裂解氣壓縮機軸瓦溫度高的原因分析及處理

李 恒

(中科(廣東)煉化有限公司，廣東 湛江 524000)

1 機組概況

80萬t/a乙烯裝置裂解氣壓縮機由低壓缸、中壓缸和高壓缸3個缸組成，分成五段對裂解氣進行壓縮。低壓缸實現(xiàn)一段壓縮，入口壓力為0.026 MPa(表)，出口壓力為0.158 MPa(表)；中壓缸實現(xiàn)二、三段壓縮，三段出口壓力為0.862 MPa(表)；高壓缸實現(xiàn)四、五段壓縮，五段出口壓力為3.8 MPa(表)。3個缸額定功率分別為7 776、14 727、16 206 kW，額定轉速為4 892 r/min。壓縮機由抽汽凝汽式汽輪機驅動，壓縮機額定功率為42 579 kW。3個缸排列情況見圖1。

圖1 3個缸的排列示意

壓縮機采用可傾瓦支撐軸承(通常由3～5個或更多個能在支點上自由傾斜的弧形瓦塊組成)和雙作用自平衡式止推軸承。低、中壓缸采用同類型的軸瓦，支撐軸瓦型號為φ240×168 LG.W/HYDROSTATIC LIFT(有液壓頂升)，推力瓦型號為φ381(10)×(10)PAD；高壓缸支撐軸瓦型號為TPJ BEARING(無液壓頂升)，止推瓦型號為φ304.8(8)×(8)PAD。壓縮機與汽輪機、壓縮機各缸之間都采用Kop-flex 公司提供的膜盤聯(lián)軸器直接聯(lián)接。

壓縮機與汽輪機的潤滑油、頂升油和控制油采用聯(lián)合油站供油，油泵功率為132 kW，泵流量為3 454 L/min。

2 第一次試機情況

2020年8月5日壓縮機空氣無負荷(出入口連通大氣)初次試機，按暖機曲線升速，一階段暖機轉速800 r/min，暖機1 h，壓縮機軸振動、軸瓦溫度正常；二階段暖機速度1 500 r/min，暖機1 h，壓縮機軸瓦振動、溫度正常。暖機結束，繼續(xù)升速并快速沖過臨界轉速后，速度穩(wěn)定在最低止點轉速3 913 r/min，低壓缸兩端支撐瓦的下軸瓦(順著壓縮機轉向的第一塊底瓦)，溫度從54 ℃同時升到98 ℃并穩(wěn)定在該溫度。在該轉速下穩(wěn)定運行1 h后，繼續(xù)升速到額定轉速4 892 r/min，這兩塊軸瓦的溫度分別上升到118 ℃(驅動端TIA22308)和122 ℃(非驅動端TIA22306)，具體位置見圖2。從壓縮機CCS系統(tǒng)調出轉速與軸瓦溫度的趨勢曲線進行對比發(fā)現(xiàn)：軸瓦溫度隨轉速上升而同步上漲；轉速穩(wěn)定后，軸瓦溫度也穩(wěn)定；降低轉速，軸瓦溫度也同步下降；停機后，軸瓦溫度恢復到常溫。由此可以判斷，軸瓦溫度顯示值為真實值。額定轉速下，壓縮機軸瓦溫度不宜超過90 ℃(軸瓦溫度高報警值105 ℃，高高報警值115 ℃)，汽輪機、壓縮機的中壓缸與高壓缸的軸瓦溫度在50～90 ℃正常范圍之內，顯然，低壓缸兩端支撐軸瓦溫度超高，處于非正常狀態(tài)，需處理。

①—上軸瓦；②—下軸瓦；③—注油孔及節(jié)流塞

3 原因分析及處理措施

軸瓦溫度高主要由以下幾方面引起：

1)軸瓦存在異常摩擦，產(chǎn)生了大量的熱量；

2)軸與軸瓦間隙過小，導致進入油量不足、撤熱量不足；

3)潤滑油油質變差，潤滑效果變差，引起油溫上升；

4)潤滑油供油量不足，導致撤熱能力不足。

停機降溫后，拆檢軸瓦，低壓缸非驅動端和驅動端支撐瓦下軸瓦情況分別見圖3和圖4。

圖3 第一次試機低壓缸非驅動端支撐瓦下軸瓦

圖4 第一次試車低壓缸驅動端支撐瓦下軸瓦

仔細檢查軸瓦和軸，沒有發(fā)現(xiàn)異常的碰磨痕跡，軸與軸瓦的接觸面積和位置都在正常范圍內。所以可以排除軸瓦存在異常摩擦。

拆裝過程用壓鉛法測量了軸瓦與軸的間隙和瓦背緊力(軸承蓋對軸瓦壓緊之力稱為軸瓦緊力,其作用主要是保證軸瓦在運行中穩(wěn)定，防止軸瓦在轉子不平衡力的作用下產(chǎn)生振動)，第一次試機后實測間隙值見表1。

表1 第一次試機后實測間隙值

從實測值可以看出：低壓缸支撐瓦間隙已調到設計值的上限，并與同缸徑的中壓缸支撐瓦間隙相近，所以判斷軸瓦間隙合適；同時復測了支撐瓦瓦背壓緊過盈量，3個缸6個位置的過盈都在設計要求范圍內，可以判斷軸瓦瓦背過盈情況良好。

考慮到潤滑油系統(tǒng)供油不足或油質變化對軸瓦溫度的影響，回查了潤滑油系統(tǒng)的運行情況，結果顯示，試機全過程潤滑油系統(tǒng)供油總管壓力穩(wěn)定在0.25 MPa，供油油溫40 ℃，說明潤滑油系統(tǒng)供油處于一個正常且穩(wěn)定的狀態(tài)。同時，對潤滑油系統(tǒng)進行多點采樣分析，分析結果顯示：機械雜質為0，水分為0，運動粘度平均值為45.2 mm2/s，結果合格。拆檢潤滑油油濾器，也未發(fā)現(xiàn)異常。如果系統(tǒng)供油不足或潤滑油變質，則其他軸瓦溫度也會高于正常值，而汽輪機、高壓缸和中壓缸的軸瓦溫度是正常的，所以可以排除此原因。

由于未能確定導致軸瓦溫度超高的具體原因，因此采取了增大進油量以降低軸瓦溫度的措施。軸瓦進油孔內節(jié)流塞孔徑的大小決定了進入軸瓦的油量。為進一步增大支撐瓦的進油量，對低壓缸的節(jié)流塞進行了擴孔，但節(jié)流塞孔徑過大可能會導致潤滑油偏流，使得經(jīng)過其他軸瓦油量減小，引起其它軸瓦溫度升高。

根據(jù)軸瓦用油的經(jīng)驗公式：

(1)

式中：Q——流量，L/min；

d——孔徑，mm；

n——孔的個數(shù)，本案例中取值為3個(只對下部2塊瓦的3個節(jié)流塞進行擴孔)；

ΔP——油壓，kg/cm2。

孔徑擴孔前后的直徑d分別為φ5.5 和φ7 mm；油壓ΔP為1.1 kg/cm2，即進入軸瓦座前的潤滑油支管的表壓。

以上數(shù)值代入公式，分別算出孔徑φ5.5 和φ7 mm時的流量，約40和65 L/min，因此每個軸瓦座進油量增加65-40=25 L/min，低壓缸兩端軸瓦座擴孔后需增加油量25×2=50 L/min。經(jīng)復核，裂解氣壓縮機機組中壓縮機用油量1 830 L/min，汽輪機控制油和汽輪機潤滑油用油量635 L/min，故潤滑油消耗量為1 830+635=2 465 L/min，按1.2倍設計余量計算，機組潤滑油總消耗量為2 465×1.2=2 958 L/min。機組油泵的流量為3 454 L/min，余量有近500 L/min。低壓缸兩端軸瓦座擴孔后，增加的油量為50 L/min，再乘以1.2倍的設計余量，共計增加油量50×1.2=60 L/min，余量500-60=440 L/min，所以擴孔后油泵供油量仍能滿足需求。在供油量滿足要求的情況下，則不會發(fā)生偏流。

同時，為了能讓進入軸瓦座的油更容易進入瓦面，在軸瓦瓦面進油端人工刮研油楔。將瓦面刮研掉0.03 mm，形成寬度為4～5 mm的油楔面，見圖5。

圖5 人工刮研出的油楔面

4 第二次試機

2020年9月15日回裝后，引氮氣進入系統(tǒng)，采用氮氣工況試機。按暖機曲線升速，一階段暖機轉速800 r/min，暖機1 h，壓縮機軸瓦振動、溫度正常；二階段暖機速度1 500 r/min，暖機1 h，壓縮機軸瓦振動、溫度正常。暖機結束，繼續(xù)升速并快速沖過臨界轉速后，速度穩(wěn)定在最低止點轉速3 913 r/min，低壓缸驅動端支撐軸瓦溫度上升并穩(wěn)定在99.5 ℃，非驅動端支撐軸瓦溫度上升并穩(wěn)定在102 ℃，同轉速下分別比8月5日空負荷試車時的軸瓦溫度高1 ℃ 和4 ℃。由于在3 913 r/min時，壓縮機五段出口壓力已達到2.2 MPa，即氮氣工況的極限值，因此停止提速。但通過之前空負荷試車的轉速與軸瓦溫度對應關系推斷，如升到額定轉速4 892 r/min，低壓缸兩端支撐瓦軸瓦溫度肯定還是會超過120 ℃。通過此次試車，證明加大油量對降低軸瓦溫度作用不明顯。為了驗證軸與瓦間隙對軸瓦溫度的影響，轉速穩(wěn)定在3 913 r/min時，手動啟動壓縮機的液壓頂升油泵。油泵啟動后，低壓缸兩端軸瓦溫度快速下降了7 ℃，并趨于穩(wěn)定。

停機降溫后，再次拆檢，結果顯示，軸瓦的接觸情況良好，說明軸瓦安裝良好。低壓缸非驅動端和驅動端支撐瓦下軸瓦的情況分別見圖6和圖7。

圖6 第二次試機低壓缸非驅動端支撐瓦下軸瓦

圖7 第二次試機低壓缸驅動端支撐瓦下軸瓦

需要說明的是，壓縮機啟動時，軸的扭矩最大，軸對軸瓦的壓力最大，所以在啟動瞬間，軸對軸瓦的磨損最大。隨著壓縮機規(guī)模不斷增大，轉子質量隨之增大，磨損問題就更為凸顯。為了有效緩解此問題，采用液壓頂升的辦法，即啟動壓縮機前，先啟動頂升油泵，使高壓的潤滑油通過支撐瓦底部的進油孔把壓縮機軸平行頂高約10 μm，在軸瓦與軸之間建立10 μm厚強支撐油膜，這樣一方面可減少壓縮機啟動時軸與軸瓦間的摩擦，另一方面又可降低啟動扭矩。待壓縮機運轉起來，軸與軸瓦的油膜建立正常后，再停下頂升油泵。此方法在很多大型機械上都有應用。上述在壓縮機高速運行期間啟動頂升油泵的操作，屬于非常規(guī)操作，存在振動急劇加大的風險，只是為了印證瓦間隙變大后，油溫是否有明顯下降的一個變通作法。

5 第二次試機后原因分析及處理措施

受頂升油泵啟動后軸瓦溫度下降明顯的啟發(fā)，進行了以下調整工作：壓縮機低壓缸前、后支撐軸瓦間隙從原設計軸徑(φ240 mm)的1.7‰擴大至2‰(標準規(guī)定可傾瓦軸瓦間隙的正常范圍一般為軸徑的1.2‰～2‰，因此，該壓縮機低壓缸支撐軸瓦間隙最大允許值為0.48 mm)，但軸瓦間隙調大后，軸受約束間隙變大，可能造成軸的振動變大。觀察之前2次開機時低壓缸兩端軸的振動，其值在額定轉速4 892 r/min時穩(wěn)定維持在10～18 μm范圍內(聯(lián)鎖停機值為80 μm)，振動較小。因此，調大軸瓦間隙后，即使振動值稍微變大也能在接受范圍內。最終間隙調整如表2所示。

表2 第二次試機后實測間隙值

第二次試機后，將低壓缸的兩端支撐瓦間隙從0.4 mm調到0.47 mm。由于該機組涉及系統(tǒng)龐大，開停工序復雜，工作量大，物耗高，為避免反復開停機，在調整低壓缸軸瓦間隙時，同時也對中、高壓缸軸瓦間隙進行了適當?shù)姆糯笳{整。

通過之前的油泵供油量計算可知，油泵仍有440 L/min的余量，為進一步降低軸瓦溫度，此次直接拆除低壓缸溫度高的軸瓦兩側的進油節(jié)流塞(1塊軸瓦兩側各有1個節(jié)流塞，2塊超溫的軸瓦共有4個，節(jié)流塞外徑φ12 mm)。將上述數(shù)值代入式(1)，計算可得：孔徑φ12 mm時，進油量約為128 L/min，比之前孔徑φ7 mm時的65 L/min增加了63 L/min，兩端軸瓦座進油量增加了126 L/min，仍在440 L/min余量范圍內。

6 第三次試機

2020年9月22日，引天然氣作為壓縮介質開機，仍按程序暖機，暖機完成后，提速到3 913 r/min，低壓缸驅動端支撐軸瓦溫度上升并穩(wěn)定在82.9 ℃，非驅動端支撐軸瓦溫度上升并穩(wěn)定在79.1 ℃，同轉速下比9月15日試機時軸瓦溫度分別下降了17 ℃和23 ℃。繼續(xù)提升轉速到額定轉速4 892 r/min，低壓缸驅動端支撐軸瓦溫度隨之上升并穩(wěn)定在90.8 ℃，非驅動端支撐軸瓦溫度沒有明顯上升，穩(wěn)定在79.8 ℃。

至此，經(jīng)過1個多月的反復計算、調整和試驗，裂解氣壓縮機低壓缸兩端支撐軸瓦溫度高的問題得到了有效解決，軸瓦溫度降到了預期的溫度范圍。

7 結語及建議

引起軸瓦溫度高的因素不多，相對于軸振動高的問題更容易找到主要原因。解決問題過程中，第一次停機調整軸瓦間隙受限于設計值，因不敢超出設計值，故沒有對軸瓦間隙進行調整，在軸瓦間隙不變的情況下，雖然加大了進入軸瓦座的進油量，但最終進入軸瓦間隙的油量并沒有明顯增加，軸瓦瓦面溫度自然也不會下降。為了印證軸瓦間隙對油溫的影響，第二次停機前，啟動了頂升油泵，增大了軸瓦間隙，軸瓦溫度下降明顯。得到印證后，第二次停機調整就直接把軸瓦間隙調大了0.07 mm，等于擴大了進入軸瓦油道的截面積，使油的通過量增大、撤熱能力提升，軸瓦摩擦熱量能及時被油帶走，可將軸瓦溫度控制在90 ℃以內。

因此有以下幾點建議：

1)進口軸瓦供應商提供軸瓦間隙上限為軸徑的1.7‰，主要是為了防止軸振動大而設置的，但隨著國內機加工水平的不斷提高，轉子的動平衡已做得非常好，不需通過軸瓦間隙來控制其振動值的大小，軸瓦間隙過小反而不利于其撤熱。因此，對于動平衡好、振動值小的轉子，軸瓦的間隙宜放大到軸徑的1.9‰～2‰。

2)在軸瓦座的進油口設置節(jié)流塞是為了減少進入軸瓦的油量，起到節(jié)能的作用，但相比42 579 kW壓縮機軸瓦的長周期運行，其能耗是微乎其微的，而若因撤熱不足造成軸瓦運行周期縮短，則反而得不償失。由此建議取消軸瓦座進油口的節(jié)流塞。

3)該機組由于暖機時間較長(2 h)，而低速下軸瓦表面形成油膜不好，因此每次暖機過程都會對軸瓦有一定的損傷。故將開機時頂升油泵停泵設定轉速從600 r/min改到1 800 r/min，即等暖機完成開始升速時才停止頂升油泵。同時，為了避免停機低速惰走期(約10 min)對軸瓦造成磨損，將停機時頂升油泵啟動設定轉速500 r/min改到1 500 r/min。