程晶晶
（重庆机电职业技术学院，中国 重庆 402760）
【摘 要】对尿素装置二氧化碳压缩机开车过程中低压缸喘振和齿轮箱低速轴振动高的问题进行分析，提出解决方案和整改措施，对改进后情况进行评估，为机组良好运行创造条件。
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关键词 二氧化碳压缩机；喘振；分析；措施
重庆建峰工业集团化肥分公司第二套大化肥（简称建峰二化），建峰二化年产80万吨尿素装置采用荷兰斯塔米卡邦的二氧化碳汽提工艺，二氧化碳压缩机组采用日本日立两缸四段压缩机，高压缸型号2BCH306/A，低压缸型号2MCH606，由抽汽注汽冷凝式汽轮机驱动。控制系统为美国TRICONEX公司的TRICONTS3000系统，该系统采用三重冗余容错的结构，有较高的控制精度和可靠性。机组的监测系统采用BENTLY NEVADA的3500系统。二氧化碳压缩机在试车过程中，因低压缸喘振和齿轮箱振动高跳车，导致无法开车同时也影响了设备的正常使用寿命。
1 二氧化碳压缩机工艺流程简介
二氧化碳压缩机采用46bar385℃的蒸汽透平驱动，将合成氨送来的压力为15kPa的CO2升压到14.7MPa，二氧化碳压缩机的工艺流程由润滑油系统、密封气系统、工艺气流程和防喘振流程等构成。密封气在开车前采用氮气，开车之后采用3段出口的二氧化碳作为密封气，供气压力为0.6MPa以上，通过自力式调节阀调节到压差为10KPa后进入压缩机的密封系统。
2 机组调速模式介绍
以10种模式控制二氧化碳压缩机电子调速，修改前的升速模式如表1所示。
电子调速系统：
电子调速系统包含了TS3000速度控制器，独立的电子超速保护控制器，无源转速探头，油动机执行机构，超速跳车联锁系统。
1）超速保护控制
本套系统设置了独立的电子超速保护系统实现汽轮机组的超速保护功能，通过3个独立的转速探头和速度模块进行转速的测定和超速的判定，通过继电器模块三取二逻辑实现。超速保护系统检测到汽轮机超速信号，发出跳闸信号到独立的跳车电磁阀，跳车电磁阀发出动作，将去速关阀的调速油泄掉，速关阀靠本身弹簧的力量迅速关闭，截断主蒸汽进入，压缩机停机。
2）电子调速
电子调速由电子调速器控制汽轮机由零转速按照设备要求自动升速至汽轮机正常工作转速和安全停车，由成熟的电子测速系统和油动机执行机构实现电子调速控制和蒸汽压力控制。二氧化碳压缩机机组安装6个无源转速探头，其中3个独立的转速探头进行转速的测定实现三取二联锁跳车，2个转速探讨用作转速显示，1个转速探头去实现电子超速跳车。系统内的速度控制模块接收经PI卡处理过的速度信号，采取三取中、二取高、一取一的选择策略，进行调速运算，控制调速阀实现汽轮机自动启动、速度控制、临界转速避免、超速试验等功能。性能控制模块以出口压力作为控制变量，经PID回路运算串级控制汽轮机转速，同时可设置转速作为替代控制变量，在主控回路出现故障时可自动切换到替代回路。
3 机组在转速为4400~5300rpm期间低压缸的喘振
3.1 临界转速概念
转子是一个弹性体，具有一定的自由振动频率，即转子固有振动频率。转子在制造过程中，由于轴的中心和转子的中心不可能完全重合，总有一定偏心，当转子转动后就产生离心力，离心力就引起转子的强迫振动，当强迫振动频率和转子固有频率相同或成比例时，就会产生共振，使振幅突然增大，这时的转速即为临界转速。同时转子还存在固有的扭转自振频率，也是转子轴系的固有特性，取决于转子本身的材料、结构、连接方式、联轴器的结构和材料等时，转子处于共振状态，这时的转速即为扭转临界转速。临界转速主要是研究转子的横向弯曲振动与扭转振动问题[1]。
当转子在启停的升速或降速过程中，如果转子在临界转速下或停滞在其附近运行时，会出现剧烈的振动，轴的弯曲度明显增大，疲劳加剧，运行时间稍长还会造成轴的严重弯曲变形或折断，以至轴或轴上零件乃至整个机器遭到破坏。因此，压缩机转子的转速应避开临界转速，一般工作转速偏离临界转速10%以上。在机组启动升速过程中要加大升速速率迅速且平稳地通过临界转速，而不应该在临界转速下或者临界区附近停留。
3.2 处理方法
二氧化碳压缩机开车过程中，在二氧化碳入口压力和蒸汽透平运行稳定的情况下，当机组转速从0rpm~4400rpm时机组一切正常，此时在机组控制系统ITCC的调节下二段压缩回一段及四段压缩回三段的两段防喘阀自动全开。当转速越过4400rpm后低压缸开始出现异音，在二段压缩出口管线上能听见明显的异音同时能看见管道的振动。随着转速的进一步升高，在S01/S102/S103分离罐处能明显听见气体的来回震荡的异音。在机组通过5300rpm后在没有进行任何操作干预的前提下喘振迅速消失。反之在机组正常停运过程，当转速在ITCC的控制下转速由工作转速逐渐下降5300rpm后开始喘振。但轴承的振动和温度没有异常变化。
处理方法：将二段压缩回一段的防喘阀FV7001解体没有发现明显异常。压缩机原来设计临界转速为2500rpm，经过分析认为是低压缸在低转速下流通能力不足造成，将一阶暖机转速由2950rpm调整至3200rpm，将二阶暖机转速由4400rpm调整至5200rpm，日立和我厂人员共同讨论后同时采用的办法是通过人为在现场手动打开一段、二段出口安全阀副线将二氧化碳部分放空，最终喘振现象消除。
结论：虽然通过调整暖机转速和调节安全阀副线消除启动过程低压缸的喘振，但日立没有提出有充分的证据解释为何会出现这种状况，而仅仅认为是二氧化碳本身的特性决定了机组易喘振。此外临时采取的开安全阀副线的应急措施毕竟不是正规的操作方法。一方面，长期这样操作必会造成安全阀副线由于冲刷出现泄漏，给机组本身和尿素装置的稳定运行造成影响；另一方面，由于必须到现场操作和配合在紧急停车的情况下会由于操作不及时、不匹配造成机组喘振或停车。
4 齿轮箱低速轴振动高
现象及处理方法：二氧化碳压缩机开车过程中，在二氧化碳机转速从5300rpm开始后齿轮箱低速轴振动由10μm左右开始上涨，随着机组转速上升当到达6300rpm左右时齿轮箱振动急速增加。二氧化碳压缩机的轴系图如图一所示，试车过程中机组转速在5500~5900rpm曾因振动值超过147μm而联锁停车。最后日立提出修改振动联锁值，将联锁值由147μm提高到200μm，而机组振动值的量程为0~200μm，机组在6700~6800rpm时最高达到180μm，在机组转速超过6950rpm左右时振动瞬间下降到10μm左右。在机组正常停运过程，当转速在ITCC的控制下转速由工作转速逐渐下降5900rpm后振动开始上升。但轴承的振动和温度没有异常变化。修改升速曲线，改变暖机转速。
模式修改后兼顾了低压缸喘振和低速振动两方面因素，修改后的二氧化碳压缩机升速曲线和暖机时间如下表2，转速升从5200rpm升至最低运行转速7000rpm的升速速率由原来的596rpm改为1000rpm，修改后的升速曲线能够快速通过喘振区和高振动区。
图1 二氧化碳压缩机轴系图
结论：虽然通过修改联锁值和升速速率，但振动高的现象仍然存在，只是保证了机组可以将转速升到设计值，同时减少了在振动区的停留时间进而降低对设备的影响程度。
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参考文献
［1］黄钟岳,王晓放.透平式压缩机[M].北京:化学工业出版社,2004.
［责任编辑：刘展］