汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲及臨界轉(zhuǎn)速偏移故障分析及處理

米孜拉夫·麥麥提，秦 濤，陳 剛，劉 輝

（中國石油 獨(dú)山子石化公司，新疆 獨(dú)山子 833699）

中國石油獨(dú)山子石化公司苯乙烯裝置壓縮機(jī)組（21-K-2471）輸送介質(zhì)為富氫尾氣，額定質(zhì)量流量為10 025 kg/h。壓縮機(jī)組通過不斷地從粗苯乙烯冷凝器E-2205中抽出脫氫尾氣來降低并維持脫氫單元的壓力，從而為1個(gè)或多個(gè)需要?dú)錃庠系墓に噯卧峁┻M(jìn)料。

按照工藝設(shè)計(jì)，若該壓縮機(jī)組停機(jī)，苯乙烯裝置只能維持50%的生產(chǎn)負(fù)荷，將嚴(yán)重影響苯乙烯裝置的產(chǎn)能。因此，快速準(zhǔn)確地處理壓縮機(jī)組故障對于苯乙烯裝置連續(xù)平穩(wěn)生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。

1 壓縮機(jī)組簡介

壓縮機(jī)組由RE3型3級離心式汽輪機(jī)、A35型變速箱及SKUEL816型雙螺桿壓縮機(jī)3個(gè)主要部分構(gòu)成。汽輪機(jī)包括轉(zhuǎn)子、軸承、氣封、調(diào)速系統(tǒng)、速關(guān)閥和控制系統(tǒng)等，主要為壓縮機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，由美國DRESSER-RAND公司制造。減速箱的作用是降低汽輪機(jī)傳遞至壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，其變速比為 3.689:1，采用人字齒輪，由 MAN TURBO AG公司制造。螺桿壓縮機(jī)的陽轉(zhuǎn)子共有4個(gè)齒，陰轉(zhuǎn)子共有6個(gè)齒，使用碳環(huán)密封，密封氣體則使用0.3 MPa、190℃的低壓蒸汽。

壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 壓縮機(jī)組結(jié)構(gòu)示圖

2 壓縮機(jī)組故障描述

該壓縮機(jī)組在2019-09裝置檢修開工時(shí)及之前幾年均開機(jī)困難，開機(jī)過程中汽輪機(jī)、減速箱、壓縮機(jī)振動(dòng)值分別多次超過制造廠家提供的設(shè)防值，導(dǎo)致壓縮機(jī)組開機(jī)過程中聯(lián)鎖停機(jī)。其中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速從500 r/min升至4 500 r/min時(shí)，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值上漲至聯(lián)鎖值76 μm，導(dǎo)致機(jī)組開機(jī)失敗。正常運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值不大于10μm，報(bào)警值為38 μm。

汽輪機(jī)高速暖機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值為5 181 r/min。實(shí)際運(yùn)行中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至4 600～4 700 r/min時(shí)，汽輪機(jī)前后軸振動(dòng)值開始波動(dòng)上升，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到5 150 r/min時(shí)振動(dòng)值突然跳升超過聯(lián)鎖值152μm（聯(lián)鎖倍增），最大達(dá)到 158 μm，轉(zhuǎn)速無法達(dá)到高速暖機(jī)轉(zhuǎn)速即開機(jī)失敗。

3 壓縮機(jī)組故障分析

3.1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲

分析發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端VT24861和非聯(lián)軸器端VT24862振動(dòng)值同時(shí)上升，對應(yīng)關(guān)系良好，壓縮機(jī)和增速箱振動(dòng)值也同步變化。檢查儀表回路，未發(fā)現(xiàn)檢測系統(tǒng)故障，說明振動(dòng)值真實(shí)、準(zhǔn)確。通過沈鼓狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)SG8000查看機(jī)組波形頻譜圖，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端和非聯(lián)軸器端波形光滑、穩(wěn)定且重復(fù)性好，均為等幅正弦波，只有一倍頻振動(dòng)幅值異常增大，其它倍頻無明顯異常，最大幅值均小于5μm。

常見的引起一倍頻振動(dòng)幅值異常增大的原因有［1］：①轉(zhuǎn)子不平衡故障，如轉(zhuǎn)子損傷、結(jié)垢、初始不平衡及轉(zhuǎn)子熱彎曲等［2-3］。②軸承偏心類故障，如軸瓦間隙超標(biāo)、軸頸與軸瓦安裝偏心等［4］。③支撐剛度異常，如支座、基礎(chǔ)的松動(dòng)、變形等引起共振［5］。④運(yùn)行轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速。

對以上4種原因進(jìn)行排查：①壓縮機(jī)及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在檢修時(shí)都進(jìn)行了清理，并且更換了壓縮機(jī)陰、陽轉(zhuǎn)子，汽輪機(jī)和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子沒有明顯損傷，動(dòng)平衡試驗(yàn)均正常。②檢修時(shí)測量的壓縮機(jī)和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸徑及軸瓦內(nèi)徑均合格，安裝時(shí)同心度均在廠家要求的指標(biāo)范圍內(nèi)。③經(jīng)檢查，基礎(chǔ)牢靠。用力矩扳手將緊固螺栓力矩值控制在要求范圍內(nèi)，現(xiàn)場敲擊試驗(yàn)得到的固有頻率和2015年檢修前的數(shù)值基本一致。④汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速在3 000～4 000 r/min，升速過程中振動(dòng)值與轉(zhuǎn)速接近正比例增長，期間相位也未發(fā)生明顯的變化。

通過逐項(xiàng)篩查，只有汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲原因無法排除。查看SG8000狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)Bode圖［6］，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和一倍頻振動(dòng)幅值同步增長［7］，但相位未發(fā)生變化，表明很可能是轉(zhuǎn)子因熱膨脹受阻或受熱不均勻而產(chǎn)生熱彎曲［8-9］。此外，壓縮機(jī)組開車失敗之后將低速暖機(jī)時(shí)間由20 min延長至40 min，再次開機(jī)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器端VT24861和非聯(lián)軸器端VT24862振幅最大值均不大于10μm，振動(dòng)幅值在開機(jī)過程中未出現(xiàn)跳變。實(shí)際開機(jī)過程驗(yàn)證了汽輪機(jī)暖機(jī)升速過程中振動(dòng)值持續(xù)增大的原因系轉(zhuǎn)子熱彎曲［10］，與圖譜分析的結(jié)果是一致的。

3.2 汽輪機(jī)臨界轉(zhuǎn)速變化

汽輪機(jī)和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子雖然經(jīng)過動(dòng)平衡試驗(yàn)均合格，但是仍無法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量中心和物理中心的完全重合［11］。安裝后轉(zhuǎn)子中心和軸承中心只是控制在可接受的范圍內(nèi)，無法保證完全同心，這樣轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)和轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)的周期性變化的離心力［12］。離心力變化頻率和轉(zhuǎn)子固有頻率或基礎(chǔ)頻率接近時(shí)會產(chǎn)生共振，并導(dǎo)致振動(dòng)值異常增大［13］，此時(shí)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。機(jī)組運(yùn)行時(shí)需快速通過臨界轉(zhuǎn)速，避免由于振動(dòng)增大導(dǎo)致設(shè)備損壞［14］。

該壓縮機(jī)原設(shè)計(jì)的臨界轉(zhuǎn)速值為6 200～6 800 r/min，因此將高速暖機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為5 181 r/min，以避開壓縮機(jī)在臨界轉(zhuǎn)速附近長時(shí)間運(yùn)行。但該壓縮機(jī)2009年投用后已運(yùn)行11 a，期間更換了汽輪機(jī)聯(lián)軸器、軸瓦等部件，改造了壓縮機(jī)浮環(huán)密封，2019年還更換了壓縮機(jī)陰、陽轉(zhuǎn)子，并對壓縮機(jī)支撐基礎(chǔ)重新進(jìn)行了定力矩值緊固，這樣導(dǎo)致汽輪機(jī)臨界轉(zhuǎn)速與設(shè)計(jì)值偏離［15］，按照原設(shè)計(jì)升速曲線已無法實(shí)現(xiàn)機(jī)組順利開機(jī)。

2019-09機(jī)組檢修完畢開機(jī)時(shí)，汽輪機(jī)在高速暖機(jī)設(shè)定轉(zhuǎn)速下，振動(dòng)值無法穩(wěn)定，并造成壓縮機(jī)振動(dòng)值跳變，壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)峰值達(dá)到聯(lián)鎖值而停機(jī)。

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)端Bode圖見圖2，Nyquist圖見圖3。Nyquist圖主要反映開停機(jī)過程中轉(zhuǎn)速與振動(dòng)幅值的對應(yīng)關(guān)系，顯示的是實(shí)際軸心在圓周方向偏離物理中心的位置，圓的半徑為振動(dòng)幅值，標(biāo)注數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)速，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)顯示了在該轉(zhuǎn)速下軸心的實(shí)際位置。查看圖2和圖3可知，汽輪機(jī)在轉(zhuǎn)速5 150～6 700 r/min時(shí)振動(dòng)幅值跳變，同時(shí)相位變化約100°，與汽輪機(jī)原設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速已發(fā)生明顯變化，原設(shè)計(jì)高速暖機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)在臨界轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在此轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)振動(dòng)明顯［16］。

圖2 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)端Bode圖

圖3 汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)端Nyquist圖

4 壓縮機(jī)組故障處理

4.1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲

汽輪機(jī)暖機(jī)時(shí)間不夠是造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子臨時(shí)熱彎曲的直接原因。針對此問題，保持暖機(jī)轉(zhuǎn)速500 r/min不變，將生產(chǎn)廠家原設(shè)定的汽輪機(jī)冷態(tài)暖機(jī)時(shí)間由30 min延長至40 min，熱態(tài)暖機(jī)時(shí)間由10 min延長至20 min。同時(shí)，在暖機(jī)過程中將汽輪機(jī)各處排放閥門開度增大，以保證汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子受熱均勻，汽輪機(jī)排氣溫度不低于350℃。采取以上措施后，再次開機(jī)順利完成。

4.2 臨界轉(zhuǎn)速偏移

將高速暖機(jī)轉(zhuǎn)速由原設(shè)計(jì)的5 181 r/min變更為4 450 r/min，避免汽輪機(jī)及壓縮機(jī)在臨界轉(zhuǎn)速狀態(tài)長時(shí)間運(yùn)行。轉(zhuǎn)速由4 450 r/min上升至7 772 r/min時(shí)，除轉(zhuǎn)速在5 500～6 500 r/min區(qū)間內(nèi)的升速曲率100 r/s保持不變外，其余階段轉(zhuǎn)速的升速曲率由10 r/s提升至25 r/s。依據(jù)臨界轉(zhuǎn)速的變化調(diào)整了汽輪機(jī)升速曲線，調(diào)整后汽輪機(jī)軸瓦振動(dòng)峰值最大為26μm，遠(yuǎn)小于聯(lián)鎖值76 μm；壓縮機(jī)軸瓦振動(dòng)峰值最大為42μm，也遠(yuǎn)小于聯(lián)鎖值125μm。

5 結(jié)語

針對獨(dú)山子石化公司乙烯裝置尾氣壓縮機(jī)組（21-K-2471）發(fā)生的開機(jī)失敗故障，采用排除法對故障原因進(jìn)行排查，利用狀態(tài)監(jiān)測分析軟件，通過圖譜分析找到了故障根本原因。采取針對性的處理措施后，壓縮機(jī)組順利開機(jī)，可為同類故障處理提供借鑒。