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多轴离心式空压机放空阀突然打开的原因分析及防范措施

文档作者：邵士铭，张锡德，辜兴春文档来源：中国石油天然气股份有限公司西气东输管道分公司		点击数：	更新时间： 2024年08月29日
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Apr．2012
· 34 ·
化肥设计
Chemical Fertilizer Design
第5O卷第2期
2012年4月
多轴离心式空压机放空阀突然打开
的原因分析及防范措施
邵士铭，张锡德，辜兴春
(中国石油天然气股份有限公司塔里木油田石化分公司，新疆库尔勒841000)
摘要：中国石油天然气股份有限公司塔里木油田石化分公司45万t／a合成氨装置的工艺空气压缩机采用德国
Atlas Copco公司的多轴离心式压缩机。简述了该压缩机的工艺流程和控制原理；分析了该压缩机运行时放空阀突
然打开并导致二段炉断空气的事故原因；提出了调整操作指标和改进操作方法的防范措施。结果表明，当合成氨
装置的负荷由100％减至70％ 时，严格执行新的操作规定，未发生压缩机放空阀打开的事故。
关键词：合成氨装置；多轴式空气压缩机；放空阀断开；原因分析；防范措施；操作
中图分类号：TQ051．5 文献标识码：B 文章编号：1004—8901(2012)02—0034—04
Cause Analysis and Preventive M easures for Suddenly Opening Blow
of Valve of M ulti-Shaft Centrifugal Air Compressor
SHA0 Shi—ruing，ZHANG Xi-de，GU Xing-chun
(Talimu Oil Field Petro-chemical Sub—company，China Petroleum and Natural Gas Stock Company Ltd．，Kuerle Xi@ang 841000 China)
Abstract：Multi—shaft centrifugal compressor made by Germany Atlas Copso Company has been used as process air compressor in ammonia synthesis
plant with a capacity of450，000 t／a in Talimu Oil Field Petro-chemical Sub-company，China Petroleum and Natural Gas Stock Company Ltd．，author has
briefly described the process flow，and control principle for this compressor；has analyzed the re．on of accident that the blow of valve was suddenly
opened during running of this compressor and therefore induced to cut of the air flow of the secondary reformer；has presented the preventive measures to
adjust operating index and to impmve operating method．Result indicates while the load of ammonia synthesis plant is reduced from 100％ to 70％ ．if the
operating stipulation is strictly obeyed，no accident occurs due to opening the blow of vale of this compressor．
Key words：ammonia synthesis plant；multi-shaft air compressor；cutting blow of valve；analysis of reason；preventive measures；operation
中国石油天然气股份有限公司塔里木油田石
化分公司化肥项目的设计规模为年产45万t合成
氨／80万t尿素。合成氨装置采用丹麦的TOPS~bE
工艺。合成氨工艺空气压缩机选用德国Atlas Copco
公司的多轴离心式压缩机，其驱动设备为杭汽生产
的中压注汽凝汽式透平。该项目于2010年5月投
入正常生产，2011年1月5日凌晨6点59分压缩
机一段、二段放空阀突然打开，造成二段炉断空气，
除了一段炉及脱碳系统以外，其他所有工段停车。
对此，笔者简要分析事故发生的原因，并对相应的
防范措施和效果进行总结。
多轴式空气压缩机简介
1．1 工艺描述
空气压缩机用于合成氨装置，压缩机带增速齿
轮箱，由蒸汽透平驱动，中间齿轮箱安装在压缩机
齿轮箱和透平之间，用来降低输入到压缩机齿轮箱
的转速。压缩机由两段组成，一段为4级压缩，二
段为2级压缩，水冷器分别安装在1、2、3及4级出
口。压缩机正常运行时，来自过滤器的大气空气
58 820 m ／h为0．088 MPa(绝)、35℃ ，在4级出FI
被压缩到1．42 MPa(绝)，然后被冷却到34．5℃ ，
其中一部分被抽出作为仪表空气和尿素防腐空气
之用，另一部分进入压缩机的二段。在正常运行
时，从一段来的空气53 840 m ／h为1．42 MPa(绝)、
34．5℃ ，被二段压缩至3．82 MPa(绝)、167 oC进入
二段炉进行燃烧。
1．2 压缩机控制描述
压缩机的流量及压力由IGV(人口导叶)控制，
重大项目：中国石油天然气股份有限公司重大化肥项目。
作者简介：邵士铭(1979年一)，男，湖北嘉鱼人，2005年毕业于新疆
大学化学化工学院化学工程专业，硕士，工程师，从事化肥装置的生
产技术管理工作。
万方数据
第2期 邵士铭等 多轴离心式空压机放空阀突然打开的原因分析及防范措施 ·35·
打开IGV，压缩机流量及下游压力增加，关闭IGV
则反之。在稳定运行时，离心压缩机要求有最小
容积流量，只要压缩机流量低于该最小的容积流
量，叶轮内的流量就会停滞，发生喘振，对机械部
件造成很大的应力，因此应该避免该现象的发生，
在压缩机达到最小流量前放空阀打开。为了确保
压缩机远离喘振线，在DCS中安装了防喘振控制
系统，在压缩机进入喘振之前，由其控制打开防喘
振阀。
(1)为确保压缩机稳定操作，甚至在减小流量
的情况下正常运行，压缩机配备了放空阀，该阀门
用来弥补当前和最小容积流量的差额。放空阀通
过喘振控制器进行控制。稳定和不稳定运行的分
界线称作喘振线，其喘振线取决于多种因素，如温
度、压力等。对喘振线要留一定的安全余量，这条
安全线称为放空线，其与喘振线平行，其安全余量
是设计流量的8％ ，以确保压缩机稳定、安全运行。
压缩机的喘振控制线见图1。
口
丑
喘振安全余量
图1 压缩机的喘振控制线
(2)防喘振阀和导叶(IGV)。压缩机的流量
(0％ ～100％)是由防喘振阀和导叶控制的，一段流
量的导叶调节范围仅为额定流量的30％ ，也就是
说，通过导叶调整可使额定流量从100％ 减少到
70％ ，如果流量需减到70％ 以下时，只能通过一段
放空阀来进行调整。当装置需求量大于70％ 时放
空阀将完全关闭；当一段放空阀关闭时，一段导叶
将开始从最小操作位置(大约一55。)打开。
二段流量导叶的调节范围仅为额定流量的
38％ ，也就是说，通过导叶调整可使额定流量从
100％减少到62％ ，如果流量减到62％ 以下时，只能
通过二段放空阀来进行调整。当装置需求量大于
62％时放空阀将完全关闭；当二段放空阀关闭时，
二段导叶将开始从最小操作位置(大约一60。)
打开。
(3)通过导叶(IGV)对压缩机的流量进行控
制。对于一段流量，由1级人口的可调式导叶来控
制其流量，导叶的位置角度由气动执行器来调节，
其位置角度范围为一55。～ +20。，相当于开度为
0％ ～100％ 。
对于二段流量，由5级人口的可调式导叶来控
制其流量，导叶的位置角度由气动执行器来调节，
其位置角度范围为一60。～+20。相当于开度为0％
一100％ 。
(4)一段控制原理。控制器01FIC4201必须设
置在自动模式，其任务是防止压缩机喘振，同时在
极端的条件下打开放空阀01 FV4204，一段喘振流量
的设定值为3 450 m ／h，其包括实际喘振流量加安
全余量。当压缩机的一段测定流量大于设定值，一
段放空阀关闭；当小于设定值一段放空阀打开，电
信号4 mA对应的放空阀的开度为100％ ，20 mA对
应的开度为0％ 。
二段喘振流量的设定值为1 750 m。／h，二段控
制原理与一段相同。
(5)一段出口压力控制器01PIC4207是一个限
定安全控制器，由DCS进行控制，运行时应放置自
动模式，其作用是防止一段出口压力超过最大的允
许值1．5 MPa。在极端操作条件下，当其压力超过
1．5 MPa时，一段、二段放空阀会瞬间全开，当小于
该值时关闭(经模拟试验，当压力大于1．5 MPa时
在2 S内放空阀全开)。
二段出口压力的最大允许值4．2 MPa，其控制
原理与一段相同。
(6)当透平转速在4 981 r／min(正常转速5 860
r／mim的85％)以下时，一段导叶处于最小位置
(一70。)，二段导叶处于(一75。)。当转速升至
4 981 r／min时，一段导叶调至最小操作位置(～55。)，
二段导叶调至(一60。)。
当透平转速升至最小转速5 743 r／min以上时
(大约为正常转速的98％)，在全自动模式下，可对
压缩机进行加载，在IGV画面上逐步增加一段、二
段出口压力的设定值，放空阀逐渐关闭，当全关后，
入口导叶才逐步打开，完成加载。需卸载时，减小
一段、二段出口压力的设定值，导叶逐步关闭，当完
全关闭后，放空阀才开始逐步打开，完成卸载。
当透平的转速降至5 743 r／rain以下时，电磁阀
失电，一段、二段放空阀瞬间全开，导叶瞬间全关。
(7)当压缩机流量进入喘振线以内时，就会被
记录1次，当防喘振的次数达到厂商设定的极限喘
振次数时(在一定时间内)，压缩机报警，超过后，
DES发出指令机组跳车。
(8)一段功率极限控制器是一个安全控制
万方数据
· 36· 化肥设计 2012年第5O卷
器，在极端的操作条件下才能被触发，其作用是
保证压缩机一段、二段功率在最大允许值内运
行。当压缩机一段功率大于允许值8 965 kW，二
段功率大于3 465 kW 时，功率控制器将发出指
令使导叶关闭。
2 一段、二段放空阀突然打开原因分析
2．1 放空阀打开的理论原因
制系统的描述得知，造成压缩机放空阀突然打开的
原因一般有2种情况。
(1)当透平的转速降至5 743 r／min以下时，电
磁阀失电，一段、二段放空阀瞬间全开。
(2)当压缩机一段出口压力超过1．5 MPa或二
段出口压力超过4．2 MPa时，一段、二段放空阀会瞬
间全开。
2．2 放空阀打开的原因推断
通过对Atlas Copco公司多轴离心式压缩机控 201 1年1月5日压缩机的运行状况见表1。
表1 压缩机运行状况
由表1可见，透平的转速p01SE4271在放空阀
打开前几乎没有变化，其转速基本保持在5 904
r／min左右，远大于5 743 r／rain，所以转速不是导致
～ 段、二段放空阀打开的原因。进一步分析表明：
(1)2011—01—05T6：46：54时，一、二段导叶开
始逐渐关闭，06：58：51时一段导叶开度控制信号
yO1ZC420值已为0，而一段导叶的实际开度
a01ZT4201为24．305％(Atlas Copco公司设定值)，
紧接着07：00：24时二段导叶控制信号yOlZC4204
值为0，而二段导叶的实际开度a01ZT4202为
11．034％(Atlas Copco公司设定值)，说明此时DCS
已认定一段、二段导叶已完全关闭。
(2)06：59：49时，DCS发出指令打开一段放空阀，
到Cr7：02：48时一段放空阀a01ZT4204才突然全开，紧
接着cr7：02：58时二段放空阀a01ZT4203突然全开。
(3)正常操作时一段出口压力a01PT4207为
1．451 MPa，二段出口压力a01PT4206为3．861 MPa，
说明当时操作时一段、二段出口压力的设定值同上。
(4)通过空气压缩机出口阀FV2011开度的历
史曲线，发现在06：25：22时空压机出口阀门的开度
为6O．30％ ，而07：01：22时阀门的开度为41．00％ ，
查装置的原料气变化情况，可确定该阶段装置负荷
有较大的变化。
通过上述分析，笔者做出如下推断。
(1)当装置负荷变化后，为防止二段炉超温，操
作人员通过关小压缩机出口阀FV201 1来减少二段
炉的空气供应量。关小出口阀会造成一段、二段出
口压力上升，因一段、二段出口压力的限定值分别
为1．451 MPa和3．861 MPa，压缩机会自动通过关
小导叶来稳定其压力。
(2)当DCS输出的控制导叶开度信号，即导叶开
度值为0时，操作人员仍然在关小出口阀，这时通过
导叶控制压力的手段已用完，压缩机一段出口压力很
快超过1．451 MPa并直逼1．5 MPa，06：59时压力达
到1．5 MPa，DCS发出指令一段放空阀打开，但此时
放空阀并没有打开，07：02时一段放空阀突然打开，
万方数据
第2期 邵士铭等多轴离心式空压机放空阀突然打开的原因分析及防范措施 ·37·
紧接着二段放空阀打开，二段炉断空气，装置停车。
(3)因二段出口压力设定值为3．872 MPa，与4．3
MPa相距甚远，所以放空阀打开是由一段造成的。
(4)放空阀实际打开与DCS发出指令相比推迟
了2分59秒，其原因可能是放空阀被卡，估计是放
空阀管内结冰(当时环境温度在一l8℃ 以下)或另
有其他情况。
2．3 放空阀打开原因的分析结果
导致压缩 阀打开和二段炉断空气的原因如下。
(1)在压缩机运行时，操作人员过高设定了一
段出口压力值1．451 MPa，使其接近压力限定值1．5
MPa，正常情况为1．32 MPa。
(2)操作人员采用了不适当的方式，即通过关
小压缩机出口阀FV2011(开度60％ ～41％)来减少
装置的空气量。
3 防范措施
为防止此类事故再次发生，对各项实际操作数
据进行监控，发现当一段出口压力小于1．4 MPa
时，会使得二段压比过大，往往造成二段功率超标，
>3 465 kW，机组报警。征得Atlas Copco公司同意
后提出了新的操作要求：
(1)严格压缩机的操作指标，要求压缩机一段
出口压力严格控制在1．4 MPa以下，二段出口压力
从3．72 MPa调整到3．9 MPa。
(2)不允许通过压缩机出口阀FV2011来减少空
气供给量，而是通过压缩机减量，即保证压缩机转速
恒定，通过压缩机的导叶和放空阀进行卸载。操作人
员改变一段、二段出口压力的设定值，压缩机先自动
逐步关闭一段、二段导叶，当导叶完全关闭后，放空阀
再开始逐步打开，完成卸载，这样即安全又节能。
4 运行效果
201 1年1月21日，因尿素装置负荷较低，要
求合成氨装置的负荷从100％减至70％ 。操作人
员严格按上述操作规定对空气进行减量，逐步改
变一段、二段出口压力的设定值，使装置的空气量
从58 582 1TI ／h下降至41 010 ITI ／h，顺利完成了减
负荷，未发生压缩机一段、二段放空阀打开以及装
置断空气的重大事故。压缩机运行数据见表2。
其后，合成装置又多次进行减负荷，均采用上述方
法减空气量，均未发生压缩机一、二段放空阀打开
的事故，实践证明上述防范措施是安全可靠的。
表2 压缩机运行有关数据
5 结语
(I)通过对空气压缩机放空阀打开、二段炉断
空气的原因分析，找出了事故原因，并采取了相应
的防范措施，避免了此类问题的再次发生。
(2)由于多轴式压缩机的控制很复杂，引起压
缩机停机、放空阀突然打开或逐步打开的原因较
多，故在分析、查找问题时，要认真消化厂商资料，
并要结合现场实际，对可能引起问题的原因逐项仔
细排查，才能真正找到事故的根源，并防患于未然。
收稿日期：2011--03—10
(上接第33页)
表1 还原态氨合成催化剂使用效果比较
序号 隋况
1全部氧化态催化剂
2 20％还原态催化剂+80％氧化态催化剂
3 50％(预)还原催化剂+50％氧化态催化剂
4 全部还原态催化剂
100．0 ≥10 大量
160．0 5—6 中等
250．0 3—4 少量
400．0 1—2 没有
(2)由表1可知，虽然还原态氨合成催化剂单
位质量的价格是氧化态催化剂的3～4倍，使催化剂
一次性投资费用增加，但无论是部分使用或是全部
使用还原态催化剂，均可缩短还原时间1／2或更
多。1个1 000 t／a氨的合成氨厂，与全部使用氧化
态催化剂相比，其净效益相当于1 000～4 000 t氨的
价值。采用部分还原态催化剂(总量15％)对于低
压(1O一13 MPa)合成的装置是有利的，如果用于
中、高压装置则更加有利。
(3)目前，还原态催化剂的市场销售量达到氨
合成催化剂总量的10％ ～15％ ，有些合成氨装置
已全部使用还原态催化剂。生产应用情况表明，
XA201一H一1型还原态催化剂，对合成氨装置提
高催化剂还原质量，缩短还原时间，减少原材料、
燃料和动力消耗等方面均具有显著的技术意义和
经济意义。

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