汽輪機(jī)軸承溫度異常升高分析及對(duì)策

魏文，劉明輝，鐘湘生

（浙江石油化工有限公司，浙江舟山 316000）

國(guó)內(nèi)某煉化大型煉化一體化項(xiàng)目建設(shè)有3.2 Mt/a蠟油加氫處理裝置。以直餾蠟油和渣油加氫蠟油的混合油為原料，經(jīng)催化加氫反應(yīng)進(jìn)行脫除硫、氮、金屬等雜質(zhì)，降低殘?zhí)己浚饕a(chǎn)硫含量不大于0.3%（w）的加氫蠟油，為催化裂化裝置提供優(yōu)質(zhì)的原料，同時(shí)生產(chǎn)部分柴油，并副產(chǎn)少量石腦油、輕烴、汽提塔頂酸性氣和含硫低分氣。裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)選用單缸多級(jí)筒型離心式，由背壓式透平驅(qū)動(dòng)，不設(shè)置備機(jī)，用以實(shí)現(xiàn)含氫氣體的循環(huán)。循環(huán)氫壓縮機(jī)組作為該裝置的核心設(shè)備，其運(yùn)行平穩(wěn)與否直接關(guān)系到整個(gè)裝置的正常運(yùn)行[1]。而汽輪機(jī)作為循環(huán)氫壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)更是機(jī)組運(yùn)行正常與否的關(guān)鍵。

1 裝置簡(jiǎn)介

1.1 工藝流程

裝置原料油由反沖洗過濾器除去原料中大于25微米的顆粒，換熱升溫后進(jìn)入原料油緩沖罐。原料油經(jīng)加氫進(jìn)料泵升壓后與混合氫混合，依次經(jīng)換熱器升溫、反應(yīng)進(jìn)料加熱爐加熱至反應(yīng)所需溫度后進(jìn)入加氫反應(yīng)器進(jìn)行加氫反應(yīng)，將原料中的硫、氮、氧等化合物轉(zhuǎn)化為硫化氫、氨、水，原料中的烯烴、芳烴進(jìn)行加氫飽和，并脫除原料中的金屬等雜質(zhì)[2]。反應(yīng)器設(shè)三個(gè)催化劑床層，床層間設(shè)急冷氫注入設(shè)施。反應(yīng)器出來(lái)的反應(yīng)流出物依次經(jīng)換熱后進(jìn)入熱高壓分離器（簡(jiǎn)稱熱高壓分，下同）。熱高分氣體經(jīng)換熱后，再經(jīng)熱高分氣體空冷器冷至50 ℃進(jìn)入冷高壓分離器（簡(jiǎn)稱冷高分，下同）。冷卻后的熱高分氣在冷高分中進(jìn)行油、氣、水三相分離。自冷高分頂部出來(lái)的循環(huán)氫進(jìn)入脫硫塔脫硫，脫硫后的循環(huán)氫自塔頂出來(lái)，經(jīng)循環(huán)氫壓縮機(jī)入口分液罐分液后進(jìn)入循環(huán)氫壓縮機(jī)升壓后分成兩路，一路作為急冷氫去加氫反應(yīng)器控制床層溫升，另一路與來(lái)自新氫壓縮機(jī)的新氫混合成為混合氫。冷高分底部出來(lái)的油相在液位控制下進(jìn)入冷低分。熱低分氣經(jīng)冷卻后與冷高分油混合進(jìn)入冷低分。自熱低分底部出來(lái)的熱低分油與冷低分底部出來(lái)的冷低分油混合后進(jìn)入裝置的分餾部分，先經(jīng)脫硫化氫汽提塔脫除硫化氫，再進(jìn)入分餾塔進(jìn)行組分分離，依次分離出石腦油、柴油和加氫蠟油，如圖1所示。

圖1 裝置工藝流程

1.2 機(jī)組流程

機(jī)組流程如圖2所示。生產(chǎn)過程中循環(huán)氫壓縮機(jī)作為加氫裝置的核心機(jī)組主要發(fā)揮以下幾點(diǎn)作用：1）維持反應(yīng)器中較高的氫分壓。如果循環(huán)氣中沒有大量的氫氣，反應(yīng)系統(tǒng)中的氫氣分壓就會(huì)降低，補(bǔ)充氫氣由于化學(xué)反應(yīng)的消耗引起氫分壓的進(jìn)一步降低，造成催化劑結(jié)焦[3]。2）循環(huán)氫作為熱傳遞載體可控制反應(yīng)溫度和床層溫升。加氫反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，而溫度越高反應(yīng)越快，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量如果不及時(shí)帶出會(huì)加劇反應(yīng)，最終造成溫度失控即“飛溫”，嚴(yán)重威脅設(shè)備安全[4]。這是不斷流動(dòng)的循環(huán)氣帶走了反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，才維持了反應(yīng)的平穩(wěn)進(jìn)行；加氫反應(yīng)釋放出大量的熱，必須在催化劑床層之間加入足夠的急冷氫，把熱量及時(shí)帶走，以控制催化劑床層的溫升。3）改善催化劑床層反應(yīng)物的分布狀況，促使液體進(jìn)料均勻分布在整個(gè)催化劑床層以抑制熱點(diǎn)形成，從而提高反應(yīng)性能。4）防止過度裂解。在反應(yīng)物未再次裂解之前將產(chǎn)品汽化帶走，以盡可能減少產(chǎn)品裂解變?yōu)榈椭诞a(chǎn)品[5]。

圖2 機(jī)組流程

1.3 機(jī)組情況

壓縮機(jī)擬采用單缸多級(jí)筒型離心式壓縮機(jī)，一段壓縮，軸功率4 458 kW，由低壓背壓式蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)見表1，額定功率4 904 kW，壓縮機(jī)與汽輪機(jī)之間采用膜片式聯(lián)軸器。壓縮機(jī)軸封采用帶有中間迷宮密封的串聯(lián)式干氣密封。壓縮機(jī)和汽輪機(jī)采用聯(lián)合公用底座。潤(rùn)滑系統(tǒng)采用壓力潤(rùn)滑，壓縮機(jī)組設(shè)有液壓沖擊式盤車機(jī)構(gòu)。

表1 汽輪機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 運(yùn)行分析

2.1 運(yùn)行狀況

該裝置自2021年7月投產(chǎn)以來(lái)，負(fù)荷平均保持在85%，循環(huán)氫壓縮機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定、運(yùn)行平穩(wěn)。該壓縮機(jī)的汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸瓦溫度TI73033自12月20日起有上升趨勢(shì)，12月31日達(dá)100 ℃，如圖3所示。

圖3 溫度TI73033波動(dòng)趨勢(shì)

針對(duì)該現(xiàn)象，調(diào)整了進(jìn)軸瓦油壓和油溫，并置換了潤(rùn)滑油，但汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸瓦溫度仍然有多次波動(dòng)，TI73033最高達(dá)106 ℃，如圖4所示。

圖4 軸系操作畫面

2.2 問題分析

汽輪機(jī)組故障中軸承溫度升高較為常見而引發(fā)因素眾多，只要與汽輪機(jī)相關(guān)的零件故障均可能會(huì)導(dǎo)致其出現(xiàn)異常溫度、振動(dòng)升高[6]。如負(fù)荷變化、油溫、油質(zhì)、轉(zhuǎn)子以及進(jìn)汽參數(shù)波動(dòng)等。因此在汽輪機(jī)軸承溫度波動(dòng)期間，先后檢查了驅(qū)動(dòng)蒸汽及背壓蒸汽系統(tǒng)，壓力和溫度均無(wú)波動(dòng)；檢查了軸系的溫度及振動(dòng)儀表，全部顯示正確；檢查了潤(rùn)滑油品質(zhì)，機(jī)雜、含水和粘度分析合格；由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡而引發(fā)振動(dòng)導(dǎo)致軸承溫度升高時(shí)軸向振動(dòng)值會(huì)有大幅升高，該本機(jī)雖有升高但幅度并不大。諸多影響因素排查結(jié)果表明，與該壓縮機(jī)汽輪機(jī)相關(guān)的運(yùn)行條件均保持穩(wěn)定。

排除以上諸多影響因素，汽輪機(jī)軸承溫度升高原因只能從自身結(jié)構(gòu)展開分析。該汽輪機(jī)徑向軸承使用阻尼軸承，這種軸承安裝在前、后軸承座中，作用是承受轉(zhuǎn)子的靜、動(dòng)載荷，保持轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)中心與汽缸中心之間正確的位置關(guān)系，使轉(zhuǎn)子與汽缸導(dǎo)葉持環(huán)、氣封等靜體的徑向間隙在規(guī)定范圍之內(nèi)[7]。同時(shí)在運(yùn)行工況范圍（轉(zhuǎn)速、負(fù)荷）內(nèi)的軸承油膜剛度、阻尼系數(shù)等特性可以確保轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)功能穩(wěn)定、安全長(zhǎng)期運(yùn)行。但與目前流行的可傾瓦軸承相比各方面性能稍遜，對(duì)比如表2所示。

表2 阻尼軸承與可傾瓦軸承對(duì)比

在軸承溫度從正常運(yùn)行時(shí)的85 ℃上升到106 ℃的過程中，軸系振動(dòng)值由正常運(yùn)行時(shí)的22～25 μm上升到35～38 μm，與正常機(jī)組的運(yùn)行軸振動(dòng)相比偏高，阻尼軸承的實(shí)際效果沒有達(dá)到預(yù)期。從以上對(duì)比結(jié)果判斷，該汽輪機(jī)軸承溫度上升與自身結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，從瓦背面到瓦表面的供油形式回油量較小，容易引起油膜形成不好[8]，較長(zhǎng)弧長(zhǎng)的瓦塊不利于熱量帶走，這時(shí)軸承溫度就會(huì)大幅上升。

結(jié)合該項(xiàng)目的另一臺(tái)壓縮機(jī)主推力瓦此前溫度偏高且頻繁波動(dòng)和驅(qū)動(dòng)端支撐瓦溫度一直偏高，該機(jī)組拆檢后發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)端支撐瓦有明顯的結(jié)焦積碳情況，且瓦溫高的瓦塊巴氏合金出現(xiàn)明顯開裂，瓦面有一定程度磨損，如圖5所示。原因是該軸瓦瓦塊布置采用中心支撐形式，損壞的瓦塊正好處于正下方，轉(zhuǎn)子靜止或低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，承載最大[9]。瓦塊的微小缺陷容易擴(kuò)大，導(dǎo)致開裂，進(jìn)而影響油膜剛度，造成瓦溫偏高且不穩(wěn)定。潤(rùn)滑油漆膜造成瓦塊表面明顯結(jié)焦，加之瓦溫偏高，進(jìn)一步加劇了潤(rùn)滑油的氧化和漆膜形成，造成惡性循環(huán)。

圖5 軸瓦磨損情況

根據(jù)以上分析可以確定，蠟油加氫處理裝置循環(huán)氫壓縮機(jī)汽輪機(jī)軸承溫度升高的主要原因?yàn)檩S瓦的結(jié)焦積碳，結(jié)焦積碳物質(zhì)是潤(rùn)滑油產(chǎn)生的漆膜。該汽輪機(jī)使用的阻尼軸承結(jié)構(gòu)，從瓦背面到瓦表面的供油形式回油量較小，引起油膜形成不好，同時(shí)瓦塊可能存在微小缺陷，影響油膜剛度，造成瓦溫偏高。而潤(rùn)滑油漆膜造成瓦塊表面結(jié)焦，又導(dǎo)致潤(rùn)滑油的氧化和漆膜形成導(dǎo)致軸承溫度升高，形成了惡性循環(huán)。

3 解決方案

（1）操作上通過穩(wěn)定裝置負(fù)荷進(jìn)而穩(wěn)定壓縮機(jī)組負(fù)荷，減少轉(zhuǎn)速、防喘等相關(guān)參數(shù)調(diào)整頻次，穩(wěn)定汽輪機(jī)的運(yùn)行工況。

（2）提高潤(rùn)滑油供油壓力0.02～0.05 MPa，降低潤(rùn)滑油溫度2～3 ℃，同時(shí)開啟油站外部濾油機(jī)24小時(shí)不間斷運(yùn)行，對(duì)現(xiàn)油站在用潤(rùn)滑油循環(huán)多次過濾，最大限度減少潤(rùn)滑油所攜帶機(jī)雜等的影響。同時(shí)采購(gòu)有除漆膜功能的濾油機(jī)，對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行外循環(huán)過濾，減少潤(rùn)滑油中軟性沉積物（漆膜前身），降低潤(rùn)滑油漆膜傾向指數(shù)[10]，改善軸瓦的潤(rùn)滑情況，保證機(jī)組長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）目前在用的殼牌Turbo 46渦輪機(jī)油是殼牌最基礎(chǔ)的一款潤(rùn)滑油品，抗氧化性能等相對(duì)較差。應(yīng)對(duì)機(jī)組潤(rùn)滑油進(jìn)行升級(jí)，更換為抗氧化性、抗漆膜效果更好的Turbo S4GX 46渦輪機(jī)油。

（4）待該機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)，要對(duì)有缺陷的瓦塊進(jìn)行更換，保證瓦塊厚度一致，接觸良好，PT檢測(cè)合格。對(duì)軸瓦進(jìn)油口修刮油楔，軸承控油環(huán)出油孔進(jìn)行擴(kuò)孔0.1～0.2 mm，保證熱油的回油，緩解積碳問題。

前三條措施實(shí)施后，該壓縮機(jī)機(jī)的汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸瓦溫度TI73033自2022年1月25日下降至85 ℃，如圖6所示，運(yùn)行基本平穩(wěn)。

圖6 溫度TI73033穩(wěn)定趨勢(shì)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)該汽輪機(jī)軸承溫度升高的情況，通過對(duì)軸系儀表、壓縮機(jī)負(fù)荷、潤(rùn)滑油、轉(zhuǎn)子以及汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)等的排查，對(duì)照同項(xiàng)目渣油加氫裝置壓縮機(jī)拆檢情況，判斷出主要原因是該汽輪機(jī)采用的阻尼軸承結(jié)構(gòu)缺陷，造成潤(rùn)滑油產(chǎn)生的漆膜在軸瓦上結(jié)焦積碳。因此采取調(diào)整潤(rùn)滑油油壓、油溫，外部濾油機(jī)24小時(shí)運(yùn)行，更換抗氧化性、抗漆膜效果更好的渦輪機(jī)油等措施后，汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度趨于平穩(wěn)。但這些調(diào)整不能徹底改善軸瓦溫度異常的情況，根治措施還是要停機(jī)檢修更換瓦塊，對(duì)軸瓦進(jìn)油口修刮油楔，軸承控油環(huán)出油孔擴(kuò)孔，緩解積碳問題。在停機(jī)前若軸承溫度上升，還可通過降低機(jī)組負(fù)荷，使軸瓦溫度有一定改善。