丙烯壓縮機(jī)組汽輪機(jī)故障的分析與排除

張國(guó)亮

（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰025350）

內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱克旗煤制氣公司）40億m3/a煤制天然氣項(xiàng)目，是我國(guó)首個(gè)建成投產(chǎn)的以低階褐煤為原料、以碎煤固定床加壓氣化制取粗合成氣、經(jīng)低溫甲醇洗凈化和甲烷化生產(chǎn)合成天然氣的示范項(xiàng)目。一期產(chǎn)能13.3億m3/a合成天然氣，配套2個(gè)系列低溫甲醇洗裝置，每系列由對(duì)應(yīng)的1套丙烯壓縮機(jī)組提供冷量。

本文針對(duì)丙烯汽輪機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)的因蒸汽品質(zhì)導(dǎo)致的故障進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的解決方案和預(yù)防措施。

1 故障現(xiàn)象描述

克旗煤制氣公司的丙烯壓縮機(jī)組為進(jìn)口日立品牌，配套杭州汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的汽輪機(jī)，其型號(hào)為HNK-40/56/20，為水平剖分凝汽式汽輪機(jī)，功率14 500 kW，額定轉(zhuǎn)速4 600 r/min，工作轉(zhuǎn)速4 560 r/min。主蒸汽壓力8.4 MPa，溫度515℃。轉(zhuǎn)子從高壓端到低壓端共34級(jí)，最大直徑1 120 mm，軸頸250 mm/160 mm。高壓端為徑向軸承與雙工作面止推軸承組合，低壓端為徑向軸承。測(cè)點(diǎn)包括高壓端鍵相、軸振、軸位移、瓦溫，低壓端軸振、瓦溫等參數(shù)。

丙烯壓縮汽輪機(jī)共2臺(tái)，分為A單元和B單元，投運(yùn)半年后均開始出現(xiàn)出力不足，表現(xiàn)為70%～80%負(fù)荷的情況下，汽輪機(jī)調(diào)速閥的開度就達(dá)到了100%。以下以B單元為例，作典型分析。

自2014年5月22日開始，表征汽輪機(jī)振動(dòng)的主要指標(biāo)排汽側(cè)軸振動(dòng)153Y測(cè)點(diǎn)開始出現(xiàn)波動(dòng)，其后波動(dòng)頻率及振值均大幅增加，最高波動(dòng)頻率達(dá)到每天8次～12次。在7月3日上午，振值達(dá)到51.7 μm，超過了報(bào)警值50 μm；8月5日達(dá)到 77.5 μm，超過聯(lián)鎖值75 μm。2014 年 8 月 5 日 00：00—22：00 的軸振動(dòng)曲線圖見圖1。

圖1 軸振動(dòng)趨勢(shì)圖

2 前期故障分析及排查過程

出現(xiàn)以上情況后，克旗煤制氣公司主要進(jìn)行了以下排查和分析：

（1）由于153Y值波動(dòng)時(shí)，其他3個(gè)振值同時(shí)升高，且波動(dòng)時(shí)間從幾分鐘到幾十分鐘不等，故排除儀控誤報(bào)的問題；再次檢查，排除了產(chǎn)生靜電造成間歇性干擾的原因。

（2）查閱各類歷史參數(shù)曲線，排查振動(dòng)是否與負(fù)荷波動(dòng)、蒸汽參數(shù)、真空度、溫度、轉(zhuǎn)速、軸位移等因素有關(guān)，經(jīng)排查無法確定他們之間存在必然的聯(lián)系。

（3）排查機(jī)組末端蒸汽通路，排查是否有疏水不暢造成水擊現(xiàn)象發(fā)生，經(jīng)查未發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象。

（4）考慮振動(dòng)是否由油膜渦動(dòng)造成，對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)黏度、水分、顆粒度、抗氧化性等參數(shù)的化驗(yàn)，結(jié)果上述參數(shù)正常。因此暫時(shí)不能斷定是否為因潤(rùn)滑油品質(zhì)劣化在軸瓦處油膜渦動(dòng)造成的振動(dòng)。

（5）檢查外界環(huán)境的影響：對(duì)全部門窗開閉進(jìn)行驗(yàn)證，排查是否因環(huán)境溫度變化造成上下缸體溫度差，結(jié)果發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)性不大。

（6）推測(cè)是否是動(dòng)靜間隙造成間歇性碰磨導(dǎo)致，暫時(shí)無法下定論，只能開缸后檢查驗(yàn)證。

（7）對(duì)高壓蒸汽近2個(gè)月的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，高壓蒸汽冷凝液指標(biāo)見表1。

表1 高壓蒸汽冷凝液指標(biāo)

從表1可以看出，高壓蒸汽電導(dǎo)率超標(biāo)幾十倍，可能是因蒸汽品質(zhì)差而導(dǎo)致機(jī)組內(nèi)部結(jié)垢，造成負(fù)荷下降和振動(dòng)，初步認(rèn)為是可能的原因之一。

3 專業(yè)頻譜分析

為最終確定故障的原因，結(jié)合以上的分析和排查，2014年7月16日起，克旗煤制氣公司用振動(dòng)分析儀對(duì)機(jī)組的振動(dòng)頻譜進(jìn)行了分析。

3.1 振動(dòng)現(xiàn)象

丙烯壓縮汽輪機(jī)從2014年5月中旬開始出現(xiàn)間歇性振動(dòng)，每次波動(dòng)時(shí)間為20 min左右，波動(dòng)時(shí)的峰值逐漸增大，從5月中下旬的20 μm逐步升到7月16日的64 μm，振動(dòng)波動(dòng)發(fā)生的頻率也逐漸變高，從開始的幾天1次到隨后的1天幾次。從圖1振動(dòng)趨勢(shì)可看出，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)153Y的振幅波動(dòng)最大，153X、154X、154Y振幅也隨之波動(dòng)。

查看監(jiān)控系統(tǒng)歷史趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組的振動(dòng)波動(dòng)與機(jī)組的轉(zhuǎn)速、蒸汽流量、進(jìn)汽壓力和溫度、排汽壓力和溫度均沒有直接關(guān)系。

3.2 監(jiān)測(cè)情況

7月16日下午開始連接便攜式測(cè)振儀監(jiān)測(cè)機(jī)組振動(dòng)情況，得到的153Y/X相位與振幅對(duì)比見圖2。

圖2 2014年7月16日153Y/X測(cè)點(diǎn)相位與振幅對(duì)比圖

從圖2可以看出，20：39分開始汽輪機(jī)后側(cè)左右2個(gè)振動(dòng)點(diǎn)開始爬升，其中汽輪機(jī)后左側(cè)153X振動(dòng)幅值最高達(dá)到24.2 μm，后右側(cè)153Y振動(dòng)幅值最高達(dá)到 53.7 μm，到 21：02振動(dòng)幅值回到正常值（7.5 μm和15.9 μm）左右，整個(gè)過程持續(xù)了23 min左右。

通過觀察此次波動(dòng)的圖譜，發(fā)現(xiàn)在振動(dòng)高點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)上，汽輪機(jī)后左側(cè)153X的一倍頻幅值達(dá)到最大值22.7 μm，相位也達(dá)到最小值35°。汽輪機(jī)后右側(cè)153Y一倍頻幅值同時(shí)達(dá)到最大值52 μm，相位達(dá)到最小值147°。

從圖2還可以看出，21：32，隨著汽輪機(jī)后左153X一倍頻的幅值降低到正常值1.88 μm，相位也隨之回升到正常值145°。汽輪機(jī)后右153Y隨著一倍頻的幅值降低到正常值10.3 μm，相位也隨之回升到249°。

其他測(cè)點(diǎn)的波峰及相位值見表2。由表2可知，其他測(cè)點(diǎn)在波峰的振動(dòng)數(shù)據(jù)均和測(cè)點(diǎn)153Y具有相似的波動(dòng)趨勢(shì)，但幅值稍小。

表2 其他測(cè)點(diǎn)的波峰及相位值

觀察153Y測(cè)點(diǎn)在20：50出現(xiàn)振動(dòng)峰值時(shí)的頻譜，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)分量以一倍頻為主，153Y測(cè)點(diǎn)一倍頻頻譜見圖3。由圖3可知，峰1～峰5的頻率依次為72.5 Hz、144 Hz、289 Hz、217 Hz、38.8 Hz，對(duì)應(yīng)的振幅依次為 52.3 μm、3.55 μm、1.81 μm、0.741 μm、0.646 μm。

圖3 153Y測(cè)點(diǎn)一倍頻頻譜圖

觀察汽輪機(jī)后右（測(cè)點(diǎn)153Y）從16日22：00開始到17日04：09左右的圖譜，發(fā)現(xiàn)此段時(shí)間內(nèi)153Y測(cè)點(diǎn)的通頻幅值穩(wěn)定在16 μm上下，一倍頻分量的幅值穩(wěn)定在10 μm，相位基本穩(wěn)定在235°左右。

17日08：49開始至15：24左右的監(jiān)測(cè)階段中，測(cè)振儀捕捉到多次振動(dòng)波動(dòng)。每次波動(dòng)均伴隨一倍頻分量的相位角度發(fā)生變化（數(shù)值變小），同時(shí)，一倍頻分量的幅值上升；達(dá)到峰值以后，相位角再逐漸變大，一倍頻幅值逐漸變小。2014年7月17日153Y測(cè)點(diǎn)的相位與幅值趨勢(shì)圖見圖4。

測(cè)量監(jiān)測(cè)期間始終存在少量二倍頻分量，2014年7月17日153Y測(cè)點(diǎn)二倍頻相位與幅值對(duì)比圖見圖5。

3.3 分析討論和處理方案

圖4 2014年7月17日153Y測(cè)點(diǎn)的相位與幅值趨勢(shì)圖

圖5 2014年7月17日153Y測(cè)點(diǎn)二倍頻相位與幅值對(duì)比圖

分析和討論：觀察以上相關(guān)圖譜，可以得知每次的振動(dòng)波動(dòng)均以一倍頻分量為主，一倍頻的相位角也隨之往下波動(dòng)，持續(xù)20 min左右以后，一倍頻幅值下降到正常值，相位角也上升到正常值。從17日08：40開始，汽輪機(jī)前后4個(gè)測(cè)振點(diǎn)的一倍頻幅值以及相位波動(dòng)較頻繁。同時(shí)，壓縮機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定。由此判斷汽輪機(jī)的振動(dòng)波動(dòng)屬于強(qiáng)迫振動(dòng)，轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡狀態(tài)發(fā)生了變化，汽缸內(nèi)部中后端發(fā)生輕微碰磨的可能性較大，軸承座油檔密封齒也可能存在動(dòng)靜碰磨，但概率較小。機(jī)組均不存在油膜渦動(dòng)、汽流激振。

處理方案：從上述圖表中可以看出，17日監(jiān)測(cè)到的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)一倍頻幅值、相位波動(dòng)較16日持續(xù)時(shí)間有變長(zhǎng)的趨勢(shì)。判斷汽缸內(nèi)部發(fā)生碰磨的可能性較大。按照先易后難的原則，初步確定處理方案：先打開軸承座上半部分，檢查油檔是否存在碰磨情況，再拆掉聯(lián)軸器，檢查聯(lián)軸器冷態(tài)拉伸量。另外考慮到二倍頻分量始終存在，需要檢查機(jī)組對(duì)中情況，包括中心和開口情況。如果外圍檢查仍沒有發(fā)現(xiàn)大的問題，再開缸檢查汽缸內(nèi)部碰磨情況。

4 檢修、處理過程和開車、運(yùn)行情況

4.1 檢修和處理過程

2014年8月15日，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行解體檢修，從機(jī)組對(duì)中、軸瓦復(fù)查、儀表檢查、汽封檢查等幾個(gè)方面進(jìn)行了以下工作。

（1）檢查與復(fù)測(cè)檢修開始后，對(duì)機(jī)組對(duì)中及管道應(yīng)力進(jìn)行了復(fù)測(cè)檢查，對(duì)軸瓦進(jìn)行了拆除檢查、測(cè)量。

（2）汽輪機(jī)內(nèi)部檢查與處理：開缸，將轉(zhuǎn)子以及各級(jí)持環(huán)吊出。開始對(duì)機(jī)組的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和檢查，針對(duì)機(jī)組前期的間歇性振動(dòng)情況以及前次振動(dòng)診斷分析儀的報(bào)告，著重檢查了前后軸承箱擋油環(huán)的密封齒，后徑向軸承擋油鋁板以及汽缸內(nèi)部動(dòng)靜部件的碰磨情況。

（3）對(duì)汽輪機(jī)配合尺寸，包括對(duì)中、前后軸瓦、轉(zhuǎn)子中心、汽封間隙、通流間隙、螺栓力矩等42組數(shù)據(jù)逐項(xiàng)確認(rèn)和調(diào)整，相關(guān)數(shù)據(jù)均做好詳細(xì)標(biāo)記。

（4）開缸后發(fā)現(xiàn)汽缸內(nèi)部結(jié)垢嚴(yán)重，可以看出各級(jí)動(dòng)靜部分均存在大量結(jié)垢，且在徑向方向有明顯的碰磨痕跡，并且主要集中在右側(cè)，這與之前總是監(jiān)測(cè)到振動(dòng)測(cè)點(diǎn)153Y振動(dòng)值最高的情況吻合（153Y位于軸頸右側(cè)）。

（5）打開前后軸承座后，發(fā)現(xiàn)前擋油環(huán)有嚴(yán)重的積炭現(xiàn)象，并且在轉(zhuǎn)子與其對(duì)應(yīng)的部位發(fā)現(xiàn)了碰磨的痕跡。在后徑向軸承邊上的擋油鋁板處也發(fā)現(xiàn)了與轉(zhuǎn)子輕微碰磨的痕跡，這是由于安裝間隙過小導(dǎo)致。

據(jù)此，對(duì)所有配合尺寸及部件情況進(jìn)行了檢查后，得出了振動(dòng)超標(biāo)和負(fù)荷降低原因的初步結(jié)論，即蒸汽中二氧化硅和各類鹽分等物質(zhì)超標(biāo)，在汽輪機(jī)內(nèi)部結(jié)垢，加之個(gè)別零部件安裝間隙問題，造成負(fù)荷下降和振動(dòng)超差。

后續(xù)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)約3%的檸檬酸液，對(duì)靜葉持環(huán)進(jìn)行了浸泡清洗除垢，將轉(zhuǎn)子返專業(yè)公司進(jìn)行了噴砂除垢及高速動(dòng)平衡。8月31日晚，轉(zhuǎn)子除垢及動(dòng)平衡合格結(jié)束返回現(xiàn)場(chǎng)；9月1日開始回裝；9月7日，回裝正式結(jié)束，檢修完成。

4.2 開車及運(yùn)行情況

2014年9月24日汽輪機(jī)單機(jī)具備調(diào)試條件。下午對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行了調(diào)速系統(tǒng)、速關(guān)系統(tǒng)的靜態(tài)試驗(yàn)，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)就地指示和DCS進(jìn)行了聯(lián)合校正。通過調(diào)整控制油量，解決了調(diào)速閥95%以上開度時(shí)的抖動(dòng)問題；然后進(jìn)行暖管和單機(jī)調(diào)試，調(diào)試過程中，振值基本控制在 10 μm左右，最大不超過 20 μm，效果良好。

9月25日，檢查其他測(cè)點(diǎn)，安裝聯(lián)軸器；26日汽輪機(jī)連接壓縮機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)試，運(yùn)行過程中最大振值20 μm 左右。

通過其后一個(gè)檢修周期的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，4個(gè)測(cè)點(diǎn)振值正常，最高不超過25 μm，穩(wěn)定運(yùn)行至今。

5 結(jié) 語

通過此次的故障分析與排除，認(rèn)為蒸汽的品質(zhì)對(duì)大型汽輪機(jī)的影響至關(guān)重要。結(jié)垢使汽輪機(jī)葉片表面變得粗糙，增大了蒸汽流動(dòng)時(shí)的摩擦損失，降低汽輪機(jī)效率；使蒸汽通流截面積減少，降低汽輪機(jī)輸出功率。結(jié)垢沉積在內(nèi)環(huán)導(dǎo)葉上，增大前后的壓力差，造成部件的變形應(yīng)力；轉(zhuǎn)子動(dòng)葉片結(jié)垢，會(huì)造成轉(zhuǎn)子的軸向推力增大，使推力瓦過負(fù)荷，甚至造成推力瓦烏金燒毀，以及動(dòng)靜部分發(fā)生碰撞、摩擦；一些鹽類物質(zhì)對(duì)葉片造成腐蝕，會(huì)降低葉片強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成葉片破裂的重大事故；當(dāng)沿汽輪機(jī)圓周結(jié)垢不均勻時(shí)，將影響轉(zhuǎn)子平衡，加之動(dòng)靜部分相互摩擦，使汽輪機(jī)振動(dòng)加大，甚至造成嚴(yán)重事故；結(jié)垢達(dá)到一定厚度后，在啟停機(jī)或負(fù)荷有較大變化時(shí)，結(jié)垢會(huì)部分脫落，然后隨氣流沖撞葉片，損傷轉(zhuǎn)子。

為此，克旗煤制氣公司建立了控制蒸汽品質(zhì)的工藝管理辦法，并建立大機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，嚴(yán)格監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和劣化趨勢(shì)，防止對(duì)生產(chǎn)造成惡劣影響。近幾年的運(yùn)行表明，所采取的控制措施有效地解決了因蒸汽品質(zhì)而產(chǎn)生的汽輪機(jī)故障，保證了機(jī)組和生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。