壓縮機轉(zhuǎn)子強烈振動的系統(tǒng)診斷

董玉華，王 平，李明日，陳建江

（1.中國石油大慶石化公司，黑龍江大慶 163714；2.北京博華信智科技股份有限公司，北京 100029；3.北京朗夫賽弗技術(shù)有限公司，北京 100085）

0 引言

在對運行機組進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測及故障診斷中，發(fā)現(xiàn)有很多機組部件強烈振動，通過采集和監(jiān)測振動數(shù)據(jù)得出診斷結(jié)論，根據(jù)診斷結(jié)論提出措施進(jìn)行多次改進(jìn)而不見效果。例如，有些設(shè)備在長達(dá)十幾天、幾十天甚至一年多的時間里，進(jìn)行了多次的轉(zhuǎn)子動平衡處理、軸系對中處理、機組基礎(chǔ)支撐緊固狀態(tài)處理、管線支撐部分處理、換瓦、調(diào)整軸瓦安裝間隙等改善手段，得不到預(yù)期效果，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和形成環(huán)保危害隱患等；問題往往出在故障機理不清楚、僅僅關(guān)注表現(xiàn)出振動過大的轉(zhuǎn)子本身，沒有把振動過大的轉(zhuǎn)子與整機系統(tǒng)、流程系統(tǒng)、自然環(huán)境系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子材料微觀金相組織作為有機的整體考慮。通過實例，從機組的工藝流程環(huán)境系統(tǒng)、自然環(huán)境系統(tǒng)，綜合分析并解決旋轉(zhuǎn)機械振動過大問題，由此說明，如果對于一些故障原因不明顯，僅在機組本體實施改善措施而沒有效果的轉(zhuǎn)子強烈振動問題，應(yīng)全面考慮大范圍系統(tǒng)環(huán)境因素。

1 轉(zhuǎn)子振動過大的系統(tǒng)環(huán)境延伸分析

在旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷過程中，大部分設(shè)備轉(zhuǎn)子振動過大問題，可以通過在線與離線采集和分析振動及相關(guān)數(shù)據(jù)得出故障原因和機理，針對機組本體提出解決方案，實施后會由明顯改善；但還有少部分設(shè)備的轉(zhuǎn)子振動過大問題，僅分析振動數(shù)據(jù)無法得出癥結(jié)所在，在機組本體采取改善措施幾乎沒有效果，這些設(shè)備在企業(yè)中又非常關(guān)鍵，而且會產(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)效益及社會效益影響，因此必須擴(kuò)大故障原因和機理的分析范圍，不僅要考慮轉(zhuǎn)子的動平衡問題、軸系的對中問題、軸瓦的安裝及質(zhì)量、機組本體的所有常見問題；還要把范圍擴(kuò)大到石油化工系統(tǒng)流程中，擴(kuò)大到自動控制系統(tǒng)、設(shè)備所處的自然環(huán)境、轉(zhuǎn)子金屬材料的金相組織等，才能徹底解決轉(zhuǎn)子振動過大問題。

2 大氣參數(shù)造成的轉(zhuǎn)子振動異常

一臺汽輪機驅(qū)動的軸流與離心式空氣壓縮機，轉(zhuǎn)速8100 r/min，流量48 000 m3/h 與49 000 m3/h。給油潤滑油總管壓力0.252 MPa，油溫38 ℃（日常狀態(tài)）。在壓縮機入口流量48 000 m3/h 狀態(tài)下，壓縮機入口側(cè)2 測點振動最小振幅位移峰峰值30 μm，每天24 h 中，多數(shù)時間振幅超過30 μm，而在下午15:00 到16:30之間，振動呈波動狀態(tài)，最大超過60 μm，振幅超過60 μm 時，45 Hz 的低頻分量幅值超過1 倍頻分量幅值，見圖1、圖2。

圖1 低頻渦動小時的譜圖

圖2 低頻渦動大時的譜圖

氣溫32 ℃時，振幅最大46 μm。氣溫26 ℃時，振幅最大37 μm。此時45 Hz 的低頻成分幅值較小。根據(jù)機組目前振動的特點和分析數(shù)據(jù)確認(rèn)：壓縮機振動波動主要是由于壓縮機2 段之后的流道內(nèi)發(fā)生氣流旋轉(zhuǎn)分離所致；依據(jù)是：①壓縮機入口開度已達(dá)99.89%、導(dǎo)葉-9°流量只有49 000 m3/h，說明流道通流截面有減小處；②振動波動大時頻譜圖中45 Hz 分量幅值＞1 倍頻；③在一周時間里測量吸氣環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)，溫度和濕度高時1 段入口體積流量沒變，但經(jīng)計算得出一段后析出20 多千克水、加之冷卻，其后進(jìn)入2 段的體積流量，約比溫度和濕度低時每小時體積流量少數(shù)百甚至上千立方米。

改善措施：壓縮機的入口流量保持在49 000 m3/h 附近運行。調(diào)整流量后，振動回復(fù)正常。

如果最高氣溫降到20 ℃以下時，濕度降低后，再適當(dāng)調(diào)整流量范圍。從而說明分析診斷這類從大氣環(huán)境直接吸氣的機組故障時，環(huán)境溫度、濕度也是不可忽視的條件。

3 控制系統(tǒng)問題造成轉(zhuǎn)子振動過大案例

3.1 伺服閥內(nèi)油中雜質(zhì)超標(biāo)

乙烯透平壓縮機組的透平蒸汽控制閥出現(xiàn)持續(xù)震蕩。對此，2011 年12 月開始多次進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)采集。分別在透平機體蒸汽控制閥的上座部位、油動缸體、調(diào)速油管線等多個測點采集振動信號，提取大型透平壓縮機組故障診斷及維修決策輔助系統(tǒng)采集的透平轉(zhuǎn)子相對軸振動位移信號和頻譜圖，利用便攜式分析儀直接從機組（申克）在線振動監(jiān)測儀表的緩沖器后采集機組的軸振動信號。見圖3、圖4。

圖3 油管線及調(diào)速機構(gòu)測點位置

圖4 機組測點位置

根據(jù)測得的數(shù)據(jù)分析，機組相關(guān)測點的振幅值不大，調(diào)速器系統(tǒng)壓力油管線振幅最大73 μm。但采集的數(shù)據(jù)說明問題的危害性比較明顯。分析三種方式采集的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)殼體閥和轉(zhuǎn)子明顯存在1.5～3 Hz 的低頻成分，且幅值很高。從現(xiàn)象分析，首先經(jīng)常造成機組的轉(zhuǎn)速波動，造成透平的軸位移波動，波動范圍-4.9～-6.9 mil。其次會造成零部件、密封、軸承的磨損加劇，零部件的疲勞等。

根據(jù)機組電子液壓式調(diào)速的結(jié)構(gòu)原理、控制電路特點初步分析，造成透平蒸汽控制閥持續(xù)震蕩，進(jìn)而造成機組軸振動、管線振動的原因有2 種可能：①伺服閥內(nèi)油中雜質(zhì)超標(biāo)；②控制、穩(wěn)定電路故障。后經(jīng)GE 國內(nèi)外專家確認(rèn)，造成透平蒸汽控制閥持續(xù)震蕩的原因是伺服閥內(nèi)的油中雜質(zhì)超標(biāo)。

該案例說明，振動表現(xiàn)在機組本體上，引起的原因不一定在機組本體的機械部件范圍，通過對汽輪機電子調(diào)速系統(tǒng)分析改善，問題得到解決。

3.2 控制邏輯問題

某石化80 萬噸/年乙烯裝置制冷透平壓縮機組正常開工數(shù)天后，發(fā)生振動過大連鎖停機（88.9 μm 停機），最多一天3次振動超標(biāo)自動連鎖停機，機組裝有BH5000C 在線遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷系統(tǒng)，遠(yuǎn)程系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析結(jié)論是壓縮機喘振引起，并且給企業(yè)發(fā)出正式診斷報告，但現(xiàn)場仍無法控制振動過大跳車問題。每停機一次直接造成原料費用損失1 千多萬元人民幣，產(chǎn)值1 億多人民幣。圖5 是遠(yuǎn)程診斷報告中的振動與轉(zhuǎn)速趨勢及譜圖。

圖5 停機前后的振動趨勢及譜圖

調(diào)取BH5000C 系統(tǒng)的振動數(shù)據(jù)、DCS 數(shù)據(jù)圖表，分析防喘系統(tǒng)的動作過程；凌晨1:30 發(fā)現(xiàn)壓縮機的防喘控制邏輯不適合該機組的實際情況，上午與3C 公司負(fù)責(zé)壓縮機控制的工程師溝通，下午與主機廠工程師溝通，他們同意修改機組防喘控制邏輯，當(dāng)天下午實施后，問題得到解決。案例說明，分析出振動過大停機直接原因后，還要找出解決問題的措施，從控制系統(tǒng)防喘控制邏輯入手，改善控制邏輯，使問題得到解決。

4 化工反應(yīng)過程造成的轉(zhuǎn)子振動過大

煤化工裝置的一臺透平壓縮機組，2010 年至2014 年年底已平穩(wěn)運行5 年，壓縮機兩端振動皆為十幾微米，運行期間機組都是滿負(fù)荷工況。2014 年底大修，再開車一段時間后，機組振動開始波動，最終于2015 年4 月17 日振動幅值波動超過機組停車值，壓縮機負(fù)荷變大振動也變大，最終導(dǎo)致連鎖停機。為避免停機，壓縮機及裝置一直在50%負(fù)荷運行，企業(yè)運行一年承受1.8 億元人民幣的經(jīng)濟(jì)損失，同時還存在巨大的安全環(huán)保隱患。機組概貌及測點位置見圖6。

4 月27 日進(jìn)入現(xiàn)場了解情況后，對機組多種工況下對應(yīng)的振動信號進(jìn)行監(jiān)測分析，初步分析結(jié)果，振動過大主要由低頻渦動類問題引起。低頻渦動故障種類包括旋轉(zhuǎn)失速、喘振、密封內(nèi)氣流激振、較嚴(yán)重的松動、碰摩故障、徑向軸瓦油膜渦動、徑向軸瓦油膜振蕩。

透平和壓縮機兩端軸承振動信號頻譜中皆存在同樣的低頻成分，隨著轉(zhuǎn)速變化，低頻成分從0.33 倍頻逐漸增加到0.46 倍頻。油膜渦動特征頻率為0.42～0.48 倍頻，油膜振蕩特征頻率為1 倍的臨界轉(zhuǎn)速（壓縮機橫向一臨界轉(zhuǎn)速2350 r/min，39 Hz），通常發(fā)生在工作轉(zhuǎn)速超過2 倍的第一階臨界轉(zhuǎn)速以上時，另外當(dāng)壓縮機轉(zhuǎn)速在2 倍的第一階臨界轉(zhuǎn)速以上降速時，振幅隨流量負(fù)荷減小而明顯增大，不符合油膜振蕩規(guī)則，而油膜渦動和振蕩對負(fù)荷的變化都不敏感。據(jù)此可排除這兩者的影響。

圖6 機組概貌圖及測點位置

診斷結(jié)論：

（1）通過監(jiān)測過程中，轉(zhuǎn)速在2 倍臨界轉(zhuǎn)速以上時的“升降速驗證”，可以排除油膜渦動和油膜振蕩問題。

（2）引起振動的主要原因是循環(huán)段流量過大，合成段流量過小產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)分離。

改進(jìn)措施：

（1）運行中盡量保證合成段流量在額定工況。例如：轉(zhuǎn)速在4700 r/min 時，質(zhì)量流量保證在300 t/h 左右（視組分輕重及工況優(yōu)化運行）。

（2）循環(huán)段流量保證在額定工況范圍。

（3）合成塔溫度提高10 ℃。

采取改進(jìn)措施后，壓縮機負(fù)荷提高到95%以上，每年節(jié)省費用1.8 億元人民幣，同時消除了安全環(huán)保事故隱患。

該案列沒有在壓縮機本體上采取任何檢維修工作，而是將解決問題的“系統(tǒng)”范圍延伸到距離壓縮機很遠(yuǎn)的合成塔。還有很多類似案例，如三一重工生產(chǎn)的離心壓縮機軸系不平衡問題，企業(yè)沒花一分錢問題得以解決；山東京博石化的富氣壓縮透平壓縮機組強烈振動，每天數(shù)次振動超過100 μm 停機值，經(jīng)常達(dá)到130～150 μm，從大“系統(tǒng)”范圍分析故障機理，以極低成本解決了問題。

5 結(jié)束語

隨著設(shè)備監(jiān)測診斷技術(shù)應(yīng)用的深入和推廣，對于單一的軸系不對中、轉(zhuǎn)子不平衡、軸承磨損、斷葉片、油膜渦動及振蕩、旋轉(zhuǎn)分離及喘振等故障，利用在線或離線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可及時分析出結(jié)論；而長時間困擾現(xiàn)場的、造成重大經(jīng)濟(jì)損失的棘手故障，多數(shù)是類似上述案例類型的故障，引起這類故障的根本原因往往不在設(shè)備主機，可能要延伸到系統(tǒng)較大范圍的環(huán)境中，如：轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、保護(hù)控制系統(tǒng)、材料的微觀金相組織、大氣環(huán)境溫度和濕度、化工工藝系統(tǒng)等。因此采取頭疼醫(yī)頭、腳疼醫(yī)腳的方式分析機組故障原因，可能會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，因此在發(fā)生疑難故障時，要將分析的范圍擴(kuò)大。