙烷的混合物，导致回流罐顶部压力高于塔顶压力。液相丙烯的密度约为465 kg/ m3，图2 中P7～ P8 段的高差只有2.3 米左右，V-001 内的丙烯液相在压差的作用下会越过管道最高点（图2 P7～ P8 段），由于压缩机出口止逆阀存在一定程度内漏，回流罐内液体被反推至压缩机出口，导致出口管线内有液体存在。基于这个分析，启机时防喘振阀后管道内会存在两相流。但理论上在压缩机背压建立之后，液体会被推至回流罐。且随着压缩机做功，出口气体升温后，管道内的液相会很快气化，由两相流造成的振动应该不会持续很长时间。为了消除出口带液的影响，在V-001 罐顶和管道最高点之间增加了一根均压线后重新启机，均压线如图1 中虚线所示。重新启机后，出口管道振动的程度有一定减轻，但仍然十分强烈，说明出口管线带液不是产生振动的主要原因。

原因三：防喘阀后管道口径选择

从现场振动的情形来看，振幅最大的是防喘振阀后面的管线。防喘阀后管道弯头较多，且压缩机刚启机时防喘阀需要全开打回流，以防止机组进入喘振状态。现场启机时环境温度在10 ℃左右，远低于压缩机正常设计吸入温度30.5 ℃。根据CCS 压缩机进、出口温度计、压力表以及文丘里流量计所获取参数计算的防喘振阀后管线内的流速如表2 所示。

表2 防喘阀后管道流速计算表Tab.2 Calculation table of pipeline flow rate behind anti-surge valve

表2 中，工况1 和2 为从CCS 提取的实际的运行工况数据，工况3 为按照压缩机正常操作参数计算的数据。可以看出，尽管工况1 和2 压缩机的吸入质量流量还没达到正常设计值，但由于现场实际入口的温度和压力比正常设计值要低很多，管道内的实际体积流量已经接近或超出了正常设计值，计算出的管道内流速也远超一般工艺气的正常推荐流速。管道内的流速大，在遇到弯头时，产生了较强的激振力，造成了管道的振动。究其原因，防喘阀后管道的口径选择偏小。

原因四：防喘振控制曲线影响

喘振是离心式压缩机的固有特性[2-3]，图3 为压缩机的理论喘振曲线。A，B….G 对应压缩机入口不同导叶开度。由图可知，针对每一个压缩机出口排压，对应着一个入口极限流量，当实际流量小于极限流量时，压缩机的工作点会进入喘振区，即曲线左边。压缩机的防喘振控制系统正是根据该曲线来设计。压缩机启机时，入口导叶全开，对应着图中F曲线。以表2 中工况2 为例，出口排压1.32 MPa（a）对应的极限流量从图中已无法读取，说明此工况偏离正常设计工况较远，而CCS 实际的控制曲线是根据此曲线类推获得，实际的极限流量约为75 000 m3/h。从流程图1 可以看出，当压缩机出口的气体进入再沸器后，必须使塔釜的丙烷气化回到塔釜以后，塔顶才有丙烯蒸汽产出。也就是说，只有快速建立C-001塔底的热虹吸，压缩机才有足够的吸入流量，否则防喘振阀必须保持一定的开度回流，以保证压缩机入口的吸入流量。

图3 热泵压缩机理论喘振曲线Fig.3 Theoretical surge curve of heat pump compressor

由于在施工过程中，塔盘上的铁屑等脏物未清理干净，启机后塔盘上的铁锈等脏物被回流液冲刷带进塔釜，进而被再沸器入口管线上的过滤器拦截，导致过滤器堵塞。过滤器堵塞后导致丙烷侧流量不足，塔釜上升蒸汽不足，虹吸无法建立，塔顶因此也没有丙烯蒸汽产出，进而导致压缩机吸入流量不足。吸入流量不足时，防喘阀在防喘程序控制下必须保持较大开度，防喘阀后持续通过较大流量，振动也因此持续存在。

综上分析，防喘阀后管道口径选择偏小，管道内流速过高是造成振动的主要原因。同时，压缩机防喘振阀始终处于自动控制状态，由于防喘曲线计算的理论极限流量大于实际喘振流量，程序不允许防喘阀关小开度，使得因流速过大导致的振动持续存在。

3 振动解决方案

通过第2 节原因分析，首先需要解决出口带液的问题，因此在出口管道最高点和回流线之间增加了一根均压线，如图1 中虚线所示。启机前塔釜和回流罐垫料后将均压线上阀门打开，防止液体在压差作用下倒流回压缩机出口。

造成管道振动的最大原因是防喘阀后管道内流速过高。由于现场没有条件更换更大口径管道，为了消除这个影响，需要减小管道内的流量。因此，在出口管线上增加了一路10"管线，用于分担原防喘回路一部分流量，增加防喘振管线如图1 中双点划线所示。由于本项目压缩机启机时的吸入气体温度、压力与正常设计值相差较大，机组实际的喘振点与喘振曲线并不符合，也就是说对于一定的排气压力，机组实际的喘振流量比防喘曲线对应的极限流量要小。由于只设置了一路防喘振线，而防喘阀的流量是按照最大回流量设计，实际阀门的特性并不能适应这么宽的流量范围，最合理的做法应该是设置两路防喘回路，一路按全量回流设计，一路按较小流量设计，这样防喘控制才能适应较大的压缩机操作弹性。

对于只有一路防喘振线的情况，由于启机时全回流对应的流量比实际喘振流量要大，因此可将防喘阀开度减小到一定程度，同时将防喘振控制调至手动模式启机。在操作过程中注意观察机组的运行状态，只要机组不发生喘振，可以将防喘阀开度逐渐关小。防喘阀开度减小，阀后通过的流量减小到一定程度，管道振动就自然消除。经压缩机供应商确认，现场实际操作时，是将防喘阀开度调至70%，启机后现场运行平稳，管道振动问题就此解决。

4 结束语

对某烯烃装置丙烯分离塔热泵压缩机出口管道振动的原因进行了分析，得出如下结论：

（1）防喘阀后管道内流速过高是造成管道振动的主要原因。因此，在收到压缩机厂家防喘阀资料后，应该核实阀前和阀后管道流速，确保流速在工艺气推荐流速范围内；

（2）压缩机实际启机时的温度、压力小于正常设计值，理论防喘曲线与实际运行时的喘振点不符合，防喘控制程序不允许阀门关小开度而导致管道振动持续存在。因此，给压缩机厂家提出设计参数时，除了考虑正常操作和设计值，还需要将开车工况，例如寒冷地区冬季开车工况一并提给厂家，由厂家确定合适的启机方案；

（3）对于操作弹性较大的机组，宜设置流量一大一小两个防喘回路，更利于喘振控制。