汽輪機葉片結(jié)垢故障診斷與運行過程中的處理

山 崧

(中國石油化工股份有限公司 天津分公司裝備研究院，天津 300271)

工業(yè)汽輪機具有運行平穩(wěn)，連續(xù)運行時間長，可以提供較高的工作轉(zhuǎn)速和較大的功率范圍，并可實現(xiàn)相對平穩(wěn)的變運行轉(zhuǎn)速、變功率輸出操作，在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中得到廣泛的應用。汽輪機運行過程中通流部分結(jié)垢是影響機組穩(wěn)定連續(xù)運行的常見問題，如果能夠盡早發(fā)現(xiàn)、診斷此類問題，采取相應措施是可以降低甚至消除結(jié)垢的影響。

造成結(jié)垢的主要原因是蒸汽鍋爐水污染，蒸汽鍋爐用水由于設備防腐蝕要求，需要保證其pH值呈堿性，數(shù)值控制范圍隨蒸汽壓力不同要求不同，通常采用向爐水中添加磷酸根鹽(磷酸三鈉)的方式來調(diào)整pH值，有時需要補充添加藥劑確保PH值合格。因此，進入汽輪機的新蒸汽中總會含有一定量鹽分，蒸汽在汽輪機內(nèi)膨脹做功時參數(shù)降低，攜帶鹽分的能力逐漸減弱，分離出來的鹽分在蒸汽通流部位表面形成鹽垢，但這樣的鹽垢質(zhì)地松軟可以被之后的蒸汽帶走，正常情況下不會造成持續(xù)堆積。當蒸汽中鹽含量超標或鍋爐水受污染時，汽輪機通流部位表面附著鹽垢增加不能被及時帶走，且隨附著時間加長其質(zhì)地逐漸堅硬形成結(jié)垢，結(jié)垢通常在中、低壓各級葉輪最嚴重。

汽輪機轉(zhuǎn)子結(jié)垢可以通過振動監(jiān)測和運行參數(shù)變化等信息加以診斷。結(jié)垢會造成轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，但與其它不平衡類故障的特征也存在一些差別。在振動監(jiān)測數(shù)據(jù)信息中，結(jié)垢造成的轉(zhuǎn)子不平衡故障通常體現(xiàn)為振動值緩慢增長，且過程中往往會存在小幅回落再上升現(xiàn)象，這是由于不平衡質(zhì)量來自于不均勻粘結(jié)部分，且存在部分脫落造成。振動譜圖中轉(zhuǎn)子工頻成分幅值在全頻值中占很高比例，工頻相位存在緩慢變化。另外，汽輪機轉(zhuǎn)子軸位移會產(chǎn)生變化。在機組運行參數(shù)中，會出現(xiàn)汽輪機輪室壓力升高，蒸汽進、排氣溫度溫差減小，汽輪機輸出功率降低等情況。

1 案例介紹及故障診斷

1.1 設備及故障介紹

圖1 煙氣能量回收四機組結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 汽輪機各測點軸振動趨勢圖

圖3 汽輪機各測點1倍頻幅值趨勢圖

某石化企業(yè)煉油廠催化裂化裝置煙氣能量回收四機組由煙氣透平、軸流壓縮機、汽輪機、變速箱和同步電動/發(fā)電機組成。煙氣輪機將催化劑再生燃燒后產(chǎn)生的具有一定壓力能和熱能的煙氣轉(zhuǎn)換為機械能，同汽輪機一起驅(qū)動軸流壓縮機，為反再系統(tǒng)提供燃燒用風；同步電動/發(fā)電機回收驅(qū)動機富余的能量，并為機組提供電熱平衡調(diào)節(jié)手段。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1。

機組于2018年7月中旬開始汽輪機軸流風機側(cè)測點1X軸振動值緩慢升高，至8月中下旬振值從15 μm升至23 μm，汽輪機其它三個測點振動值沒有明顯變化。在這一階段，汽輪機輸出功率可以滿足生產(chǎn)工藝高負荷要求。8月底至9月中下旬，測點1X振動值呈現(xiàn)加速上升趨勢，振動值最大達到53 μm，振值上升過程中隨機出現(xiàn)小幅回落再上升現(xiàn)象，同位置另一測點1Y和汽輪機變速箱側(cè)測點2Y振動值也出現(xiàn)一定幅度的同步上升。汽輪機兩端支撐位置各測點軸振動趨勢如圖2。對汽輪機各測點頻域譜圖分析，各測點振動全頻值中工頻分量幅值占比達到80%至95%。汽輪機各測點1倍頻趨勢圖如圖3，圖中觀察到在1倍頻振動幅值上升的過程中其相位也隨之發(fā)生變化。在此階段，汽輪機輸出功率明顯降低，輪室壓力由正常時的2.4 MPa至2.5 MPa升高到2.9 MPa，進、排汽溫度差由正常時的124℃下降至89℃。綜合分析、診斷，基本可以認定汽輪機轉(zhuǎn)子葉片存在結(jié)垢問題。

1.2 故障原因分析

分析汽輪機結(jié)垢問題的成因，主要方向是鍋爐水和蒸汽的品質(zhì)。這臺汽輪機的蒸汽來源分別是余熱鍋爐容1、外取熱發(fā)汽容2和油漿發(fā)汽容3。從對應時間段的水、汽檢測報告看，鍋爐水pH值在9～11之間、磷酸根值在5～15 mg/L之間、硅元素≤2 mg/L，均在合格范圍內(nèi)；容1、2飽和蒸汽及容3余熱過熱蒸汽按標準要求硅≤20 μg/L、鈉≤15 μg/L，而日常檢測工作中藥劑廠家只化驗爐水，不化驗蒸汽。為此，9月18日起安排對過熱蒸汽品質(zhì)檢測，并由鍋爐專業(yè)人員和化驗專業(yè)人員對汽輪器的影響進行評估。對過熱蒸汽品質(zhì)檢測發(fā)現(xiàn)過熱蒸汽硅含量偏高，而且在本次容2爐水檢測中磷酸根也出現(xiàn)超標情況，經(jīng)過專業(yè)人員分析、評估不排除蒸汽品質(zhì)不合格造成結(jié)垢產(chǎn)生的可能，污染物來源需要進一步查找。

2 故障成因和故障消除

基本確定汽輪機軸振動增大的原因后，首先采取減少汽輪機進氣量，調(diào)整加藥劑量，置換容2爐水，加大、加密爐水排污等措施以控制軸振動值上升趨勢，為徹底查找污染物來源爭取時間。采取以上措施后汽輪機軸振動開始下降，汽輪機進、排氣溫差增加5℃左右，汽輪機運行情況有所好轉(zhuǎn)。

徹查三個汽包的排污流程發(fā)現(xiàn)容1和容2排污采取定排、聯(lián)排方式，而容1安裝位置高于容2接近20 m，定排、聯(lián)排時容污水完全有倒灌如容2，導致容2沒有有效排污的可能。此后采取容1、容2分別定排，容1排污時關(guān)閉容2排污出口閥的措施，汽輪機軸流風機側(cè)軸振動有了大幅降低，至10月10日汽輪機測點1X、1Y兩方向軸振動值分別降至6.5 μm和9.7 μm，機組恢復正常運行狀態(tài)。

3 結(jié)束語

汽輪機轉(zhuǎn)子葉片結(jié)垢會造成轉(zhuǎn)子不平衡類故障，但與其它不平衡類故障的特征也存在一些差別。盡早發(fā)現(xiàn)，并結(jié)合設備運行參數(shù)變化情況進行診斷，采取相應措施，可以降低甚至消除結(jié)垢問題對設備連續(xù)運行的影響。