合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)軸振值波動(dòng)原因分析及優(yōu)化

郭 濤，黃建國(guó)

（河南晉開化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南開封 475000）

河南晉開化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司二分公司百萬噸總氨項(xiàng)目有2套600kt／a合成氨裝置，每套合成氨裝置配套2臺(tái)離心式合成氣壓縮機(jī)，由汽輪機(jī)拖動(dòng)，4臺(tái)合成氣壓縮機(jī)于2012年11月陸續(xù)試車投運(yùn)。2016年以來，8＃合成氣壓縮機(jī) （以下簡(jiǎn)稱8＃機(jī)組）汽輪機(jī)軸振值頻繁發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)時(shí)機(jī)組要經(jīng)過大幅度減負(fù)荷降低汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速其軸振值才逐步下降，這種無規(guī)律的波動(dòng)給操作人員帶來了很大的操作難度，也對(duì)合成氨裝置的穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大影響。

1 汽輪機(jī)簡(jiǎn)介

合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)為合成氣壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)，汽輪機(jī)與合成氣壓縮機(jī)通過膜片式聯(lián)軸節(jié)聯(lián)接，由葫蘆島錦西化機(jī)透平制造有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，整體設(shè)計(jì)為雙輸出軸抽汽凝汽式，主要技術(shù)參數(shù)為：型號(hào)5EH-7BD，額定進(jìn)汽壓力8.83MPa，額定進(jìn)汽溫度520℃，抽汽壓力3.8 MPa，抽汽溫度427℃，額定進(jìn)汽量77t／h（正常工作 72t／h），額定抽汽量 0～40t／h，正常功率11550kW，正常轉(zhuǎn)速11870r／min，排汽壓力0.012MPa（A），排汽溫度49℃。

2 8＃機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)的問題

從2016年2月開始，8＃機(jī)組的汽輪機(jī)軸振值開始頻繁波動(dòng)，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)下多次出現(xiàn)幾分鐘內(nèi)軸振值從20μm左右快速上漲至接近跳車值50μm。軸振值上漲后，操作人員需大幅度減負(fù)荷和降低汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速才能使汽輪機(jī)軸振值逐步下降，然后機(jī)組緩慢加負(fù)荷，汽輪機(jī)軸振值隨即恢復(fù)正常。由于汽輪機(jī)的軸振值不是持續(xù)偏離正常值，而是表現(xiàn)為無規(guī)律的突發(fā)性波動(dòng)，如果操作人員在軸振值突然上漲時(shí)未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，就有可能造成機(jī)組跳車。因此，這種異常情況給操作人員帶來了很大的操作難度，增加了操作風(fēng)險(xiǎn)，也給合成氨裝置的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了較大影響。

3 汽輪機(jī)軸振值波動(dòng)的可能原因分析與排查

3.1 工藝系統(tǒng)波動(dòng)

機(jī)組運(yùn)行過程中，如果工藝系統(tǒng)出現(xiàn)大幅度加減負(fù)荷、防喘振閥動(dòng)作、氫氮比失調(diào)等波動(dòng)，就會(huì)對(duì)整個(gè)壓縮機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響，可能造成汽輪機(jī)的軸振值突然升高。但我們經(jīng)過對(duì)8＃機(jī)組汽輪機(jī)軸振動(dòng)值波動(dòng)前后相關(guān)工藝參數(shù)的變化趨勢(shì)逐一排查，發(fā)現(xiàn)在汽輪機(jī)軸振值發(fā)生波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷、防喘振閥開度、氫氮比等相關(guān)工藝參數(shù)基本穩(wěn)定，沒有發(fā)生大幅波動(dòng)，由此可排除工藝系統(tǒng)波動(dòng)對(duì)汽輪機(jī)軸振值造成影響的可能。

3.2 潤(rùn)滑油系統(tǒng)波動(dòng)

潤(rùn)滑油量不足、潤(rùn)滑油壓力和溫度不在指標(biāo)范圍內(nèi)、潤(rùn)滑油品質(zhì)差，都會(huì)影響軸承的潤(rùn)滑效果，可能造成油膜不均勻，繼而對(duì)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡造成影響并波及汽輪機(jī)的軸振值。但經(jīng)過對(duì)壓縮機(jī)組油系統(tǒng)的詳細(xì)排查，并沒有發(fā)現(xiàn)油系統(tǒng)存在問題。為防止?jié)櫥瓦B續(xù)運(yùn)行出現(xiàn)雜質(zhì)增多這一問題，我們采取了2個(gè)措施：一是利用外置濾油機(jī)對(duì)油箱中的油定期進(jìn)行循環(huán)過濾，以防止管道中殘存的雜物帶入軸承室中；二是定期檢查供油管線上的油過濾器，視情況更換濾芯，以提高雜質(zhì)過濾效果。但采取以上措施后汽輪機(jī)軸振值頻繁波動(dòng)現(xiàn)象并沒有得到有效緩解，由此可排除潤(rùn)滑油系統(tǒng)波動(dòng)對(duì)汽輪機(jī)軸振值造成影響的可能。

3.3 汽封輔助蒸汽帶水

機(jī)組開車時(shí)汽封輔助蒸汽由1.5MPa蒸汽管網(wǎng)提供，正常運(yùn)行時(shí)低壓側(cè)汽封蒸汽由高壓側(cè)汽封泄漏蒸汽提供，終端泄漏汽由汽封抽汽冷凝器抽負(fù)壓回收。由于汽輪機(jī)汽封輔助蒸汽為外管網(wǎng)送來的1.5MPa蒸汽，該蒸汽的過熱度較差，汽輪機(jī)附近蒸汽管道實(shí)測(cè)溫度只有200℃左右，如果汽封輔助蒸汽攜帶冷凝水進(jìn)入汽封，就可能引起汽輪機(jī)軸振值升高。該輔助蒸汽為開車時(shí)使用，正常情況下該輔助蒸汽閥處于關(guān)閉狀態(tài)，但也不能排除汽封輔助蒸汽閥內(nèi)漏的情況。為此，技術(shù)人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)汽封輔助蒸汽管道進(jìn)行溫度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)該蒸汽管道溫度達(dá)350℃，處于過熱狀態(tài)，因此汽封輔助蒸汽閥應(yīng)該不存在內(nèi)漏，即使存在少量?jī)?nèi)漏，在這么高的溫度下也很難有冷凝水產(chǎn)生，由此基本上可排除汽封輔助蒸汽帶水對(duì)汽輪機(jī)軸振值造成影響的可能。但為防止汽封輔助蒸汽閥內(nèi)漏量過大對(duì)汽輪機(jī)軸振值造成影響，技術(shù)人員還是采取了在線監(jiān)控汽封蒸汽溫度和壓力的對(duì)策。

3.4 蒸汽管道應(yīng)力

蒸汽管道安裝過程中操作不當(dāng)或未按要求安裝等，會(huì)使運(yùn)行過程中管道移位、應(yīng)力得不到合理釋放，由此都會(huì)對(duì)汽輪機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行造成一定的影響。通過對(duì)8＃機(jī)組汽輪機(jī)發(fā)生軸振值波動(dòng)時(shí)的工藝參數(shù)進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)軸振值波動(dòng)大多數(shù)發(fā)生在其他合成氣壓縮機(jī)開停車或加減負(fù)荷過程中，進(jìn)一步查看汽輪機(jī)主蒸汽溫度和中抽蒸汽溫度，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)軸振值發(fā)生波動(dòng)之前主蒸汽溫度和中抽蒸汽溫度都發(fā)生過較為明顯的變化，主蒸汽溫度最高時(shí)達(dá)525℃以上，且溫度升高時(shí)軸振值升高、溫度降低時(shí)軸振值降低。于是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)蒸汽管道進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)主蒸汽管線靠近8＃機(jī)汽輪機(jī)處的2個(gè)彈簧支架位移量不一致，1個(gè)＋10mm，1個(gè)＋5mm，而停車時(shí)2個(gè)支架位移基本上回落到零位。另外，8＃機(jī)組汽輪機(jī)中抽蒸汽管道因工藝方面的原因未投用，但中抽蒸汽管道溫度顯示偏高，最高達(dá)到390℃ （正常時(shí)在210～280℃），中抽蒸汽管道現(xiàn)場(chǎng)靠近蒸汽閥處彈簧支架位移量達(dá)到＋10mm（其他3臺(tái)合成氣壓縮機(jī)位移量在開車和停車狀態(tài)時(shí)基本上都維持在5mm以內(nèi)），在8＃機(jī)組停車后，彈簧支架位移量逐步恢復(fù)到零位，且管道在8＃機(jī)組基礎(chǔ)南側(cè)有1個(gè)管托發(fā)生較為明顯的位移。由此我們推斷蒸汽管道應(yīng)力應(yīng)該是8＃機(jī)組汽輪機(jī)軸振值波動(dòng)的主要原因之一。

3.5 動(dòng)、靜部件發(fā)生碰摩

8＃機(jī)組自2013年開車以來，已運(yùn)行4a，期間汽輪機(jī)未進(jìn)行過大修。于是我們對(duì)2013年和2016年汽輪機(jī)的重要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下：2013年8＃機(jī)組汽輪機(jī)輪室壓力、二級(jí)后壓力、三級(jí)后壓力分別為4.3MPa、3.5MPa、1.7MPa；2016年8＃機(jī)組汽輪機(jī)輪室壓力、二級(jí)后壓力、三級(jí)后壓力分別為5.2MPa、4.2MPa、2.2MPa。從變化趨勢(shì)來看，汽輪機(jī)前幾級(jí)葉輪后的壓力逐漸升高，表明汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子及通流部分結(jié)垢趨勢(shì)在加劇。而當(dāng)汽輪機(jī)結(jié)垢不均勻時(shí)，就會(huì)影響汽輪機(jī)的軸振值，且結(jié)垢會(huì)造成動(dòng)、靜部件間隙變小，尤其是汽封和級(jí)間密封的間隙，一旦發(fā)生碰摩，就會(huì)造成軸振值波動(dòng)明顯。由此我們推斷汽輪機(jī)動(dòng)、靜部件發(fā)生碰摩應(yīng)該是8＃機(jī)組汽輪機(jī)軸振值波動(dòng)的主要原因之一。

4 8＃機(jī)組汽輪機(jī)軸振值波動(dòng)原因的綜合判斷

通過以上排查和分析，技術(shù)人員斷定8＃機(jī)組汽輪機(jī)軸振值波動(dòng)的主要原因如下：汽輪機(jī)葉輪及通流部分結(jié)垢加劇，造成動(dòng)、靜部件間隙變小，當(dāng)主蒸汽、中抽蒸汽管道溫度發(fā)生變化時(shí)，由于熱應(yīng)力加劇，汽缸位移受到影響，動(dòng)、靜部件間隙發(fā)生變化，當(dāng)間隙逐步縮小至達(dá)到碰摩條件時(shí)，動(dòng)、靜部件發(fā)生碰摩，汽輪機(jī)軸振值快速上漲；而當(dāng)采取汽輪機(jī)減負(fù)荷、降轉(zhuǎn)速等處理措施后，蒸汽管道對(duì)汽缸產(chǎn)生的應(yīng)力減小，動(dòng)、靜部件間隙逐步增大，碰摩現(xiàn)象消除，汽輪機(jī)軸振值隨即恢復(fù)正常。

5 優(yōu)化措施及檢修建議

5.1 調(diào)整主蒸汽溫度

汽輪機(jī)主蒸汽管道廠控壓力9.0～9.5MPa、溫度500～530℃，為減小主蒸汽管道熱應(yīng)力對(duì)汽缸的影響，經(jīng)技術(shù)人員討論，將主蒸汽溫度由525℃降至510℃左右。

5.2 調(diào)整中抽蒸汽管道溫度

經(jīng)檢查，確認(rèn)8＃機(jī)組中抽蒸汽管道溫度高的原因有二：一是為防止中抽蒸汽管道積液，其蒸汽導(dǎo)淋保留有一定的開度；二是中抽蒸汽導(dǎo)淋根部閥處焊縫有1個(gè)沙眼，蒸汽存在泄漏現(xiàn)象。據(jù)檢查結(jié)果和綜合判斷，隨即關(guān)閉中抽蒸汽管道導(dǎo)淋閥，并對(duì)根部閥處的漏點(diǎn)進(jìn)行了補(bǔ)焊處理。處理后，中抽蒸汽管道溫度由350℃降至230℃左右，中抽蒸汽管道現(xiàn)場(chǎng)靠近蒸汽閥處彈簧支架位移量由＋10mm降至＋6mm。

5.3 檢修建議

采取上述兩方面的優(yōu)化措施后，8＃機(jī)組汽輪機(jī)軸振值近1a來未發(fā)生過大的波動(dòng)，這也充分表明之前我們對(duì)8＃機(jī)組汽輪機(jī)軸振值波動(dòng)原因的判斷是準(zhǔn)確的，所采取的優(yōu)化措施也是有效的。但同時(shí)我們也認(rèn)識(shí)到，8＃機(jī)組汽輪機(jī)軸振值異常波動(dòng)的問題只是暫時(shí)得到緩解，其實(shí)并未從根本上消除機(jī)組存在的缺陷。依據(jù)汽輪機(jī)廠家提供的參考建議，一般情況下汽輪機(jī)3～5a需要大修1次，并且第1次大修時(shí)間應(yīng)根據(jù)試車以及運(yùn)行情況提前進(jìn)行。為此，針對(duì)目前汽輪機(jī)的運(yùn)行狀況，技術(shù)人員給公司提出了對(duì)8＃機(jī)組汽輪機(jī)進(jìn)行大修的建議，并且大修時(shí)要對(duì)相關(guān)蒸汽管道存在的熱應(yīng)力缺陷進(jìn)行校正。目前這一檢修建議已得到公司同意，已作出2018年對(duì)8＃機(jī)組汽輪機(jī)進(jìn)行大修的計(jì)劃。

6 結(jié) 語

針對(duì)8＃機(jī)汽輪機(jī)軸振值異常波動(dòng)的問題，公司技術(shù)人員針對(duì)可能的原因逐一進(jìn)行分析與排查，經(jīng)過長(zhǎng)期的跟蹤，并對(duì)照汽輪機(jī)軸振值的變化趨勢(shì)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、管道的實(shí)際運(yùn)行情況，提出了汽輪機(jī)軸振值異常波動(dòng)的主要原因和可能原因，并針對(duì)每一種原因采取了對(duì)應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整措施，暫時(shí)解決了8＃機(jī)組汽輪機(jī)軸振值波動(dòng)的問題，在一定程度上保證了合成氣壓縮機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，為了給合成氨裝置的長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障，技術(shù)人員提出了對(duì)8＃機(jī)組汽輪機(jī)進(jìn)行大修的建議，這一建議已納入公司2018年的檢修計(jì)劃。