除漆膜過濾技術(shù)解決PTA透平膨脹機(jī)運(yùn)行異常問題

龔天壽

中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司設(shè)備管理部 211900

1 概述

儀征化纖有限責(zé)任公司60t/aPTA裝置空壓機(jī)組采用的是德國曼透平公司的設(shè)備。該機(jī)組為三合一機(jī)組，其中空壓機(jī)組為多軸五級透平機(jī)組，凝汽式蒸汽透平機(jī)作為空壓機(jī)組的主驅(qū)動機(jī)為，透平式膨脹機(jī)作為空壓機(jī)的輔助驅(qū)動機(jī)。透平膨脹機(jī)采用高、低二級膨脹，各有一個吸入口和排氣口，葉輪采用三元葉輪（見圖1）

透平膨脹機(jī)的主要性能參數(shù)如下：

高壓側(cè)轉(zhuǎn)速為16583 r/min，低壓側(cè)轉(zhuǎn)速為9045 r/min；膨脹機(jī)額定總功率為7990 KW，流量為12700～150450kg/h；進(jìn)口壓為1.3MPa，排氣壓力為0.003MPa，高壓側(cè)的進(jìn)氣溫度為175℃，排氣溫度為80℃；低壓側(cè)的進(jìn)氣溫度為175℃，排氣溫度為45℃；高、低壓側(cè)齒輪軸的兩端均采用一組可傾瓦軸承，各帶有5個瓦塊，進(jìn)油管路可兩路進(jìn)油，每個軸承上各有一路進(jìn)油孔，通過3組共15個噴油嘴進(jìn)油，進(jìn)油噴嘴孔徑為1.8mm，軸承回油孔由9個，正常情況下采用5通4堵。本三合一機(jī)組采用潤滑油站集中供油的強(qiáng)制潤滑方式。

2 機(jī)組存在的問題

2018年，為滿足VOC排放要求，該裝置新增了VOC單元，對氧化反應(yīng)器的尾氣進(jìn)行處理，將處理后的尾氣仍注入膨脹機(jī)。由于原尾氣中的溴鹽經(jīng)高溫氧化有溴離子的存在，為防止尾氣中在膨脹機(jī)中膨脹做功時有溴離子冷凝析出，對膨脹機(jī)及后續(xù)設(shè)備造成點(diǎn)蝕，因此，需提高膨脹機(jī)組高壓側(cè)、低壓側(cè)的進(jìn)氣溫度和排氣溫度（見表1）。

VOC改造前，低壓端非葉輪側(cè)軸承溫度一直穩(wěn)定在80℃左右（該處軸承的報警溫度為110℃，高報溫度為120℃）。2019年1月6日VOC改造開車后，膨脹機(jī)低壓端的非葉輪側(cè)軸承溫度緩慢上升，最高溫度接近高報溫度120℃，但其間振動參數(shù)沒有明顯變化（見圖2）。

圖2 膨脹機(jī)流量及非驅(qū)動側(cè)軸振、溫度圖

3 原因分析及處理方法

經(jīng)過排查和分析汽輪機(jī)軸承溫度波動趨勢，排除現(xiàn)場儀表顯示問題、工藝波動、汽輪機(jī)電刷磨損靜電傳遞、設(shè)備轉(zhuǎn)速波動、配件質(zhì)量等原因，導(dǎo)致軸承溫度波動的原因主要是：

（1）膨脹機(jī)低壓端非葉輪側(cè)軸承溫度上升原因。

（2）解體檢查發(fā)現(xiàn)軸承與軸之間的間隔，以及齒輪輪齒的嚙合間隙正常，除發(fā)現(xiàn)膨脹機(jī)低壓端的非葉輪側(cè)軸承表面有疑似漆膜（見圖3），其它軸承均未發(fā)現(xiàn)異常。

圖3 膨脹機(jī)非驅(qū)動端軸承及運(yùn)動副實(shí)物圖

（3）因該潤滑油更換不到一年，油品質(zhì)量在開車前檢測合格，為消除疑慮，該公司將潤滑油外送專業(yè)公司進(jìn)行檢測分析。專業(yè)公司確認(rèn)軸承表面附著物為早期漆膜，MPC（漆膜傾向指數(shù)）（見圖4）

圖4 油液監(jiān)測專業(yè)技術(shù)出具的油液監(jiān)測技術(shù)分析報告

（4）本膨脹機(jī)機(jī)所用潤滑油為殼牌多寶46號透平油（礦物油）。礦物油當(dāng)在溫度較高時，潤滑油品氧化，氧化產(chǎn)物聚集在軸瓦表面形成漆膜。礦物潤滑油主要由烴類物質(zhì)組成，烴類物質(zhì)在常溫和較低的溫度下性質(zhì)比較穩(wěn)定。但如果在高溫情況下，某些（哪怕數(shù)量極少）烴分子會發(fā)生氧化反應(yīng)，其他烴分子也就會跟著發(fā)生鏈鎖反應(yīng)，這是烴類鏈鎖反應(yīng)的特點(diǎn)。

（5）設(shè)備技術(shù)人員圍繞設(shè)備本體支撐、進(jìn)出口管道管道冷態(tài)應(yīng)力、油路系統(tǒng)查漏、溫度探頭的完好情況進(jìn)行了排查。并更換了膨脹機(jī)低壓側(cè)非驅(qū)動端的一套軸承，但開車一個月后，溫度仍達(dá)到110℃，隨后振動及溫度出現(xiàn)較大的波動，雖然工藝方面對膨脹機(jī)低壓側(cè)的流量、壓力、溫度進(jìn)行了多次調(diào)試，以期接近改造前工況，但幾乎沒有任何效果（見圖5）。

圖5 2月13日至3月29日相關(guān)指標(biāo)趨勢圖

通過對實(shí)際工況再次進(jìn)行核算，可發(fā)現(xiàn)在膨脹機(jī)現(xiàn)有工況點(diǎn)下，如進(jìn)氣量穩(wěn)定在120t/h時，其輸出功率為8000kw，與原設(shè)計(jì)正常工況下輸出功率7990kw比較接近；如進(jìn)氣量為130t/h時，其輸出功率為8680kw；如進(jìn)氣量為146t/h時，其輸出功率為9660kw。由于低壓側(cè)所做的功占膨脹機(jī)的三分之二，因此膨脹機(jī)低壓側(cè)存在過載可能。當(dāng)溫度超過110℃時，振動值發(fā)生劇烈的變化，表明該時段軸與軸瓦表面新產(chǎn)生的漆膜可能發(fā)生刮擦現(xiàn)象（見圖6）。

圖6 膨脹機(jī)組功率平衡表

3.2 存在問題的機(jī)理分析

（1）如圖7可以看出：坐標(biāo)系下瓦塊支點(diǎn)微幅振動方向與水平坐標(biāo)線的夾角為β、瓦塊擺角為φ，5塊瓦組成的可傾瓦軸承系統(tǒng)，當(dāng)瓦塊承受油膜壓力時，由于瓦塊支點(diǎn)不是絕對剛體，受壓變形后瓦塊支點(diǎn)位置由于支點(diǎn)剛度作用會沿幾何預(yù)載荷方向產(chǎn)生小位移，進(jìn)而改變了軸承間隙及油膜厚度[1]。

圖7 可傾瓦軸承單塊瓦坐標(biāo)系

（2）從圖1中可知，該轉(zhuǎn)子為懸臂梁結(jié)構(gòu)，葉輪是主要做功元件。由于葉輪側(cè)是驅(qū)動側(cè)，在氣體膨脹做功時，由于氣體阻尼的作用，使得葉輪側(cè)的轉(zhuǎn)軸在軸瓦中處于一個理想的狀態(tài)，油隙保持正常。大小齒輪嚙合傳遞扭矩在的過程中，以此為支點(diǎn)，非葉輪側(cè)軸在過載狀態(tài)下的徑向自由移動將受限，其潤滑膜壓力高于其它軸承處的潤滑膜壓力，使得該處潤滑膜剛度變大，油膜更新速度下降，摩擦熱增大，可能產(chǎn)生漆膜。

（3）油液中的漆膜主要由以三種形式產(chǎn)生：油品氧化、油液“微燃燒”、局部高溫放電。該漆膜應(yīng)是油液“微燃燒”所致。其機(jī)理如下：潤滑油中多少會溶解一定量的空氣（一般小于8%），當(dāng)超過溶解極限后，進(jìn)入油液的空氣以懸浮形式的氣泡存在油液中。進(jìn)入該處軸承后，高壓使這些氣泡經(jīng)歷快速絕熱壓縮，流體溫度迅速升高造成油液絕熱“微燃燒”，生成極小尺寸的不溶物。這些不溶物有極性，易粘附到金屬表面從而形成漆膜。壓力越大，不溶物的溶解度越低，就越容易析出沉降生成漆膜。

（4）隨著漆膜的形成，處于非自由狀態(tài)下的油膜厚度被漆膜侵占，同時油膜的更新速度降低，溫度逐步上升增加了軸瓦表面與軸之間的摩擦，同時沉積的漆膜導(dǎo)致散熱不良、油溫上升，導(dǎo)致軸瓦溫度升高。最終軸頸與漆膜碰擦，表現(xiàn)在軸振出現(xiàn)劇烈波動。

（5）雖然檢測該膨脹機(jī)油品的MPC值不高，但當(dāng)潤滑油系統(tǒng)中存在漆膜時，由于潤滑油對漆膜粒子的溶解能力是有限的，漆膜粒子在油中的溶解與析出是一個動態(tài)平衡系統(tǒng)，當(dāng)達(dá)到飽和狀態(tài)時，漆膜就會掛在軸承或軸瓦上，造成軸瓦溫度波動，是影響安全運(yùn)行的重大隱患。但由于它粘附在軸瓦上，是造成軸瓦溫度上升的原因之一。

4 措施與對策

清除軸承處漆膜的聚積，可以保證機(jī)組軸承在可控的溫度下運(yùn)行。通過調(diào)研，經(jīng)與多家除漆膜設(shè)備廠商進(jìn)行交流，我們選擇了使用效果、市場口碑比較好的昆山威勝達(dá)生產(chǎn)WVD-II型靜電吸附+樹脂吸附這種復(fù)合的除漆膜設(shè)備消除漆膜。

WVD-II系列凈油機(jī)有效結(jié)合了靜電吸附凈化技術(shù)和離子交換技術(shù)，通過樹脂吸附解決溶解態(tài)漆膜，通過靜電吸附解決析出態(tài)漆膜，該技術(shù)可在短時間內(nèi)最大限度減少油泥的含量，使原來含有大量油泥/漆膜的潤滑系統(tǒng)恢復(fù)最佳運(yùn)行狀態(tài)，解決因漆膜而引起的止推軸承溫度緩慢上漲問題。能有效地去除和預(yù)防汽輪機(jī)在正常運(yùn)行過程中產(chǎn)生的溶解性和非溶解性油泥。

其主要原理如下：

4.1 離子交換樹脂去除溶解態(tài)漆膜

離子交換樹脂主要由高分子骨架和離子交換基團(tuán)兩個部分組成。吸附原理如圖8所示，

圖8 離子交互樹脂吸附原理

交換基團(tuán)分為固定部分和活動部分，固定部分被束縛在高分子基體上，不能自由移動，成為固定離子；活動部分與固定部分以離子鍵的方式結(jié)合在一起，成為可交換離子。固定離子和活動離子分別帶相反電荷，在軸瓦處，活動部分分解成自由移動的離子，與其他帶同種電荷的降解產(chǎn)物發(fā)生交換，使之與固定離子相結(jié)合，被牢牢吸附在交換基團(tuán)上，從而被油液帶走，溶解態(tài)的漆膜被離子交換樹脂吸附去除。

4.2 靜電吸附技術(shù)去除懸浮態(tài)漆膜

靜電吸附技術(shù)主要利用高壓發(fā)生器產(chǎn)生高壓靜電場，使油中污染顆粒物極化而分別顯示正、負(fù)電性，帶正、負(fù)電性的顆粒物在超高壓電場的作用下各自向負(fù)、正電極方向游動，中性顆粒被帶電顆粒物流擠著移動，最后將顆粒物都吸附并依附于收集器上（見圖9）。

圖9 靜電吸附技術(shù)原理

靜電凈油技術(shù)可以去除所有不溶性污染物，包括顆粒雜質(zhì)和油品降解產(chǎn)生的懸浮態(tài)漆膜。而傳統(tǒng)的濾芯只能去除對應(yīng)精度的大顆粒，亞微米級懸浮態(tài)漆膜難以去除。

該系統(tǒng)可徹底解決析出和沉積在軸瓦上的漆膜，從而徹底解決因漆膜而引起的軸瓦溫度波及振動變化的影響，使得機(jī)組得以長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語

自從投用蘇州威勝達(dá)WVD-II除漆膜凈油機(jī)后，通過靜電吸附和離子交換樹脂相結(jié)合的技術(shù)手段，雙管齊下，軸承的溫度得到了穩(wěn)定，通過2年的運(yùn)行，軸承溫度始終保持在90℃左右，機(jī)組運(yùn)行保持正常，拆解后軸瓦表面及軸頸部位基本沒有發(fā)現(xiàn)漆膜。

6 產(chǎn)生的效益

通過除漆膜濾油機(jī)的安裝運(yùn)行，從而解決了PTA裝置透平膨脹機(jī)低壓端的非葉輪側(cè)軸承溫度緩慢上升問題，避免了機(jī)組停機(jī)造成的巨大損失（機(jī)組開停機(jī)，至少3天，損失至少400萬元；更換軸承，時間1天，損失100萬），以及軸承溫度緩慢增加后對轉(zhuǎn)動及密封部件造成的備件損失（損失在50～800萬元之間）。

該機(jī)組共充填160桶油品，通過除漆膜高精過濾后油品完全達(dá)到合格指標(biāo)，節(jié)約了油品更換費(fèi)用50萬元。