新氫壓縮機主電機后端軸瓦振動問題分析與處理

潘強，蔣媛，胡建忠，呂劍超

（1.中國石油克拉瑪依石化公司，新疆克拉瑪依834000；2.中國石油烏魯木齊石化公司，新疆烏魯木齊831400）

新氫壓縮機主電機后端軸瓦振動問題分析與處理

潘強1，蔣媛2，胡建忠1，呂劍超1

（1.中國石油克拉瑪依石化公司，新疆克拉瑪依834000；2.中國石油烏魯木齊石化公司，新疆烏魯木齊831400）

針對克拉瑪依石化公司某加氫改質裝置新氫壓縮機主電機后端軸瓦振動的問題，從設備本身的機械性能和工藝運行工況兩方面進行原因分析，最終通過現(xiàn)場實驗，對比了8種不同工況下機組的運行參數(shù)和振動數(shù)據的變化規(guī)律后發(fā)現(xiàn)，通過合理分配機組各級間壓縮比可有效地降低機組主電機后端軸瓦的振動，在此基礎上，優(yōu)化出機組運行的最佳工況，有效地解決了機組主電機后端軸瓦振動問題，為今后同類設備處理類似振動問題提供新的思考角度和方法。

新氫壓縮機；主電機；振動；壓縮比

1　引言

振動問題是煉油化工企業(yè)大型機組運行過程中常見的設備故障之一，引起振動的原因和機理較為復雜，大型設備出現(xiàn)振動異常時，如不及時發(fā)現(xiàn)處理，有可能造成機組損壞，裝置緊急停工。對于正常運行中的大型機組，一旦振動問題出現(xiàn)后，判斷原因較為困難，現(xiàn)場設備工程師大多數(shù)情況下是從設備本身的機械性能上去分析和查找原因。例如：檢查設備地腳螺栓是否松動、設備對中是否良好、潤滑油是否乳化變質、軸承是否磨損等［1］。本文針對克拉瑪依石化公司某加氫裝置新氫壓縮機主電機后端軸瓦振動異常的問題，分別從設備本身的機械性能和工藝運行工況兩方面進行了原因分析。首先對設備本身的機械性能進行了檢查測試，在排除設備本身故障引起振動的原因后，進一步從優(yōu)化工藝運行參數(shù)角度去思考，通過現(xiàn)場實驗，對比了8種不同工況下機組的運行參數(shù)和振動數(shù)據的變化情況后，發(fā)現(xiàn)合理分配機組各級間壓縮比，可有效地平衡壓縮機曲軸和電機主軸上的慣性力，實現(xiàn)軸上載荷的合理分布，從而降低該機組主電機后端軸瓦水平振動的規(guī)律，在此實驗的基礎上，優(yōu)選出機組運行的最佳工況方案，通過合理調整機組運行參數(shù)設定值，有效地解決了主電機后端軸瓦振動問題，為今后同類設備處理類似振動問題提供了新的思考角度和方法。

2　機組概況

克拉瑪依石化公司某加氫改質裝置于2012年4月正式投入運行，設有2臺往復式新氫壓縮機，運行條件是一開一備，新氫壓縮機K-3101/A機負荷調節(jié)方式采用賀爾碧格公司的HydroCOM無級氣量調節(jié)，做為裝置運行的主力機，不但節(jié)能效果顯著，而且調節(jié)手段靈活，可實現(xiàn)各級間壓縮比的調整分配，K-3101/B機負荷調節(jié)方式采用“三返一”旁路調節(jié)［2］，兩機組設計參數(shù)如下：

型號：D-34.66/19-132（J3D100E）；

結構形式：三列對置不平衡固定式水冷機組，三列三級壓縮；

吸氣壓力：一級1.98 MPa、二級3.94 MPa、三級7.42 MPa；

排氣量：34000 Nm3/h；

排氣壓力：一級4.06 MPa、二級7.65 MPa、三級13.20 MPa；

電機功率：3150 kW；

電機型號：TAW3150-20/2600W；

工作介質：氫氣。

3　故障過程

2014年9月13日，克拉瑪依石化公司某加氫改質裝置新氫壓縮機K-3101/A機主電機后端軸瓦振動異常，水平振動值6.5 mm/s，最大的位置可達9.0 mm/s以上，測試該機組主電機前端軸瓦水平振動為2.0 mm/s，再對比裝置內另一臺運行的循環(huán)氫壓縮機主電機相同部位的振動數(shù)據均在2.0 mm/s以下。該機組主電機軸瓦由上、下2個半圓弧狀瓦通過螺栓聯(lián)接在一起，測振發(fā)現(xiàn)下半部軸瓦振動并不大，振動大的部位集中在上半部軸瓦上，而且上半部瓦越靠近頂部振動越大，頂部最大值達9.1 mm/s，底部為6.5 mm/s。

緊急停機后對該機組主電機后端軸瓦解體檢查，檢查內容為：測量軸瓦間隙、檢查電機地腳螺栓是否松動、測試飛輪與聯(lián)軸器聯(lián)接螺栓預緊力、測試電機軸同心度、更換前、后端軸瓦潤滑油、研磨修復下部軸瓦表面損傷。通過以上檢查測試，除發(fā)現(xiàn)電機下半部軸瓦與主軸有輕微摩擦的損傷痕跡進行了研磨修復外，并無其它異常問題，顯然電機下半部軸瓦與主軸有輕微摩擦的痕跡也并不是引起機組主電機后端軸瓦振動的原因，所以，因設備本身機械性能故障造成的振動可能性較小［3］。檢查完畢后進行再次開機試運行，開機后該振動問題沒有消除。

4　振動問題分析

4.1機組本體診斷分析過程

針對2014年9月13日新氫壓縮機K-3101/A主電機后端軸瓦水平振動，通過測量軸瓦間隙、檢查電機地腳螺栓是否松動、測試飛輪與聯(lián)軸器聯(lián)接螺栓預緊力、測試電機軸同心度、更換前、后端軸瓦潤滑油、研磨修復下部軸瓦表面損傷等措施后，再次開機振動依然未消除這一問題，于2014年9月16日對該機組主電機和曲軸箱進行了一次全面的振動監(jiān)測，以進一步分析可能引起振動的其它原因［4］。

設備結構與測點布置簡圖見圖1；振動數(shù)據，見表1～2；頻譜圖見圖2～3。

由表1振動數(shù)據可見，電機各測點振動值均高于上次（2014年9月10日），其中電機軸瓦后端水平方向測點（測點M-OB-H）振動值超過一級報警值。

分析設備歷史運行工況，2013年8月6日電機后端軸瓦水平振動值突然增加，超過一級報警值，當時機組負荷為65%，當負荷升高時此測點振動有所下降（見表1），當時頻譜圖中的頻率成分及各頻率的幅值變化情況與此次相同（見表2）。

分析2次監(jiān)測該測點的振動頻譜圖可知（見圖2、圖3），頻譜圖中主要頻率成分為10Hz和150Hz，分別是轉速頻率的2X（2倍頻）和30X（30倍頻）。從表2可知，隨著該測點振動通頻值的增加（由3.0 mm/s升至6.4 mm/s），2X幅值變化不大，振動值的增加主要是由于150 Hz頻率的幅值增加所致（見表2），此頻率是轉速頻率的30倍，分析此頻率可能是軸承結構的自振頻率。

圖1　壓縮機結構及測點示意圖

表1　設備本體各測點振動值（單位：mm/s）

表2　電機軸瓦后端水平測點M-OB-H振動通頻值及頻譜圖中各頻率幅值（振動值mm/s和頻率Hz）

圖2　測點M-OB-H振動頻譜圖（9月10日）

圖3　測點M-OB-H振動頻譜圖（9月16日）

通過以上分析可知，此次電機后端軸瓦水平方向振動值的增加主要是由于150 Hz頻率幅值的增加所致。以上分析中的150 Hz如果是軸承結構的自振頻率，那么此頻率幅值的增加，其原因是：一方面可能是與設備負荷，2013年8月負荷為65%曾引起此頻率幅值的增加，當負荷增大時幅值下降，此次運行負荷已經達到機組正常負荷82%，查閱以往該負荷下的振動數(shù)據，均在優(yōu)良范圍，進一步排除該負荷下引起振動大的可能性；另一方面可能與運行參數(shù)設定有關，查閱歷史運行參數(shù)，設備運行參數(shù)基本未改變，現(xiàn)唯一可以改變的參數(shù)是機組各級間的壓縮比設定［5］。

4.2現(xiàn)場實驗過程分析

實驗過程簡介：新氫壓縮機K-3101/A正常運行時，通過改變二、三級間入口表壓設定值來調整各級間的壓縮比分配，初始工況二級入口表壓設定值為3.6 MPa，三級入口表壓設定值為6.9 MPa，此時測振數(shù)據作為初始狀態(tài)值，之后依次將二級入口表壓設定值逐漸遞增，依次設定為3.7 MPa、3.8 MPa、3.9 MPa、3.95 MPa，三級入口表壓設定值也逐漸遞增，依次設定為7.0 MPa、7.1 MPa、7.2 MPa、7.3 MPa，二、三級設定參數(shù)的改變可以交替組合出8種不同的運行工況，對這8種不同工況依次測試電機前、后端軸瓦的振動、機組機身振動、氣缸軸向振動數(shù)據作比對分析，期待從實驗中找出振動的變化規(guī)律。

實驗數(shù)據分析：由表3的實驗數(shù)據可知，通過逐漸提高一級壓縮比、逐漸減小二、三級壓縮比后，機組機身振動略有上升，一、二、三級缸缸頭軸向振動也有變化，但均在設備優(yōu)良運行范圍內，唯一變化較大的是電機后端軸瓦的水平振動，通過表3的振動實驗數(shù)據分析已發(fā)現(xiàn)，通過調整二、三級入口設定壓力來實現(xiàn)各級間壓比的合理分配可以有效降低電機后端軸瓦水平振動的規(guī)律。為了便于更直觀分析，本文篩選出表3中的幾個關鍵參數(shù)——機身振動、電機后端軸瓦水平振動值、一級壓力比、二級壓力比、三級壓力比的趨勢變化單獨繪入圖4中進行對比分析。結合圖4可以進一步看出，工況7：二級入口表壓設定為3.9 MPa，三級入口表壓設定為7.3 MPa，一級壓比：2.103，二級壓比：1.875，三級壓比：1.797，電機后端水平振動可降至3.1 mm/s，已滿足往復設備振動監(jiān)測良好的標準，最終優(yōu)選工況7作為目前運行工況，但是電機后端軸瓦水平振動值減小后，相應的機組機身振動會略有增加，由正常的2.9 mm/s增至3.1 mm/s，但也控制在了良好的范圍內。

表3　新氫壓縮機K-3101/A不同工況下的振動實驗測量數(shù)據

圖4　新氫壓縮機K-3101/A主電機后軸瓦不同工況下的振動趨勢圖

實驗結論：由以上實驗數(shù)據分析可知，機組主電機后端軸瓦水平振動不是由設備本身機械性能故障引起的，再次證明了先前結論分析的正確性，通過調整機組各級間壓縮比的合理分配可有效降低該振動值，說明此振動與電機軸和曲軸上（連為一體）的載荷力分布有關，隨著各級間壓縮比的改變，整個軸上的慣性載荷力發(fā)生改變，從而使軸上的振動分布也發(fā)生改變和轉移。

5　結語

（1）通過優(yōu)化機組運行工況，合理分配各級間壓縮比，可有效地平衡壓縮機曲軸和電機主軸上的慣性力，實現(xiàn)軸上載荷的合理分布，有效降低該機組主電機后端軸瓦的振動。

（2）為解決振動問題提供了新的思考角度和方法。振動故障需要具體問題具體分析，大型機組振動的原因和機理較為復雜，僅僅從設備本身機械性能上去找原因是不夠的，有時會陷入瓶頸，而換一種思考問題的角度和方法，往往會取得事半功倍的效果。

（3）解決設備振動問題，尤其是大型設備的振動，需要從設備本身和工藝運行等多角度去分析，只有抓住了故障的主因，問題才會迎刃而解。

［1］莫才頌.乙烯空分裝置C001A軸振動原因分析［J］.壓縮機技術，2013，239（3）：53-55.

［2］潘強.氫氣壓縮機振動的原因分析及減振措施［J］.壓縮機技術，2013，242（6）：57-60.

［3］Qin Hongbo.Compressed Air System Performance Measurement and Analysis Method Study［A］.The 5th International Conference on Compressor and Refrigeration［C］.Xi An：Xi an Jiaotong University，2005：30-35.

［4］郁永章.中、大型往復壓縮機系統(tǒng)中的管道振動與消除［J］.壓縮機技術，2013，240（4）：46-48.

［5］Dai Yande.Energy Efficiency and Market Potential of Electric Motor System in China［M］.Beijing：China Machine Pressure，2001：101-110.

Analysis and Treating of New Hydrogen Compressor Main Motor Rear Bush Vibration Problem

PAN Qiang1，JIANG Yuan2，HU Jian-zhong1，LYU Jian-chao1
（1.PetroChina Karamay Petrochemical Company，Karamay 834000，China；2.PetroChina Urumqi Petrochemical Company，Urumqi 831400，China）

According to the problem of main motor rear bearing vibration occurred in a hydrogenation upgrading device of new hydrogen compressor for Karamay Petrochemical Corporation，the paper analyzed the reasons from two aspects of mechanical and process operation conditions of the equipment itself，finally it is through the field experiments.It is found that the rational allocation unit at all levels between the compression ratio can effectively reduce the vibration unit main motor rear bearing vibration based on comparing the varying rules of operation parameters and vibration data under 8 different conditions of unit.On the basis above，the best condition of unit operation is optimized，which effectively solves the problem of main motor rear bearing unit vibration，and provides a new thinking and method for treating similar vibration problem for similar equipment.

hydrogen compressor；main motor；vibration；compression ratio

TH45

B

1006-2971（2015）05-0057-05

潘強（1982-），男，四川內江人，工程師，碩士，在中國石油克拉瑪依石化公司從事設備技術管理工作，已在國家核心期刊和論文交流會議上發(fā)表論文10余篇。E-mail：panqiang@petrochina.com.cn

2015-04-09