冷凝式汽輪機(jī)間歇性振動(dòng)跳車原因分析及治理

張錫德，陳偉，陳小龍，胡漁，王錫連

（中石油塔里木石化分公司，新疆 庫爾勒 841000 ）

塔里木石化分公司4.5×105t/a 合成氨和8×105t/a 尿素項(xiàng)目中，合成氨裝置原料氣壓縮機(jī)由沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)有限公司制造，其驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)是美國埃里奧特公司產(chǎn)品，機(jī)組于2010 年3 月29 日完成單機(jī)試車，同年5 月投入化肥裝置生產(chǎn)。2010 年7 月汽輪機(jī)高壓側(cè)轉(zhuǎn)子軸出現(xiàn)異常振動(dòng)，振動(dòng)從每周1 次發(fā)展到每天1 ～ 2 次，且振動(dòng)值越來越高，異常振動(dòng)已嚴(yán)重影響到機(jī)組安全運(yùn)行，進(jìn)而影響到整個(gè)化肥生產(chǎn)。在此過程中，對(duì)可能引起振動(dòng)的原因逐項(xiàng)分析及排查，歷時(shí)6 個(gè)月找到了異常振動(dòng)的根源，采取相應(yīng)措施，在線消除了振動(dòng)。

1 機(jī)組有關(guān)情況

壓縮機(jī)為多級(jí)離心式壓縮機(jī)，機(jī)殼為垂直剖分式，型號(hào)為BCL405，汽輪機(jī)為中壓冷凝式蒸汽透平，型號(hào)為SVKJPE5，用膜片聯(lián)軸器直聯(lián)，其作用是為一段爐提供轉(zhuǎn)化所需天然氣原料。壓縮機(jī)組基本參數(shù)如表1 所示。

通過安裝在汽輪機(jī)兩側(cè)軸瓦上的4 只渦流式位移傳感器來測量轉(zhuǎn)子軸X方向和Y方向振動(dòng)，將測得的位移振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過Bently 前置放大器傳送到Bently3500 系統(tǒng)，通過RS485 通訊顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)軸系振動(dòng)監(jiān)控見圖1。VI4150 、VI4151 、VI4152 及VI4153 分 別 代表汽輪機(jī)4 個(gè)振動(dòng)探頭。

表1 機(jī)組參數(shù)Table 1 The unit parameters

圖1 汽輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)Fig.1 Steam turbine operating condition

2 汽輪機(jī)異常振動(dòng)情況

原料氣壓縮機(jī)于2010 年5 月投入裝置正常生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)汽輪機(jī)最大振動(dòng)值為11.72 μm，同年7 月4日汽輪機(jī)高壓側(cè)出現(xiàn)了異常振動(dòng)，探頭VI4151 達(dá)到41 μm，已報(bào)警，另一個(gè)探頭VI4150 為24 μm，異常振動(dòng)持續(xù)時(shí)間約為3 min。對(duì)儀表測量系統(tǒng)進(jìn)行檢查，沒有發(fā)現(xiàn)異常。為防止機(jī)組聯(lián)鎖跳車，經(jīng)評(píng)估，將振動(dòng)連鎖邏輯由二取一改為二取二，同時(shí)將連鎖值從51 μm 改為75 μm。2010 年7 月5 日18 : 20 汽輪機(jī)高壓側(cè)轉(zhuǎn)子軸再次出現(xiàn)間歇性異常振動(dòng)，VI4151 振值為57.17 μm ，VI4150 振值為34.93 μm。因汽輪機(jī)異常振動(dòng)值越來越高，為防止裝置停車，經(jīng)研究，將連鎖值進(jìn)一步從75 μm 改為90 μm，同時(shí)將連鎖延時(shí)時(shí)間由3 s 改為60 s。盡管如此，2010 年12 月3 日16 : 53 因探頭VI4151 和VI4150 振動(dòng)值雙雙達(dá)到了100 μm 以上，且持續(xù)時(shí)間達(dá)到60 s 以上，汽輪機(jī)連鎖跳車見圖2。

圖2 汽輪機(jī)振動(dòng)聯(lián)鎖跳車Fig.2 Steam turbine vibration chain jump

分析7 月份到12 月份汽輪機(jī)振動(dòng)，情況如下：

（1）汽輪機(jī)振動(dòng)出現(xiàn)在高壓側(cè)端，振動(dòng)表現(xiàn)為間歇性，從起初的一周1 次較大振動(dòng)發(fā)展到后來一天1 ～ 2 次較大振動(dòng)，間隔時(shí)間越來越短，峰值越來越高，期間還伴隨著許多小峰值振動(dòng)。

（2）異常振動(dòng)值從開始達(dá)到峰值， 然后回落，整個(gè)間隔時(shí)間很短，約3 min，回落后趨勢線顯鋸齒狀。

（3）汽輪機(jī)低壓側(cè)兩個(gè)振動(dòng)值受到影響不大，高壓側(cè)出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，低壓側(cè)振動(dòng)值略有變化，顯直線狀態(tài)。

3 汽輪機(jī)振動(dòng)原因分析

3.1 入口主蒸汽溫度低造成振動(dòng)

汽輪機(jī)入口蒸汽需保證一定溫度、壓力和蒸汽質(zhì)量，若蒸汽溫度偏低，蒸汽在進(jìn)入汽輪機(jī)后幾級(jí)時(shí)會(huì)有凝液出現(xiàn)，轉(zhuǎn)速低時(shí)汽輪機(jī)振動(dòng)不明顯，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，振動(dòng)就會(huì)加大[1-2]。經(jīng)查汽輪機(jī)入口蒸汽溫度為390 ℃，在整個(gè)運(yùn)行過程中基本恒定，而設(shè)計(jì)最低允許值為375 ℃，可以確定蒸汽溫度不是造成異常振動(dòng)的原因。為穩(wěn)妥考慮，對(duì)汽輪機(jī)缸體及入口管線加強(qiáng)了保溫，但振動(dòng)未緩解。

3.2 密封蒸汽線含水造成振動(dòng)

汽輪機(jī)軸端有一套專門的軸封密封蒸汽系統(tǒng)，見圖3。在汽輪機(jī)啟動(dòng)前，首先要啟動(dòng)軸封密封蒸汽系統(tǒng)，這時(shí)需要打開閥1 和閥2，引入低壓蒸汽，蒸汽進(jìn)入軸封后一部分進(jìn)入汽缸內(nèi)，另一部分進(jìn)入軸封冷卻器，經(jīng)冷卻變成冷凝水就地排放。汽輪機(jī)在運(yùn)行中，若汽輪機(jī)高壓側(cè)軸封漏出汽壓力（G）低于調(diào)壓閥PCV 的設(shè)定值0.03 MPa，外供低壓蒸汽會(huì)通過調(diào)壓閥向軸封提供密封氣，防止破真空；若高壓側(cè)軸封漏出氣壓力（G）大于0.03 MPa，汽輪機(jī)高壓側(cè)軸封漏出氣作為低壓側(cè)軸封密封氣。

圖3 汽輪機(jī)蒸汽管線Fig.3 Steam turbine steam line

若密封蒸汽帶水而進(jìn)入缸體勢必導(dǎo)致汽輪機(jī)異常振動(dòng)[3-4]。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)調(diào)壓閥PCV前密封管線冰涼，打開調(diào)壓閥前導(dǎo)淋，有大量冷凝水排出，約15 min后見氣，分析認(rèn)為管線冰涼原因是汽輪機(jī)高壓側(cè)漏出氣壓力高頂住了外供密封蒸汽。打開導(dǎo)淋排液后，汽輪機(jī)振動(dòng)有三天好轉(zhuǎn)，但隨后又出現(xiàn)了異常振動(dòng)，為此關(guān)閉閥門2，完全由汽輪機(jī)高壓側(cè)泄漏氣對(duì)低壓側(cè)軸封進(jìn)行密封，但振動(dòng)仍沒有任何好轉(zhuǎn)，該原因被排除。

3.3 汽輪機(jī)缸體導(dǎo)淋積液造成振動(dòng)

汽輪機(jī)有5 根導(dǎo)淋分別位于速關(guān)閥前后、調(diào)速閥前后及缸體高壓段，在汽輪機(jī)啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行排凝，正常運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)淋均關(guān)閉。若正常運(yùn)行時(shí)導(dǎo)淋中有水，就有可能被帶入缸體造成振動(dòng)[5]，特別是調(diào)速閥后導(dǎo)淋和缸體導(dǎo)淋，經(jīng)檢查，導(dǎo)淋管發(fā)涼，對(duì)此，要求白班每4 h、夜班每2 h 對(duì)5 根排放導(dǎo)淋管依次排放，積水排凈為止，特別是調(diào)速閥后導(dǎo)淋管，排放時(shí)外操與主控加強(qiáng)聯(lián)系，確保真空度不發(fā)生大幅度波動(dòng)，同時(shí)對(duì)導(dǎo)淋進(jìn)行保溫處理見圖4。

圖4 汽輪機(jī)導(dǎo)淋線保溫Fig.4 Steam turbine guide line insulation

導(dǎo)淋管發(fā)涼原因是導(dǎo)淋閥離缸體距離太遠(yuǎn)，措施實(shí)施后，汽輪機(jī)異常振動(dòng)未有好轉(zhuǎn)。

3.4 油溫過低或帶水造成振動(dòng)

若油溫控制不理想或油中帶水， 會(huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇， 出現(xiàn)異常振動(dòng)。在正常運(yùn)行中， 油溫穩(wěn)定是保證機(jī)組安全、穩(wěn)定、長周期運(yùn)行的關(guān)鍵，軸瓦前油溫控制在40 ～ 45 ℃為最理想狀態(tài)[6-7]，因回油溫度一般為50 ～ 55 ℃， 可通過冷卻調(diào)節(jié)達(dá)到理想溫度。當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)油溫控制不理想，油溫經(jīng)常在36 ～ 42 ℃之間波動(dòng)，汽輪機(jī)軸封泄漏氣通過油封進(jìn)入潤滑油系統(tǒng)，造成油中帶水，將油溫調(diào)節(jié)至40 ℃，在油箱底部排水，同時(shí)用真空濾水機(jī)對(duì)油中水進(jìn)行分離，措施實(shí)施后振動(dòng)未得到緩解。

3.5 工藝系統(tǒng)波動(dòng)對(duì)振動(dòng)影響

工藝系統(tǒng)波動(dòng)， 有時(shí)也會(huì)影響到汽輪機(jī)振動(dòng)[8]。查歷史記錄曲線，在汽輪機(jī)異常振動(dòng)前后并沒有發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)指標(biāo)發(fā)生波動(dòng)，該振動(dòng)原因可以排除。

3.6 機(jī)械方面原因造成振動(dòng)

（1）聯(lián)軸器對(duì)中不良可引起機(jī)組軸振動(dòng)偏高，一般在聯(lián)軸器兩側(cè)軸承處振動(dòng)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)異常[9-10]。實(shí)際上，振動(dòng)僅發(fā)生在汽輪機(jī)非聯(lián)軸器側(cè)，2010 年12 月3 日振動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組連鎖跳車，復(fù)查聯(lián)軸器對(duì)中度，徑向和軸向偏差值均在指標(biāo)范圍內(nèi)，該原因可排除。

（2）轉(zhuǎn)子彎曲度較大也可導(dǎo)致異常振動(dòng)[11]。為確認(rèn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是否存在彎曲，在2010 年12 月3日機(jī)組檢修時(shí)，拆開汽輪機(jī)兩端軸承上蓋，安裝百分表進(jìn)行了測量，汽輪機(jī)高壓側(cè)轉(zhuǎn)子軸跳動(dòng)量為0.015 mm，低壓側(cè)跳動(dòng)量為0.01 mm ，滿足廠商指標(biāo)要求，可以排除轉(zhuǎn)子彎曲引起的振動(dòng)。

（3）汽輪機(jī)兩端軸瓦間隙超標(biāo)及軸承瓦蓋過盈量不足也可能造成振動(dòng)[12-13]。2010 年12 月3 日在機(jī)組檢修時(shí)，用壓鉛方法對(duì)軸瓦間隙及瓦背緊力進(jìn)行了測量，前后軸瓦徑向間隙均為0.12 mm，指標(biāo)為0.081 ～ 0.132 mm，軸承瓦背過盈量分別為-0.02 mm和-0.03 mm，該原因可以排除。

3.7 汽輪機(jī)油封結(jié)碳造成振動(dòng)

因油封潤滑油泄漏，在遇到高溫時(shí)潤滑油會(huì)在油封中碳化，產(chǎn)生硬支點(diǎn)引起汽輪機(jī)異常振動(dòng)，與動(dòng)靜碰磨產(chǎn)生的振動(dòng)相仿[14-15]。在振動(dòng)初期，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)高壓側(cè)有潤滑油漏出，同時(shí)油被燒焦，見圖5。

圖5 蒸汽線上油封漏油燒結(jié)情況Fig.5 Oil leakage and sintering of steam line oil seal

因?qū)φ駝?dòng)原因認(rèn)識(shí)不清，為保證化肥生產(chǎn)，暫未停機(jī)對(duì)油封進(jìn)行拆卸檢查，而一直排查其他會(huì)引起振動(dòng)的原因。2010 年12 月3 日因振動(dòng)機(jī)組連鎖停車，拆油封檢查，發(fā)現(xiàn)油封處有大量高溫?zé)Y(jié)的潤滑油碳化物，同時(shí)汽輪機(jī)軸頸已磨損，見圖6。

因新油封尺寸有誤，未對(duì)油封進(jìn)行更換，僅對(duì)舊油封進(jìn)行清碳渣、清油垢處理。

2010 年12 月5 日機(jī)組檢修后啟動(dòng)，運(yùn)行正常，探頭VI4151 振動(dòng)值為27.21 μm，其他三個(gè)探頭振動(dòng)值均在9 μm 以下，且汽輪機(jī)振動(dòng)趨勢線由原來鋸齒狀變?yōu)橐粭l直線，2010 年12 月10 日汽輪機(jī)振動(dòng)趨勢線又出現(xiàn)鋸齒狀，11 ～ 14 日出現(xiàn)幾次高振動(dòng)，但未達(dá)到連鎖值。

圖6 油封處結(jié)碳及軸頸磨損情況Fig.6 Wear condition of oil seal on carbon and shaft journal

對(duì)北京博華信智科技發(fā)展有限公司提供的頻譜圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻率為一倍頻，未見其他頻率成分，見圖7 及圖8。

圖7 汽輪機(jī)振動(dòng)歷史頻譜圖Fig.7 Historical spectrum of turbine vibration

圖8 汽輪機(jī)振動(dòng)歷史瀑布圖Fig.8 Steam turbine vibration history waterfall diagram

其機(jī)理是油封中的潤滑油受到汽輪機(jī)高溫輻射及轉(zhuǎn)子軸高溫的影響，在梳齒間空腔內(nèi)極易形成油渣或油的碳化物，油渣積累與轉(zhuǎn)子碰撞，引起異常振動(dòng)，振動(dòng)導(dǎo)致油封梳齒磨損，其間隙增大，潤滑油泄漏加劇，使結(jié)碳量上升，汽輪機(jī)振動(dòng)進(jìn)一步惡化[16]。

綜上分析，確認(rèn)汽輪機(jī)異常振動(dòng)是由油封內(nèi)潤滑油結(jié)碳與軸碰磨而造成的。

4 解決方案及運(yùn)行效果

4.1 增設(shè)冷卻分布器

為防止或減輕潤滑油因高溫結(jié)碳產(chǎn)生的間歇性異常振動(dòng)，在汽輪機(jī)高壓側(cè)殼體與油封之間安裝了隔離冷卻分布器（見圖9），通入儀表空風(fēng)在油封處形成隔離氣對(duì)潤滑油進(jìn)行阻擋，同時(shí)隔離氣對(duì)軸進(jìn)行冷卻，防止汽輪機(jī)油封齒內(nèi)潤滑油溫度過高而被燒結(jié) [17]。

圖9 冷卻分布器Fig.9 Cooling distribution diagram

2010 年12 月15 日采取上述措施后汽輪機(jī)異常振動(dòng)消除，振動(dòng)趨勢為一條直線，汽輪機(jī)兩側(cè)四個(gè)探頭VI4150 、VI4151 、VI4152 及VI4153 振動(dòng)值分別為5.33 μm、10.62 μm、7.58 μm 及8.48 μm。

4.2 改造汽輪機(jī)油封

因油封結(jié)碳振動(dòng)，被迫安裝冷卻分布器對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸進(jìn)行吹風(fēng)，但該措施帶來兩個(gè)問題：其一，為防止異常振動(dòng)，吹風(fēng)量不能太小，風(fēng)量大會(huì)導(dǎo)致潤滑油濺出，潤滑油濺到汽輪機(jī)殼體及管線保溫上，易導(dǎo)致冒煙著火；其二，安裝冷卻分布器進(jìn)行吹風(fēng)，在冬季冷卻分布器表面有冷凝水，冷凝水順著吹風(fēng)管滴落到轉(zhuǎn)子軸上，因旋轉(zhuǎn)軸的泵送作用，冷凝水進(jìn)入油系統(tǒng)[18-19]。

為消除冷卻分布器產(chǎn)生的負(fù)面影響，決定對(duì)汽輪機(jī)油封進(jìn)行改造，分析油封結(jié)構(gòu)后認(rèn)為，在油封中潤滑油停留時(shí)間長短是決定結(jié)碳的關(guān)鍵，停留時(shí)間越短，潤滑油受高溫影響越小[20]，因原油封結(jié)構(gòu)限制，油在油封齒內(nèi)不流動(dòng)，極容易高溫結(jié)碳。為此，2018年12 月對(duì)油封進(jìn)行改造，增設(shè)了回油孔，見圖10。

圖10 油封改造情況Fig.10 Modification of oil seal

油封改造后，進(jìn)行冷卻分布器吹風(fēng)量調(diào)試。切除吹風(fēng)量，機(jī)組運(yùn)行1 個(gè)月后，汽輪機(jī)又出現(xiàn)了異常振動(dòng)，減小吹風(fēng)量至原吹風(fēng)量的1/3，潤滑油未濺出，改造運(yùn)行至今，機(jī)組未出現(xiàn)異常振動(dòng)，同時(shí)消除了汽輪機(jī)冒煙著火的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.3 后續(xù)措施

對(duì)油封改造后雖然消除了潤滑油濺出帶來的冒煙著火風(fēng)險(xiǎn)，但因未能取消冷卻分布器，冬季冷凝水仍可進(jìn)入潤滑油系統(tǒng)。為能取消冷卻分布器，可采取以下措施：

（1）對(duì)油封進(jìn)一步改造，在油封內(nèi)圈加工一個(gè)小的環(huán)形槽，在環(huán)形槽一圈上鉆若干個(gè)均勻分布的小孔。

（2）外接吹風(fēng)管，對(duì)小孔進(jìn)行供風(fēng)，防止?jié)櫥屯庑?，同時(shí)對(duì)油直接冷卻。

采取上述措施可徹底消除汽輪機(jī)高溫對(duì)潤滑油的影響，從而可取消冷卻分布器，避免冷凝水進(jìn)入油系統(tǒng)。

5 結(jié)論

原料氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)高壓側(cè)出現(xiàn)間歇性異常振動(dòng)，對(duì)振動(dòng)原因進(jìn)行分析及排查，取得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）油封中碳化物與轉(zhuǎn)子軸碰磨是引起汽輪機(jī)高壓側(cè)異常振動(dòng)的根本原因。

（2）油封中碳化物是潤滑油受到汽輪機(jī)高溫作用而引起的。

（3）在汽輪機(jī)乏汽側(cè)，油封中不會(huì)生成碳化物，碳化物只能在汽輪機(jī)高壓側(cè)產(chǎn)生。

（4）碳化物與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸碰磨造成軸頸磨損，嚴(yán)重時(shí)影響轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。

（5）對(duì)于汽輪機(jī)結(jié)碳振動(dòng)，振動(dòng)形式表現(xiàn)為間歇性，振動(dòng)峰值會(huì)越來越高，振動(dòng)間隔時(shí)間會(huì)越來越短。

（6）在汽輪機(jī)殼體與油封之間安裝冷卻分布器可有效解決汽輪機(jī)結(jié)碳振動(dòng)，防止裝置停車。

（7）油封中潤滑油停留時(shí)間越短，潤滑油受高溫影響越小，結(jié)碳可能性越小。

（8）碳化物與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸碰磨振動(dòng)，其頻率為一倍頻，與汽輪機(jī)動(dòng)靜部件碰磨產(chǎn)生的振動(dòng)相仿。

（9）冷卻風(fēng)布器吹風(fēng)過大，會(huì)導(dǎo)致潤滑油濺出，產(chǎn)生汽輪機(jī)冒煙著火風(fēng)險(xiǎn)。

（10）安裝冷卻風(fēng)布器會(huì)導(dǎo)致冬季冷凝水進(jìn)入潤滑油系統(tǒng)。

（11）油封增加回油孔，可減小油在油封中停留時(shí)間，減輕潤滑油結(jié)碳。

（12）在油封中增設(shè)吹風(fēng)孔可防止?jié)櫥屯庑梗瑫r(shí)對(duì)油直接冷卻，可有效避免潤滑油在油封中結(jié)碳。