基于催化煙機結(jié)垢預(yù)防性檢修的幾點總結(jié)

文/丁一剛

對催化煙汽輪機進行預(yù)防性檢修，防止催化劑沉積結(jié)垢造成停機——催化煙汽輪機運行工況惡劣，影響其長周期運行的最常見問題是催化劑沉積結(jié)垢造成軸系振動上升機殼烈度增大，嚴(yán)重的會造成動葉片疲勞斷裂引發(fā)惡性事故。文章以兩臺煙機的運行為分析樣本，分析基于穩(wěn)定工藝環(huán)境下以平均故障間隔時間為基本運行周期，結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測進行預(yù)防性檢修，達到機組運行安全兼顧節(jié)能經(jīng)濟效益的目的。

煙氣輪機（下文簡稱煙機）是催化裝置最主要的能量回收設(shè)備，其運行工況的好壞和運行周期的長短，對催化裝置長周期穩(wěn)定運行、降低裝置能耗有重要影響。它屬于關(guān)鍵大機組，又明顯區(qū)別于常規(guī)的離心機組，其介質(zhì)為600℃以上的高溫?zé)煔?，含有催化劑粉塵，容易沉積結(jié)垢，還具有一定沖蝕性和腐蝕性。

歸納煙機因結(jié)垢停機的主要表現(xiàn)為：動葉片結(jié)垢后在運行中脫落，造成動平衡破壞，振動陡增。圍帶結(jié)垢摩擦動葉片，造成動葉片疲勞斷裂。在靜葉部位結(jié)垢會影響煙氣流場，造成煙機效率下降，降低能量回收率，嚴(yán)重時會造成碰磨，垢脫落擊打動葉片。在實踐中探索出“平均無故障周期+特征頻譜”的方式，確定預(yù)防性檢修周期，開展預(yù)防性工作。

煙機結(jié)垢機理

當(dāng)前對煙機結(jié)垢的研究有很多，相關(guān)文獻也很多，結(jié)垢機理明確：主要原因在于三旋出口煙氣中含有較高濃度粒徑＜2μm的超細粉催化劑顆粒，大量催化劑細粉特別是其中的Ca、Fe、Na 和Ni 等金屬在600℃左右的高溫環(huán)境中易形成低熔物，在煙機低速區(qū)沉積、粘結(jié)，形成垢，再通過燒焙作用逐漸增厚。兩組煙機相關(guān)參數(shù)見表1，容易結(jié)垢的部位為動靜葉片葉身和圍帶，圖1 中所示的煙機轉(zhuǎn)子及靜葉組件部位是常見結(jié)垢的部位。

圖1 YL 型煙機結(jié)構(gòu)

表1 兩臺煙機組相關(guān)參數(shù)

煙機平均結(jié)垢間隔時間

評價煙機運行優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)

評價煙機運行優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從安全和經(jīng)濟效益兩個方面考量。在運行方面，不超設(shè)計值，不發(fā)生軸系大幅度波動，處于優(yōu)良運行指標(biāo)范圍內(nèi)。在能量回收方面，保持雙動滑閥開度 1%，確保煙機負荷率和能量回收率都保持較高水平。如果因為振動高等問題長期處于低負荷狀態(tài)運行，對能量回收效益影響大，也增加了安全風(fēng)險。

從檢修時機、角度看，要確保煙機部件不發(fā)生損傷。常見的損傷有因動葉片“削頂”判廢，增加了維修費用，即使經(jīng)過檢測可以使用，也會造成葉頂?shù)絿鷰У拈g隙過大，降低煙機能量回收能力，這種動靜碰磨會引發(fā)葉片斷裂事故，屬嚴(yán)禁運行工況。

校正運行時長

圖2、圖3 為兩臺煙機從2012 年以來的運行時間統(tǒng)計，除了2016 年因大檢修停機以外，停機原因都是結(jié)垢導(dǎo)致振動上升。每次檢修未必都是最好的時機，以1#催化煙機2017 年和2021 年的兩次檢修情況為例，圖4、圖5 為運行366 天動葉片削頂形貌（溝槽深3～5mm），葉片報廢。圖6、圖7 為運行313 天動葉片情況，頂部有輕微劃痕，可認為這次的停機時機更加合適。通過這樣的判斷，統(tǒng)計出1#催化煙機2012～2016 年生產(chǎn)周期的歷史平均故障間隔時間為235～255 天。對運行505 天的煙機動葉片出現(xiàn)了明顯的“削頂”進行校正，參照2021 年的檢修情況保守核減為310 天，重新核算該生產(chǎn)周期歷史平均故障間隔時間為255～275 天。

圖2 1#催化煙機運行時間統(tǒng)計

圖3 2#催化煙機運行時間統(tǒng)計

圖4 1#催化煙機運行366 天（2017年6 月檢修）

圖5 1#催化煙運行366 天（2021年6 月檢修）

圖6 1#催化煙機運行313 天情況1（2021 年11 月檢修）

圖7 1#催化煙機運行313 天情況2（2021 年11 月檢修）

2#催化煙機運行時長變化最為顯著，從第一個生產(chǎn)周期的96 天增加到第二個生產(chǎn)周期的305天。分析歷史運行情況，從2010 年大檢修后便出現(xiàn)因結(jié)垢導(dǎo)致頻繁的問題，2010 年9 月12 日動葉片與圍帶結(jié)垢發(fā)生碰磨，造成疲勞斷裂，打壞其他葉片。在2016 年大檢修后連續(xù)進行了3 次開蓋檢查，運行時長都較短，均未出現(xiàn)結(jié)硬垢的情況，只在動葉片葉身有較薄一層軟垢。分析認為主要受到上一運行周期慣性影響，當(dāng)煙機發(fā)生振動波動以后，及時進行停機檢查，可以判斷的是2#催化煙機已經(jīng)不結(jié)硬垢。在運行874天和199 天（到199 天時進入裝置停工檢修）時進行的開蓋檢修同樣沒有發(fā)生結(jié)硬垢現(xiàn)象，依然只在動葉片葉身附著一層軟垢，拆檢情況如圖8～11 所示。因此保守推測，按847 天運行時長并留有10% 的余量，2#催化煙機歷史無故障運行間隔周期校正為740～760 天較合理。煙機結(jié)硬垢問題發(fā)生根本性改善的原因在于2016 年大檢修對三旋進行設(shè)計核算整體更新，提高了三旋的旋分效果，改造后也對三旋旋分效果進行了在線采樣標(biāo)定，結(jié)果合格。

圖8 2#催化煙機運行199 天情況1（2017 年11 月檢修）

綜上：在一個生產(chǎn)周期內(nèi)，如果沒有發(fā)生重大工藝變更和煙機改造，那么對每次煙機因結(jié)垢停機的檢查情況進行判斷梳理，進而確定合理的平均故障間隔時間，作為預(yù)防性維修周期的基本依據(jù)，這個周期的確定應(yīng)該進行動態(tài)更新。

煙機運行環(huán)境分析

結(jié)垢根本原因

圖9 2#催化煙機運行199 天情況2（2017 年11 月檢修）

圖10 2#催化煙機運行874 天情況1（2020 年4 月檢修）

圖11 2#催化煙機運行874 天情況2（2020 年4 月檢修）

進入煙機煙氣中催化劑粉塵過多是結(jié)垢的根本原因。初步調(diào)研煙氣粉塵的監(jiān)測情況，在線激光監(jiān)測儀的監(jiān)測效果較差屬于行業(yè)難點，兩套催化也存在同樣的情況。通過人工在線采樣分析是最可靠的手段，但煙氣溫度高又含有一氧化碳和二氧化硫等有害成分，人工在線采樣分析安全風(fēng)險大，同時實際操作中還會遇到采樣口被催化劑堵死等采集失敗的情況。

影響煙氣中催化劑細粉增多的因素

1.工藝操作

塊狀潰瘍：黃色塊狀1 mm2記1分，黑色塊狀1 mm2記2分（塊狀面積計算方法S＝長徑/2×短徑/2×π）。

催化煙氣是催化劑燒焦再生過程中產(chǎn)生的，主風(fēng)不僅用作再生器燒焦風(fēng)，還起到流化作用。兩套催化主風(fēng)量滿負荷生產(chǎn)時均為1×Nm3/h 左右，其中1#催化只有一再煙0.5×Nm3/h 左右進入煙機，2#催化全部進入煙機做功。催化劑粒徑為幾微米到幾十微米，煙氣中難免攜帶催化劑細粉，再生煙氣通過再生器稀相沉降段和再生器內(nèi)第一、二級旋風(fēng)分離器后，其中大部分催化劑已經(jīng)被分離。煙氣繼續(xù)進入三級旋風(fēng)分離器以去除其中的細粉，進入煙機煙氣要求為粉塵濃度 150mg/m3，小于3μm 催化劑細粉 10%（質(zhì)量分數(shù)）。對主風(fēng)量、催化劑循環(huán)量調(diào)整要保持小幅度平穩(wěn)操作原則，監(jiān)控平衡劑采樣分析結(jié)果，對三旋細粉定期進行放空，減少蒸汽造成的催化劑熱崩等等，這些日常調(diào)整和定時性工作都作為減少催化劑損耗的必要手段。

2.旋風(fēng)效率及催化劑

旋風(fēng)分離器高效工作的條件主要有入口粉塵濃度、入口線速度和進出口壓差。對三旋而言，入口濃度太大會導(dǎo)致旋風(fēng)器操作彈性降低；入口線速度實際上也可以反映三旋負荷是否符合設(shè)計值；進出口壓差也是保證旋分效率的重要指標(biāo)。2020 年大檢修期間，對兩套催化各旋分器進行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。從兩套催化使用的催化劑來看，品牌廠家不同，總體性能基本一致，即使存在球形度抗磨損度等指標(biāo)的差異，并不會對形成的細粉量造成顯著影響。

兩套裝置比較

單套裝置縱向比較，1#催化兩個運行周期的平均結(jié)垢周期變化不大，說明連續(xù)兩個周期的工藝操作與設(shè)備運行的變化不大。2#催化因更換三旋使煙機運行時長變化顯著。兩套裝置橫向比較，從工藝操作方面并沒有明顯的差異，目前看三旋的投用年限和型式是存在的主要不同，1#催化三旋投用已超過3 個生產(chǎn)周期，存在產(chǎn)生微觀磨損等原因?qū)е滦中什桓?，同時采用的VS 型單管與2#催化改進后的PSC-300 型單管在旋分性能上存在較大差距。因此，認為三旋的分離效率是兩臺煙機運行差距的關(guān)鍵因素。

綜上，造成催化劑細粉增多的原因，主要從以上工藝操作方面進行排查與分析，如果發(fā)生反再系統(tǒng)的主風(fēng)中斷等大幅度波動，或者三旋系統(tǒng)堵塞等問題，都會造成煙氣細粉增多，煙機結(jié)垢的速度加快。但只要影響時間不長，按裝置生產(chǎn)周期為分析時間的跨度時，可視為工藝的影響是均勻作用于每個煙機運行周期。對運行環(huán)境的監(jiān)控可以基于實時監(jiān)控系統(tǒng)進一步積累和量化分析，在工藝運行環(huán)境上不斷給煙機運行創(chuàng)造更好的條件。

結(jié)垢的特征頻譜分析

振動趨勢特征

在結(jié)垢初期，垢逐漸且均勻附著在動葉片上，轉(zhuǎn)子動平衡沒有受到破壞。隨著運行周期延長，通過燒焙作用垢會逐漸增厚，當(dāng)增加到一定厚度時（經(jīng)驗判斷葉身為3mm 以上），受到負荷沖擊會發(fā)生局部脫落，同時也會發(fā)生自然的局部脫落，當(dāng)超過轉(zhuǎn)子允許最大殘余不平衡量時，會造成轉(zhuǎn)子動不平衡，引發(fā)軸系振動增大，振動能量傳遞到機殼，烈度同步增大。特別是1#催化，煙機轉(zhuǎn)子質(zhì)量相對于2#催化輕，對動不平衡量更加敏感，這種振動變化很明顯以“階躍式”跳變?yōu)樘卣鳎l(fā)生突發(fā)不平衡。隨機抽取兩次停機前振動趨勢為例，圖12、圖13 為1#催化兩次運行末期的振動突變趨勢，將時間細分，可發(fā)現(xiàn)這種突變是在一瞬間發(fā)生的。2020 年大檢修時在2#催化煙機機殼增設(shè)了烈度在線監(jiān)測，能夠解決高溫部位不方便監(jiān)測的問題，對系統(tǒng)性監(jiān)測做了補充。此外，不難推斷，如果煙機結(jié)硬垢，在惡化后很難通過在線除垢等方式進行調(diào)整，同時進行這樣的“脫垢”處理存在很大的安全風(fēng)險。

圖12 1#催化煙機行336天軸系振動趨勢（2018年12 月檢修）

圖13 1#催化煙機運行313 天軸系振動趨勢（2021 年11 月檢修）

軸心軌跡特征

圖14 1#催化煙機運行313 天軸系振動趨勢（2018 年12 月檢修）

圖15 2#催化煙機運行313 天軸系振動趨勢（2018 年12 月檢修）

頻域變化特征

通過比較振動趨勢發(fā)生突變前后頻域值的變化可見，一倍頻幅值從27μm 突增到40μm，明細增大。如圖16、17 所示二倍頻及其他諧波成分基本穩(wěn)定，這說明機組的動平衡發(fā)生了惡化，符合煙機動葉片結(jié)垢并脫落的特征。

圖16 1#催化煙機運行336 天振動突變頻譜

圖17 1#催化煙機運行336 天振動突變頻譜

綜上，煙機結(jié)垢的特征頻譜較為明顯，將頻譜分析方法作為輔助判斷煙機運行狀況的手段，主要還是依靠運行周期合理控制檢修時機（運行周期當(dāng)中包括綜合工藝運行環(huán)境的判斷），達到防止機組發(fā)生動靜碰磨等工況出現(xiàn)的目的。從兩臺煙機多次檢修上得到了充分驗證。

煙機檢修對經(jīng)濟效益的影響

1#催化的主風(fēng)備機與煙機組主風(fēng)機處理量相同，不存在切備機裝置降量的問題。我們以2#催化裝置煙機為例進行效益核算，如果開啟備機進行檢修，要損失高溫?zé)煔饽芰?，裝置降低處理量造成加工損失等。直接效益損失：切換到備用風(fēng)機運行5 500 kW，減去煙機實際運行時的電動機功率2 200 kW，則因檢修煙機多消耗電動機功率為3 300 kW，按0.65元/kW·h 計算，煙機搶修96 h，則期間消耗電費為20.6 萬元。煙機搶修一次費用為15 萬元，合計35 萬元。間接效益損失：按加工量125 t/h 計算，切換至備機降低到100 t/h，按外購蠟油加工計算盈利為600 元/天左右，合計加工利潤損失為144 萬元。進行主風(fēng)機切換過程中必然會造成一定量催化劑的跑損，備機切進切出系統(tǒng)按跑速3 t 催化劑計算，共6萬元。

煙機清垢小修一次合計產(chǎn)生損失為184.6 萬元，大修一次煙機損失313.5 萬元（7 天）。一旦煙機因結(jié)構(gòu)碰磨等問題造成葉片斷裂等問題，所造成損失將更大。

煙機長周期運行措施

1.減少煙機入口煙氣細粉含量是解決煙機結(jié)垢的根本手段，對反再系統(tǒng)和煙機運行工藝環(huán)境加強平穩(wěn)性操作，不超工藝卡片。對新鮮劑、平衡劑加強粒徑等監(jiān)控，防止產(chǎn)生過多催化劑細粉。

2.旋風(fēng)分離器本身狀況和運行工況都對過濾催化劑有顯著影響，在日常操作中應(yīng)精細操作，使之運行在最佳在狀態(tài)。應(yīng)統(tǒng)籌考慮評估設(shè)備壽命，進行優(yōu)化改造投資，尤其是不斷提高三旋效率。

3.煙機是在高溫?zé)煔猸h(huán)境下運行的大機組，當(dāng)前以運用數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)對主要受熱部件動靜葉片開展運行時長累計管理。同樣將開展對其他重要部件的壽命管理，對入口煙氣溫度進行定量監(jiān)測，以提高機組整體運行可靠性。

4.煙機最常見的停機原因為結(jié)垢，其中碰磨容易導(dǎo)致葉片在高應(yīng)力下發(fā)生疲勞斷裂，同時在結(jié)垢后期也會造成振動高回收、效率嚴(yán)重下降的問題，應(yīng)積極開展預(yù)防性檢修工作。根據(jù)每臺煙機運行情況，針對催化劑結(jié)垢引起的振動故障，梳理出平均故障間隔時間，結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測頻譜輔助分析，能夠?qū)崿F(xiàn)較準(zhǔn)確的停機時間，指導(dǎo)煙機的預(yù)防性檢修工作。

5. 優(yōu)化煙機操作，盡量減少輪盤蒸汽注入量（控制輪盤溫度在350 ℃上限），同時確保注入蒸汽的品質(zhì)。在結(jié)垢后期應(yīng)避免煙機負荷的頻繁波動，會增大垢脫落導(dǎo)致煙機縮短運行時間的幾率。

結(jié)語

針對催化劑結(jié)垢引起的振動故障，梳理出平均故障間隔時間，結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測頻譜輔助分析，能夠?qū)崿F(xiàn)較準(zhǔn)確的停機時間，指導(dǎo)煙機的預(yù)防性檢修工作。

對煙氣中催化劑監(jiān)測存在開展不全面的問題，對煙機運行環(huán)境監(jiān)控可以形成量化方式建立與結(jié)垢速度的聯(lián)系，有利于預(yù)判煙機結(jié)垢的速度。但例如煙機組鍵相監(jiān)控等設(shè)施沒有完備的情況需要提高管理，2#催化機殼烈度監(jiān)測探頭應(yīng)用較好，值得推廣。同時，煙機長周期運行更重要的是工藝運行環(huán)境，減少催化劑細粉是根本途徑。 ●