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多级离心式压缩机故障停机反转特性研究

苏鹏  
【摘要】:离心式压缩机在国民经济各部门中有着重要的地位,相对于容积式压缩机而言,其具有流量大、工艺性能好、结构简单等特点,因此在化工、能源以及冶金等领域有着广泛的应用。 近年来,随着设计、制造与控制技术的进步,石化企业大型乙烯装置陆续建成,被称为乙烯装置“心脏设备”的裂解气离心式压缩机也在市场的主导下向大型化趋势发展。在实际生产运行中,压缩机系统中储存的高压工艺气体量显著增加,发生故障停机跳车时,高压气体不能及时排出,导致压缩机各段进出口压力不能迅速达到平衡,工艺气体将从离心式压缩机出口通过压缩机内部流到入口,气体膨胀产生动力,反向推动力可能使压缩机在停机过程中出现反转。压缩机反转将对干气密封及其他零部件造成破坏,严重影响了乙烯装置的平稳、高效运行。 本文首先以国内多家石化企业的大型乙烯装置裂解气离心式压缩机为例,对乙烯装置的工艺流程及裂解气压缩机的作用进行了简要介绍。与此同时,分析了正常停机过程与故障停机反转过程中离心式压缩机的运动规律与动力学特性,并对反转过程中压缩机各段的压力平衡过程进行了较为深入的探讨,最终获得故障停机反转过程中系统压力平衡与运动的共性规律。针对离心式压缩机反转造成的破坏,分析了干气密封与可倾瓦轴承的结构及工作原理,给出了产生破坏的原因及部分改造措施。 基于对离心式压缩机故障停机过程的分析与共性规律的总结,本文建立了针对简化系统的离心式压缩机正常停机过程与故障停机反转过程动力学模型。与此同时,建立了故障停机反转过程中压缩机各段压力平衡模型。而后,以实际乙烯装置裂解气压缩机故障停机反转过程数据为参考,利用编制的程序对正常停机与故障停机反转过程进行仿真计算,从而对所建立的模型进行了验证。结果表明,离心式压缩机故障停机过程中出现反转,是由于在惰走过程结束后,压缩机各段进出口压力仍没有达到平衡,高压工艺气体从出口通过压缩机内部流到入口,产生了反向推力矩,利用本文中所建立的系统模型得到的计算结果与实际停机过程记录数据较为吻合。针对离心式压缩机故障停机过程中内部流动复杂等特点,本文还对压缩机停机及反转过程进行了数值模拟,计算了不同转速下的流动情况,获得了上述过程中压缩机内部的流动规律及压力分布,分析了轴向推力、转矩等参数随转速的变化趋势并且再次验证了前述动力学模型的可靠性。 现场数据验证及CFD计算均表明:理论模型能够较好的模拟结构相近的离心式压缩机故障停机反转过程,进而为压缩机系统改造与控制策略调整提供依据,消除实际生产运行中压缩机反转隐患。因此,本文进行的分析及所建立的理论模型具有一定的现实意义与工程应用价值。


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