空壓機組汽輪機故障分析與處理

劉小明

(大唐內(nèi)蒙古多倫煤化工有限責任公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000)

1 空壓機組介紹

某煤化工項目空分裝置一拖二機組為德國MANTURBO公司生產(chǎn)，原動機為一臺凝氣工業(yè)汽輪機，型號為DK080/190R。汽輪機一端驅(qū)動RIKT空壓機，空壓機為內(nèi)置換熱器多級壓縮機，其具有運行穩(wěn)定可靠、噪音低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單等特點。汽輪機另一端驅(qū)動RG增壓機，為多級多軸式離心壓縮機。汽輪機的功率為53000kW，由9.0MPa 530℃蒸汽驅(qū)動，汽輪機的額定轉(zhuǎn)速為4275rpm，為保證汽輪機能夠安全穩(wěn)定地運行，控制系統(tǒng)對機體上下缸體及閥箱進行持續(xù)溫度監(jiān)控，同時對于軸系采用3500監(jiān)控器監(jiān)控軸振動與溫度。其布置圖如圖1。

2 機組異常過程描述

該套機組因汽輪機轉(zhuǎn)子結(jié)垢、做功效率降低而停機進入年度計劃檢修，檢修過程中主要工作是清除汽輪機各個部件的積垢。檢修結(jié)束后當日02：13分，汽輪機閥箱壓力PI3-30902達到8MPa具備啟機條件，02：19分汽輪機定速920rpm，02：41分汽輪機轉(zhuǎn)速定速1500rpm，持續(xù)低速暖機過程中于03：06分汽輪機雙側(cè)軸振動VI3-30982X/Y、VI3-30980X/Y振值出現(xiàn)上漲趨勢，03：14分振值VI3-30982Y達163μm后汽輪機聯(lián)鎖停車，03：17分汽輪機收到零轉(zhuǎn)速信號。收到零轉(zhuǎn)速信號90秒后盤車自啟失敗，ITCC顯示盤車電機故障，運行人員立即進行手動盤車后確認汽輪機轉(zhuǎn)子存在嚴重卡澀，隨即現(xiàn)場判斷轉(zhuǎn)子有可能出現(xiàn)局部碰磨并導致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱態(tài)彎曲，安排人力現(xiàn)場24h留守持續(xù)嘗試手動盤車。11：15min手動盤車恢復，碰磨聲音消失，13：57min啟動電動盤車。并于當晚22：27分再次嘗試啟動汽輪機，機組啟動后于22：28分定速920rpm，22：48分定速1500rpm，期間溫度及振動正常，次日00：29分，汽輪機由1500rpm開始升速，升速至2000rpm(一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū))時汽輪機振值VI3-30982X/Y，VI3-30980X/Y劇烈上漲直至超過120μm聯(lián)鎖停運。停機后，經(jīng)現(xiàn)場及遠程監(jiān)測單位人員共同分析判斷后，對汽輪機進行了900rpm低速暖機約15小時后再次嘗試升速，同樣在2000rpm左右(一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū))時汽輪機雙側(cè)軸振值VI3-30982X/Y，VI3-30980X/Y劇烈上漲直至超過120μm聯(lián)鎖停運。

圖1 空壓機組布置示意圖

3 機組異常判斷與分析

機組首次跳車原因為汽輪機低速暖機過程中雙側(cè)四點位軸振動突發(fā)增漲后觸發(fā)聯(lián)鎖跳車。經(jīng)對機組的軸振動趨勢分析，3：14分跳車時汽輪機軸振四通道全部升高，跳車后惰走過程隨轉(zhuǎn)速下降四通道振動值同步恢復正常，后期幾次嘗試起機過程中均為機組過一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)附近突發(fā)振動增漲造成聯(lián)鎖停車，儀表專業(yè)停機后對振動測點回路進行了阻值測量和絕緣測試均顯示正常，首先排除振動探頭及傳感顯示異常原因。

經(jīng)查汽輪機各項運行監(jiān)測參數(shù)發(fā)現(xiàn)，汽輪機上下缸體溫度監(jiān)測值在首次啟機低速暖機過程中出現(xiàn)較大異常。自2：13分～3：01分區(qū)間過程內(nèi)，機組運行持續(xù)穩(wěn)定，此過程內(nèi)上下缸體溫度顯示同步上漲，汽輪機上缸溫度TI3-30905顯示122℃，下缸溫度TI3-30906顯示113℃，且此過程溫差持續(xù)保持在9℃左右。3：01分以后汽輪機下缸溫度TI3-30906開始出現(xiàn)下降趨勢，上缸溫度不斷上升，上下缸溫差不斷開始擴大，03：06分上缸溫度上升至127℃，下缸溫度降至111℃，上下缸溫差擴大到16℃，振值VI3-30982X/Y、VI3-30980X/Y同步開始出現(xiàn)上漲。03：16分后下缸溫度TI3-30906開始大幅下降，至03：33分下缸溫度下降至71℃，此時上缸溫度151℃，上下缸溫差達80℃。進一步對狀態(tài)監(jiān)測頻譜進行分析，跳車前3：10分左右一倍頻迅速升高，此時二倍頻沒有明顯的變化，3：12分一倍頻出現(xiàn)明顯上升。相應(yīng)時段內(nèi)汽輪機軸心軌跡出現(xiàn)明顯的8字形態(tài)。

圖2 機組首次啟機過程中汽輪機雙側(cè)四通道振動趨勢

基于上述判斷分析，首次機組跳車后，立即安排運行操作人員對汽輪機缸體疏水系統(tǒng)進行了全面排查，發(fā)現(xiàn)高壓缸疏水管路手動閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)缸體溫度變化分析，確定由于低速暖機過程中，高壓缸疏水管路未投用導致機組缸內(nèi)排凝不暢造成積液，下缸及轉(zhuǎn)子出現(xiàn)急冷變形導致局部碰磨從而導致機組振動值聯(lián)鎖跳車。

原因分析明確后，狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)人員、機組技術(shù)管理人員進行了充分討論達成一致處理意見：在機組停機后堅持手動盤車，直至機組碰磨現(xiàn)象全部消失后恢復電動盤車，并可嘗試再次啟動，但需要充分延長低速暖機時間以盡最大可能在線消除轉(zhuǎn)子熱彎曲狀態(tài)，同時密切關(guān)注機組各參數(shù)變化，做好急停準備，確保機組不出現(xiàn)破壞性故障。但在隨后的2次啟機過程中，均在機組升速至2000rpm左右(一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū))時汽輪機雙側(cè)軸振值VI3-30982X/Y，VI3-30980X/Y劇烈上漲直至超過120μm聯(lián)鎖停運。由此可見轉(zhuǎn)子應(yīng)該出現(xiàn)了較為嚴重的碰磨，造成動平衡破壞及永久性彎曲，決定對機組進行降溫拆檢。

圖3 汽輪機上下缸體溫度與轉(zhuǎn)速監(jiān)測趨勢

圖4 汽輪機振動頻譜圖

圖5 汽輪機與空壓機連端軸心軌跡圖

4 機組拆檢情況及故障處理

經(jīng)拆檢發(fā)現(xiàn)，汽輪機的汽封、軸瓦、油封，發(fā)現(xiàn)以上3處均有嚴重碰磨痕跡，尤其以汽輪機高壓缸平衡活塞汽封摩擦最為嚴重，汽輪機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)嚴重水銹痕跡，轉(zhuǎn)子平衡活塞處的最大跳動量為0.1mm，遠超原廠要求的0.02mm內(nèi)范圍。高壓缸內(nèi)缸體出現(xiàn)了較為嚴重的急冷變形。拆檢發(fā)現(xiàn)的故障狀態(tài)與問題分析結(jié)論一致。

圖6 轉(zhuǎn)子水銹痕跡明顯

圖7 平衡活塞汽封磨損嚴重

對轉(zhuǎn)子軸進行校直處理，而常見的校直方法有2種，一種是逆向加熱整體保溫校直，另一種為車削校直，而最迅速的方法就是車削校直，彎曲量較小，一般在0.5mm內(nèi)可采用車削校直，修復全部汽封后并對轉(zhuǎn)子進行高速動平衡。由于內(nèi)缸體存在2mm的變形量，通過直接機加工的方式解決即金屬切削及重新鉸孔的方法進行修復，磨平內(nèi)缸體的中分面，原銷孔進行擴孔定位，機組修復后正常運行。

5 問題反思與改進

(1)嚴格大型機組檢修交生產(chǎn)程序辦理，明確檢修交生產(chǎn)各項條件，對檢修后機組交出的檢修質(zhì)量驗收表、機組檢修工藝包各項過程數(shù)據(jù)的分級審核、機組各儀表點位的單點測試、回路測試清單及數(shù)據(jù)復核、外委單位的各項試驗質(zhì)量證明文件、過程隱蔽工程影響資料自查等均納入檢修交生產(chǎn)管理細則中，并將各項工作進行分級明確，確認各級管理人員職責。

(2)嚴格大型機組啟動條件確認。對大型機組的操作卡進行修訂，范圍覆蓋各點位、閥門、管路。對真空系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng)、主機部分、油系統(tǒng)、工藝系統(tǒng)部分進行拆分細化，明確出各項檢查、操作條件的具體步驟與細化。對于操作卡部分進行分重點、有主次的級別確認。對于影響機組安全的部分更要升級審核確認，切實抓好操作人員、管理人員的各級履職與管理側(cè)重點。

(3)重新優(yōu)化大機組聯(lián)鎖設(shè)置，對于影響大機組安全運行的監(jiān)控點位進行報警或聯(lián)鎖設(shè)置。對僅作為監(jiān)測但實際發(fā)生偏差造成的影響大、破壞力強的監(jiān)測點位重點開展預(yù)警完善工作。

(4)大型機組啟機，設(shè)置專項啟機小組，避免各操作班組交接班過程造成的交接落項、重復確認、標準不一等人為問題，確保大機組啟動標準統(tǒng)一、人員全過程跟蹤、責任明確、分工清晰。

(5)提倡如無特殊情況，盡量避免夜間執(zhí)行大機組啟動及重要操作工作，避免人員麻痹、意識不清等造成的人為失誤。