TP9-90型煙機(jī)故障原因分析及改造

劉 瑛，熊慧英

（1.湖南石油化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湖南 岳陽 414000；2.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與機(jī)電工程系，廣西 南寧 530007）

某廠改造更新前的煙機(jī)因?yàn)殚L期運(yùn)行在高速高溫、易腐蝕粉塵多等非常惡劣的環(huán)境下，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易損件多，經(jīng)常出現(xiàn)故障，造成停工檢修。

1 改造前煙機(jī)結(jié)構(gòu)和使用

1.1 改造前煙機(jī)構(gòu)成

改造前煙機(jī)采用柔性的雙級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子，進(jìn)氣方式是常規(guī)的軸流式，垂直向上排氣。它由進(jìn)氣段、2級(jí)動(dòng)靜葉環(huán)的組件、轉(zhuǎn)子的支承系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子組件、排氣段及底座6部分組成，此外還有潤滑冷卻、密封和檢測3大輔助系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜［1~4］。

1.2 故障分析

煙機(jī)長期在極端惡劣（高溫、高速、易腐蝕）條件下運(yùn)行，尤其轉(zhuǎn)子上的動(dòng)葉片在熱應(yīng)力及腐蝕環(huán)境下疊加離心力和氣動(dòng)力，極易產(chǎn)生變形、裂紋等缺陷；此外，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中雙級(jí)渦輪在長期運(yùn)行中，催化劑粉塵在動(dòng)葉片的表面及2級(jí)渦輪盤間易聚集結(jié)垢，使轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡被破壞；柔性轉(zhuǎn)子的1階臨界轉(zhuǎn)速n1較低，非常容易產(chǎn)生油膜渦動(dòng)［5］。

雖然改造前的煙機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子采用的雙級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可提高2%~3%的熱效率，但催化劑粉塵在長期運(yùn)行過程中慢慢沉積，在動(dòng)葉片表面和渦輪盤間最后形成了結(jié)垢，煙機(jī)轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡被破壞，從而使其工作穩(wěn)定性變差、振動(dòng)大、使易磨損零部件的磨損加速［6］。

此外，由于采用雙級(jí)渦輪轉(zhuǎn)子，使動(dòng)葉片等易損件增多。綜合分析可知，渦輪轉(zhuǎn)子采用雙級(jí)比采用單級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故障率會(huì)更高。

1.3 磨損情況分析

煙機(jī)從投入使用至改造更新為止，運(yùn)行時(shí)間接近9 a。長期受到高速煙氣流沖蝕，由于氣流速度非常高，在動(dòng)葉片根部產(chǎn)生強(qiáng)2次流動(dòng)，煙氣流又富含了催化劑粉塵，因此會(huì)造成特別嚴(yán)重的腐蝕和磨損。同時(shí)因?yàn)檗D(zhuǎn)子是柔性的，1階臨界轉(zhuǎn)速n1低，穩(wěn)定性差、振動(dòng)較大，加速了零部件磨損［7］。

1.4 TP9-90機(jī)組的振動(dòng)情況分析

雖然改造前TP9-90型煙機(jī)機(jī)組在新安裝或檢修后，其動(dòng)平衡都能達(dá)到要求。但由于磨損不均勻，疊加不均勻積垢，運(yùn)行一段時(shí)間后，都會(huì)造成轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡被破壞，使振動(dòng)增大。

此外，由于是柔性轉(zhuǎn)子會(huì)導(dǎo)致工作穩(wěn)定性不好，煙機(jī)額定轉(zhuǎn)速n（5 785 rpm）約為轉(zhuǎn)子n1（約2 900 rpm）的2倍，造成油膜的半渦動(dòng)頻率約等于轉(zhuǎn)子n1所對(duì)應(yīng)頻率，容易激起軸承的油膜震蕩，引起機(jī)組共振［8］。

1.5 腐蝕造成機(jī)組受損嚴(yán)重

石油催化裂化生產(chǎn)過程產(chǎn)生富含H2S的高溫?zé)煔?，讓長期運(yùn)行此環(huán)境下的煙機(jī)關(guān)鍵零部件非常容易產(chǎn)生裂紋缺陷，甚至導(dǎo)致產(chǎn)生重大事故。例如，改造前大檢修時(shí)在煙機(jī)的導(dǎo)流錐體處發(fā)現(xiàn)了多處腐蝕性裂紋［9］。

例如，某公司煙機(jī)發(fā)生了1起因動(dòng)葉片斷裂造成的惡性事故。搶修后，操作員在未經(jīng)檢查的情況下冷態(tài)啟動(dòng)試車，儀表顯示最大振動(dòng)為35μm，運(yùn)行68 min以后，聯(lián)軸器螺栓突然斷裂，短接直接被甩出，煙機(jī)被迫停機(jī)。

分解煙機(jī)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)軸承已損壞，動(dòng)、靜葉片幾乎全部斷裂；進(jìn)氣錐體遍布裂紋；煙道嚴(yán)重受損；軸承箱與機(jī)座底板聯(lián)接已經(jīng)松動(dòng)；機(jī)殼多處受損。

對(duì)葉片斷口進(jìn)行宏觀、微觀電鏡檢查結(jié)合力學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，是動(dòng)葉片產(chǎn)生了裂紋缺陷，在冷開機(jī)試車的運(yùn)行過程中，動(dòng)葉片的原始裂紋在氣動(dòng)力和離心力的共同作用下迅速擴(kuò)展，最后突然斷裂，導(dǎo)致動(dòng)靜葉片幾乎都被連根打斷，造成了煙機(jī)堵轉(zhuǎn)運(yùn)行，進(jìn)一步引起了聯(lián)軸器螺栓的過力剪斷。

2 煙機(jī)的技術(shù)改造措施和依據(jù)

煙機(jī)進(jìn)行改造更新的措施是先將原煙機(jī)從基座上拆卸下來，再將新型煙機(jī)安裝在原有的基座上，冷卻密封、控制及潤滑等輔助系統(tǒng)都保持不變，節(jié)約了大量的基建時(shí)間和設(shè)備投入資金［10］。

2.1 改造后煙機(jī)概況

新型機(jī)組為剛性轉(zhuǎn)子的單級(jí)懸臂結(jié)構(gòu)，排氣方向垂直向下（與原機(jī)相反）軸向進(jìn)氣的煙氣輪機(jī)，改造后的新型煙氣輪機(jī)總體結(jié)構(gòu)除了轉(zhuǎn)子采用了單級(jí)結(jié)構(gòu)與改造前的煙機(jī)不同外，其余結(jié)構(gòu)基本相同。

2.2 改造后煙機(jī)結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)

改造后煙機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 新型煙機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

改造后新型煙機(jī)渦輪轉(zhuǎn)子采用單級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，外形尺寸為1 500×1 460×1 460（mm）。

改造后新型煙機(jī)的n是5 785 rpm，N軸輸出為8 286 kW，氣動(dòng)效率η>82%，流量有（2 200、2 350、2 500）/（m3·min-3）檔，入口壓力為0.26 MPa，出口壓力是0.116 MPa，入口溫度達(dá)640~670℃，從進(jìn)氣端處由外向里看轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向是逆時(shí)針方向；該煙機(jī)最大工作轉(zhuǎn)速為5 900 rpm，報(bào)警跳閘轉(zhuǎn)速值為6 074 rpm，1階臨界轉(zhuǎn)速n1為8 306 rpm，2階臨界轉(zhuǎn)速n2>10 000 rpm。

2.3 技術(shù)參數(shù)對(duì)比

改造前的TP9-90型煙機(jī)采用了柔性雙級(jí)渦輪的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行布局，而改造后的新型煙機(jī)采用的則是用剛性單極渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行布局；額定運(yùn)行時(shí)，改造前煙機(jī)熱效率η不低于84%，而新型煙機(jī)熱效率不低于82%，具體對(duì)比見表2。

表2 主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比

由表2可知，改造前后煙機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向不變，最大工作轉(zhuǎn)速、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速和跳閘轉(zhuǎn)速保持一致，但額定輸出功率改造后的下降了約2.52%，熱效率下降了2%左右，總質(zhì)量下降了12.87%、最大維修件的質(zhì)量降低了7%，轉(zhuǎn)子質(zhì)量下降21.81%，轉(zhuǎn)子飛輪力矩下降了約38.57%，動(dòng)葉片數(shù)減少59片、靜葉片數(shù)減為58片，而渦輪盤直徑增加10 mm，n1提高了將近2倍，n2提高了29%。

雖然煙機(jī)改造后熱效率降低了2%~3%，但并沒降低總效益。主要原因有2方面。

（1）由于此前煙機(jī)故障率較高，停產(chǎn)所造成的經(jīng)濟(jì)損失及維修費(fèi)用超過了2%~3%熱效率的經(jīng)濟(jì)效益；

（2）改造前煙機(jī)的1、2級(jí)靜葉環(huán)在變形后，為了避免動(dòng)葉與相應(yīng)的靜葉碰摩，必須增大2級(jí)動(dòng)葉與靜葉間葉頂間隙，此方法實(shí)際上降低了煙機(jī)運(yùn)行的熱效率。

改造前煙機(jī)為柔性2級(jí)轉(zhuǎn)子，動(dòng)靜葉片等易損件較多。在長期運(yùn)行中容易在渦輪盤間及動(dòng)葉片表面產(chǎn)生催化劑粉塵不均勻聚集后結(jié)垢，且轉(zhuǎn)子的1、2階臨界轉(zhuǎn)速較低，易引起轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡；導(dǎo)致出現(xiàn)振動(dòng)大、穩(wěn)定性差、故障率高等問題。

改造后的新煙機(jī)轉(zhuǎn)子改為剛性單級(jí)轉(zhuǎn)子，機(jī)器尺寸減小、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、質(zhì)量減輕、易損件減少，且增高了臨界轉(zhuǎn)速，因此振動(dòng)小、穩(wěn)定性改善、故障率變低。

3 機(jī)組的運(yùn)行對(duì)比

4月21日，改造后煙氣輪機(jī)進(jìn)行首次試車，振動(dòng)明顯降低。煙機(jī)前軸承振動(dòng)由改造前的52μm下降至22μm，后軸承振動(dòng)由改造前的48μm下降至14μm左右；軸流式主風(fēng)機(jī)前軸承的振動(dòng)下降了5~7μm，后軸承振動(dòng)則下降了4~5μm；但齒輪箱振動(dòng)前后變化不大，前軸承振動(dòng)僅下降了1μm左右，后軸承振動(dòng)下降了3~4μm。

改造后煙機(jī)運(yùn)行良好，軸輸出功率與改造前相比下降較少，維持在8 700~9 100 kW/h以內(nèi)，輪盤冷卻蒸汽消耗量由改造前的4 300 kg/h下降到了1 810 kg/h，如果蒸汽按蒸汽按100元/t計(jì)算，則可節(jié)約215萬元/a。機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，煙機(jī)同步率達(dá)100%，完全滿足了生產(chǎn)要求，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

煙氣輪機(jī)由雙級(jí)改單級(jí)，轉(zhuǎn)子由柔性改剛性，有效解決了運(yùn)行中雙級(jí)煙氣輪機(jī)2級(jí)輪盤之間催化劑粉末的不均勻聚集結(jié)塊從而引起轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡，輪盤臺(tái)階和榫槽因煙氣2次流沖刷容易磨損和油膜振蕩等問題，減少易損件，極大降低了振動(dòng)和故障率，節(jié)省了維修成本，提高了生產(chǎn)效率。