大机组降压启动技术存在的风险及对策

张锡德 邵仕铭 张中亚 戴广来/塔里木石化分公司

倪雨晨/中船重工705所海源测控技术有限公司

0 引言

降压启动技术是在压缩机增压泵损坏的情况下，为防止干气密封被工艺介质污染而使用的一项操作技术。塔里木化肥是年产45 万吨合成氨、80 万吨尿素项目，在装置5 台大机组中，空气压缩机采用浮动碳环密封，二氧化碳压缩机使用传统的迷宫式抽充气密封，而原料气压缩机、合成气压缩机及氨压缩机采用干气密封，对于合成气压缩机及氨压缩机的干气密封，配备了专门的密封增压系统，为保护原料气压缩机干气密封以及快速启动压缩机，从现有的增压系统为其配备了密封增压线。2011 年3 月因增压系统6台增压泵全部损坏，大机组在启动时被迫采用降压启动技术，在使用的过程中，发现该技术存在安全风险，如2012 年8 月8 日启动氨压缩机时因采用该技术，造成了压缩机缸体温度高，转子被烧损的严重事故，对该技术进行分析，找出风险因素，并采取相应措施。

1 干气密封系统介绍

塔里木大化肥大机组均采用串联式两级干气密封结构，其系统由干气密封本体、一级密封气系统、二级密封气系统、隔离气系统和放空气控制系统以及干气密封增压单元组成[1-2]。

1.1 干气密封一级密封气系统流程

1.1.1 正常运行时一级密封流程

正常运行时,一级密封气采用压缩机出口工艺气，来自压缩机出口的密封气经过过滤器（精度为2μm）过滤掉颗粒后，分两路到轴封的两端，通过调节阀，以缸内压力为参照，进行压差调节，然后通过流量计，进入压缩机两侧轴端的一级密封腔，进入密封腔的密封气大部分通过压缩机梳齿密封进入压缩机腔内，而极少部分的密封气通过一级动静密封环端面进入一级密封放空管网系统，到火炬燃烧，流程图见图1。

图1 干气密封流程图

1.1.2 启机过程中一级密封流程

压缩机启动前，氮气阀被打开见图2，氮气压力为0.6MPa（G），温度为25℃，通过过滤器、调压阀、流量计进入干气密封一级密封腔，其中大部分气体进入压缩机工作腔内。一级密封后，用氮气和工艺气分别对缸体进行置换，使缸体内压力保持在0.3MPa（G）以下，打开驱动增压泵的空气动力阀门，驱动风压为0.4MPa（G），启动增压泵，来自压缩机出口的密封气进入增压泵见图3，建立起一级密封气后，对压缩机缸体进行均压，然后启动压缩机，当提速到最低工作转速8 333 r/min后，停增压泵，将压缩机出口工艺气切入到一级密封气流程中[3]。

图2 干气密封增压泵流程图

1.2 造成干气密封损坏的因素

塔里木大化肥大机组干气密封均采用由约翰克兰生产的、带中间迷宫、串联式两级结构，其螺旋槽为双向燕尾形槽，工作时干气密封动、静环工作间隙保持在2～5μm范围内[8-9]。

油怕水及微小颗粒物体带入干气密封中，造成密封损坏。当液体进入动、静环密封间隙后，因液体表面张力的作用，使动、静环密封面粘贴在一起。压缩机运转时，螺旋槽内闭合力大于气体产生的开启力，开启力不能将密封面分开，而形成气膜,使其接触、摩擦，造成密封面磨损,而颗粒进入也会造成密封面划痕性磨损，从而使干气密封失效[4-5]。

为防止压缩机缸体内工艺气污染一级密封动、静环端面，使密封环端面损坏，工艺气在进入压缩机腔体前,必须先投经过滤的一级密封气，同时压缩机缸内气体压力要小于一级密封气体压力，为防止干气密封受润滑油的污染，先投隔离气，8分钟以后才能开启压缩机润滑油系统，同样隔离气在润滑油系统停运8 分钟后方可切断[6-7]。

2 增压泵损坏后压缩机启动方式

化肥大机组经安装、试车后投入化肥正常生产，运行半年，压缩机高、低压缸增压泵相继发生了故障，18 个月，6 台增压泵全部损坏，因损坏元件需从美国Haskel原厂进货，所以其修复时间很长。期间，压缩机启动时，因增压单元故障无法投用，为避免干气密封在开车时被缸体内工艺气体污染，造成密封环损坏，须采用压缩机降压启动技术。

3 运用降压启动技术存在的风险

3.1 降压启动技术原理

在压缩机启机时，采用降压启动技术，其目的是避免干气密封被机缸体内工艺气体污染而损坏。根据以上描述知，为防止压缩机缸内工艺介质污染干气密封环，就必须保证一级密封气压力大于压缩机缸内工艺气体压力，在使用增压泵期间，压缩机出口工艺气作为增压泵进口气，经增压泵提压后，其出口压力增大了0.2MPa，增压后的气体被送到干气密封，作为一级密封气，这就确保了一级密封气压力始终大于压缩机缸内工艺气压力，这样在压缩机开启前，压缩机进口主阀就可以全开，使进口管网压力与压缩机缸体内压力一致。

因增压泵全部损坏，所以干气密封只能使用0.6MPa氮气作为一级密封气进行密封，由于合成气压缩机、原料气压缩机及氨压缩机其进口压力远远高于密封氮气压力，如合成气压缩机进口气压力为3.27MPa，这就要求在压缩机进行启动时采用降压启动技术[10]，降压启动技术要点如下：

1)为防止缸内压力超过一级密封氮气压力，需使用压缩机进口旁路阀对缸体进行充压，保持缸内压力在0.2～0.4MPa 之内，必要时使压缩机管路放空阀打开，而不能采用打开进口主阀的方式对压缩机充压。

2）压缩机启动后，随着机组转速提升，压缩机出口气体压力在不断上升，其出口与进口气压差在逐渐增大，当压缩机出口压力大于一级密封氮气时，出口气就顶开单向阀对一级密封进行供气，这时缸体出口气就替代了密封氮气。

3）根据经验，压缩机转速达到3 000r/min时，压缩机出口和进口之间工艺气压力就产生了0.2MPa 以上压差，这时，压缩机进口大阀就可缓慢打开，然后关闭旁路阀。

3.2 降压启动技术存在的风险

3.2.1 氨压缩机缸体高温事故介绍

在化肥装置进行年度停工大检修工作，启动氨压缩机，4.5个小时后氨压缩机一段进口工艺气管线保温材料着火，在停机1.5 小时后对缸体表面进行了测温，发现缸体温度在292℃以上，根据聚氨脂保冷材料的燃点一般在350℃左右，可推测着火时缸体内的温度在450℃以上，事故出现后，对压缩机缸体进行了解体，从外观上看，叶轮受高温作用，其表面已出现严重发蓝现象；压缩机内部的O形圈、密封条已全部烧损、碳化；干气密封上的O 形圈也已烧损；转子上的第三、四级叶轮有轻微变形，同时转子上的叶轮已移位，经决定，对转子、干气密封、级间密封及缸体内部的O形圈、密封条进行了更换，使用备用部件。

3.2.2 降压启动技术存在的风险分析

氨压缩机用于化肥合成氨装置冷冻系统，其作用是将氨冷器中蒸发的气氨进行压缩，提高气氨的冷凝温度，为氨合成塔循环气提供冷量，将循环气中的氨冷凝下来，在氨压缩机启动的过程中，压缩机喘振阀始终打开，汽化的液氨被压缩打循环，其热量由级间水冷器带走。

事故出现后，将机组的运行参数及与机组有关的工艺参数从ITCC 及DCS 中调出进行分析，并结合操作人员对事故经过的描述，认为压缩机无循环流量引起了缸体温度升高，排除了压缩机喘振阀关闭引起无循环流量及压缩机内密封严重损坏引起无循环流量后，最终认定压缩机系统内气氨量不足造成了该事故的发生，其过程如下。

从上述描述知，压缩机在启动前应先启动增压泵，增压后的工艺气作为干气密封的一级密封气，通过调查发现氨压缩机启动时，未使用增压泵，而采用降压启动技术，其一级密封气为0.6MPa氮气，为防止压缩机缸体内的压力超过氮气压力而污染密封，在开机过程中压缩机出口副线阀一直处于全开状态，压缩机引氨时间为8月8日19点30分，由于压缩机出口副线阀处于全开，来自压缩机进口氨冷器E506和E508的气氨经过副线阀被排放到火炬，氨冷器内压力逐渐下降，其液氨不断被汽化，因汽化放热，所以液氨温度不断降低，在汽轮机启动前21 点30 分氨冷器E506的液氨温度从3.2℃降低到-15.69℃，而氨冷器E508 的液氨温度从3.4℃降低到-13.87℃，在汽轮机启动后，从冲转、暖机、提速到汽轮机最低工作转速8 692r/min，其液氨温度在继续下降，23点02分氨冷器E506的液氨温度降到了-18.34℃，其饱和蒸气压为0.182MPa，氨冷器E506 的液氨温度降到了-21.61℃，其饱和蒸气压为0.174MPa，23点02分压缩机出口副线阀开始关闭，此时汽轮机已到达最低工作转速，随着出口副线阀关闭，压缩机一段进口压力很快提高到0.311MPa，二段进口压力提供到0.37MPa，因甲烷化气不合格，合成气压缩机一直未开，氨冷器E506 和E508 没有外来热源，所以其液氨在该条件下根本无法汽化，从而导致压缩机缸体内气量严重不足。尽管汽轮机从启动到暖机结束时间持续了1.5小时，但因暖机转速较低，在1 500r/min以下，压缩机的机械摩擦损失较小，所以到暖机结束时压缩机出口温度仅有41.8℃，由于过临界时汽轮机提速较快，持续时间较短，只有6～7分钟，所以当汽轮机到达最低工作转速时其温度也只有49.1℃，当汽轮机提转至最低工作转速8 692r/min后，其机械摩擦损失增大，产生的热量猛增，因压缩机的气量严重不足，其产生的热量无法带出，所以在12 点18 分导致压缩机出口温度达到200℃，其温度指示为满量程，在恒速8 692r/min运行近3小时后，即凌晨3点氨压缩机缸体内温度达到450℃以上，一段进口工艺气管线保温材料着火。

可见，氨压缩机启动时采用降压启动技术，迫使其出口副线阀全开，导致汽化的液氨排出，液氨的进一步汽化造成氨冷器的液氨温度极低，加之氨冷器一直没有外来热源，在出口副线阀关闭后，液氨不具备汽化条件，致使压缩机在启动过程中气量严重不足，最终导致压缩机缸体温度持续升高，同时操作人员经验不足，对机组出现的异常现象，如压缩机没有循环流量；其二段出口温度指示已满量程；一级密封没有流量等，未引起足够重视，没能及时停机，最终造成转子等部件严重烧损。

由于其它大机组如合成气压缩机及原料气压缩机，其缸体压缩原料不存在从液态转换成气态的过程，所以在启动时，其缸内压力的下降不会引起压缩循环流量的不足，而氨压缩机的压缩介质是从液氨汽化而来，其缸内压力对汽化温度及汽化量有较大影响，若采用降压启动技术，加之操作控制不当，就会对氨压缩机产生严重影响，这一点已被上述例证所证明。

据以上分析得知，降压启动技术仅对氨压缩机会造成风险，而对我厂其它机组如使用干气密封的合成气压缩机及原料气压缩机不会产生影响。

4 对策

对于氨压缩机，在使用降压启动技术时，要遵守以下操作要点：

1）将低压氮气管网的压力尽可能提高，一般可提高至0.7MPa，这样就可以使缸体内的压力尽可能高；

2）打开氮气阀，用氮气对干气密封的一级进行密封；

3）根据一级密封气的压差，调整压缩机出口副线阀的开闭，尽量使副线阀处于关闭状态；

4）在启动时，压缩机一、二段进口分离器前的大阀要打开；

5）一级密封气管线上的阀门要处于全开状态，在启动过程中使密封气自动完成切换；

6）氨冷器E506 和E508 的液位要严格按照工艺指标进行设定；

7）根据经验，氨压缩机转速升至3 000r/min之后，其出口和进口之间就产生了0.1MPa 以上的压差，缸体出口气就会自动代替密封氮气成为一级密封气，若压缩机出口副线阀处于打开状态，此时要及时关闭；

8）在启动过程中，要严密监视压缩机的循环流量以及其出口温度；

9）及时启动合成气压缩机，为氨冷器E506和E508及时提供热源。

5 结语

压缩机降压启动技术是在干气密封的增压泵损坏的情况下，为防止缸体内的气体压力高于一级密封气的压力而污染干气密封，所采取的一种不得已而为之的操作方法，通过对氨压缩机在启动过程中出现缸体温度高而烧损转子部件的事故分析，同时对其它机组，如合成气压缩机及原料气压缩机，使用降压启动技术后存在的风险分析，可以得出，降压启动技术仅对氨压缩机会造成安全风险，而对我厂其它机组不会产生相同影响，通过对氨压缩机事故的剖析，使人们对降压启动技术有了更深刻、更全面的认识，在此基础上,提出了相应的防止措施，以避免类似事故的再次发生。

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