高壓加氫循環(huán)氫壓縮機(jī)開機(jī)故障分析

崔鐘續(xù)，趙旺華，劉云秀，應(yīng)汶靜

(中化泉州石化有限公司，福建 泉州 362103)

1 設(shè)備情況介紹

循環(huán)氫壓縮機(jī)為離心式，型號為BCL459B(垂直剖分，葉輪名義直徑450 mm，9級)。軸功率3230 kW；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子總長1795.5 mm，軸承處軸徑Φ90 mm，兩軸承中心距1410 mm，重量297 kg，壓縮機(jī)第一階臨界轉(zhuǎn)速4442 r/min，最大連續(xù)轉(zhuǎn)速11944 r/min。驅(qū)動機(jī)為背壓式[1]汽輪機(jī)，型號NG32/25。

渣油加氫裝置設(shè)計兩系列單開單停，現(xiàn)場有2套同型號循環(huán)氫壓縮機(jī)。循環(huán)氫作為加氫裝置的核心設(shè)備，額定工況如表1所示。

表1 設(shè)備額定工況數(shù)據(jù)表

2 故障經(jīng)過

2014年6月開機(jī)，各項參數(shù)正常，由于渣油加氫每年需更換催化劑，至2017年12月大檢修前本臺機(jī)組開停機(jī)4次，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。

2.1 第一次故障

2018年1月10日大檢修后兩系列開機(jī)，I系列循環(huán)氫壓縮機(jī)開機(jī)順利沖過臨界轉(zhuǎn)速[2]。II系列循環(huán)機(jī)在低速暖機(jī)(1400 r/min)和中速暖機(jī)(3000 r/min)過程中，壓縮機(jī)振動、位移、溫度等參數(shù)都在較小值范圍。過臨界過程中機(jī)組發(fā)生強烈振動[3-4]，導(dǎo)致干氣密封損壞，干氣密封泄漏氣高高聯(lián)鎖停機(jī)。經(jīng)過拆檢發(fā)現(xiàn)級間梳齒兩側(cè)及平衡盤梳齒密封全部磨平，徑向瓦軸正常磨損[5]，葉輪一側(cè)有三分之一圓弧長與定子摩擦(連續(xù))。非驅(qū)動端干氣密封一級動靜環(huán)破損，二級動靜環(huán)摩擦痕跡。汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)最高振動至47 μm，汽輪機(jī)軸瓦拆檢正常。

查檢修記錄，徑向瓦軸瓦間隙為0.175 mm(壓鉛絲法)，從軸瓦損壞情況來看，推測軸瓦位置實際振動應(yīng)該在200 μm左右，從葉輪及梳齒密封損壞程度來看，過臨界時轉(zhuǎn)子處于嚴(yán)重失穩(wěn)狀態(tài)，振幅應(yīng)該在500 μm左右，轉(zhuǎn)子一側(cè)三分之一外圓有摩擦痕跡，轉(zhuǎn)子存在彎曲情況。

2.2 第二次故障

由于催化劑壽命原因，裝置在同年8月份再次停工，循環(huán)機(jī)正常停機(jī)，本次增加停工期間盤車。9月4日開機(jī)，所有步驟按照操作規(guī)程逐步確認(rèn)，啟動、低速暖機(jī)、中速暖機(jī)，但在過臨界轉(zhuǎn)速時又發(fā)生強烈振動，此次有所準(zhǔn)備，現(xiàn)場和中控室都有專人等待命令準(zhǔn)備隨時停機(jī)，室外在聽到轉(zhuǎn)動異常后緊急停機(jī)，但非驅(qū)動端振動還是達(dá)到100 μm(滿量程)。

如果解體檢查會影響生產(chǎn)，從參數(shù)上看除了振動較大，其他參數(shù)：位移、軸承溫度、惰走時間、干氣密封流量等參數(shù)正常，現(xiàn)場盤車未見明顯異常。經(jīng)過討論并確認(rèn)軸瓦、氣封、干氣密封等都有備件。開始嘗試再次啟動，第二次則通過臨界，最大振動83 μm。

2.3 第三次故障

2019年6月份裝置停工換劑，考慮到壓縮機(jī)上次開機(jī)振動大，氣封有磨損，且效率下降，備用轉(zhuǎn)子到貨，檢修一并更換新轉(zhuǎn)子和氣封，檢查更換軸瓦。6月17日開機(jī)，3000 r/min壓縮機(jī)高振動6.8 μm，其余各項參數(shù)都在較好水平，在沖臨界轉(zhuǎn)速時再次振動高高，現(xiàn)場緊急停機(jī)。

3 原因分析

在第一次故障[6-9]后分析可能有2個原因：

(1)轉(zhuǎn)子停機(jī)存放自然彎曲

轉(zhuǎn)子總長1795.5 mm，9級葉輪，直徑90 mm，停機(jī)后自然存放35 d，未盤車，理論上存在彎曲可能，正常轉(zhuǎn)子彎曲時振動會隨著轉(zhuǎn)速升高而升高，但查趨勢并不能對應(yīng)。下面例子是轉(zhuǎn)子存在初始彎曲時振動曲線(圖1)。圖中上方四條線為壓縮機(jī)兩側(cè)振動值，最下方線為轉(zhuǎn)速趨勢，可以看出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子彎曲時，振動隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，有跟隨性。

圖1 轉(zhuǎn)子存在初始彎曲時振動受轉(zhuǎn)速影響曲線

(2)意外沖轉(zhuǎn)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲

查詢開機(jī)趨勢，在2018年1月10日開機(jī)之前循環(huán)機(jī)被沖轉(zhuǎn)過。經(jīng)詢問現(xiàn)場，沖轉(zhuǎn)原因為大檢修中更換防喘振線單向閥(原閥門閥體裂紋)，將原DN250/CL1500單向閥更換為鍛制DN250/CL2500新單向閥密封性較好，循環(huán)機(jī)防喘振電動閥至單向閥約100m管道沒有介質(zhì)，在開機(jī)前打開防喘振電動閥瞬間氣體從循環(huán)機(jī)入口向出口流動，造成循環(huán)機(jī)沖轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速最高至810 r/min。巨大的扭矩導(dǎo)致轉(zhuǎn)子彎曲？

但這種觀點很快又被否定。原因如下：

(a)經(jīng)查當(dāng)時沖轉(zhuǎn)振動、位移參數(shù)，轉(zhuǎn)動瞬間最大振動13.9 μm，位移最大0.06 mm，從數(shù)據(jù)上看轉(zhuǎn)動沒有造成轉(zhuǎn)子動靜摩擦。

(b)壓縮機(jī)與汽輪機(jī)中間連接體是膜片式聯(lián)軸器，如果能造成轉(zhuǎn)子彎曲的瞬間扭矩，理論上聯(lián)軸器應(yīng)優(yōu)先損壞，這也是聯(lián)軸器在設(shè)計時就考慮保護(hù)軸的一個重要作用。

(c)當(dāng)時出、入口流量約為44000 Nm3/h，入口壓力2.28 MPa，出口壓力最低到1.64 MPa，最大轉(zhuǎn)速810 r/min。

孔板流量計通用計算公式

(1)

式中Q--體積流量，Nm3/h

K--系數(shù)

d--工況下節(jié)流件開孔直徑，mm

ε--膨脹系數(shù)

α--流量系數(shù)

Δp--實際差壓，Pa

ρ--介質(zhì)工況密度，kg/m3

設(shè)計工況介質(zhì)密度0.13 kg/m3，而此次開機(jī)時工況為氮氣密度為1.25 kg/m3，在同樣的Δp差壓下，密度越大，顯示流量越大，開根號后實際流量約是顯示流量的3.1倍，實際流量約為14193 Nm3/h。為了驗證此種猜想，廠家通過建模來模擬原動機(jī)驅(qū)動的情況計算軸功率是2 kW，而軸功率是3577 kW，這種功率下不會導(dǎo)致軸彎曲。所以轉(zhuǎn)子彎曲是在振動過程摩擦受熱彎曲。

前兩次故障分析方向基本圍繞轉(zhuǎn)子彎曲時間、暖機(jī)時間、轉(zhuǎn)速升速速率、是否發(fā)生弱喘振喘[10]、介質(zhì)中氫氣氮氣比例、啟動壓力、出入口壓力等參數(shù)，但并沒有找到明顯的數(shù)據(jù)支撐，第三次開機(jī)前更換了新轉(zhuǎn)子，并由廠家指導(dǎo)安裝，排除了一切安裝問題。但開機(jī)還是再次振動超量程，所以故障分析范圍必須再擴(kuò)大。

4 深入分析

最終在對比防喘振流量數(shù)據(jù)時候發(fā)現(xiàn)一個特征，開機(jī)能夠順利通過臨界轉(zhuǎn)速防喘振線流量大，再查曲線3000 r/min低速暖機(jī)時，有時候防喘振沒有流量顯示，或者0和1000 Nm3/h，趨勢呈鋸齒狀。也就是表明低轉(zhuǎn)速時，介質(zhì)并沒有走防喘振線，或者時有時無。而防喘振線設(shè)計目的就是走短路，使介質(zhì)盡快返回到壓縮機(jī)入口[11-13]。但實際情況并不是這樣，不論低速暖機(jī)還是過臨界期間，壓縮機(jī)出口去反應(yīng)器流量始終大于防喘振線流量。

做一個假設(shè)，防喘振閥閥芯太重?zé)o法打開或者打開后閥芯波動造成入口流量波動，壓縮機(jī)過臨界時轉(zhuǎn)速快速拉升，壓縮機(jī)出口流量增大(壓縮機(jī)出口流程有兩個分支，一個分支去防喘振線，走短路回到壓縮機(jī)入口；另外一個分支去冷氫或爐前混氫，再經(jīng)過反應(yīng)器)，而這兩路壓降相近的時候就會出現(xiàn)閥芯反復(fù)波動的情況。從而造成壓縮機(jī)振動。

5 分析驗證

為解決疑慮，通過查圖紙確認(rèn)閥芯的重量區(qū)別，原單向閥使用閥芯重量21.2 kg，而后面更換的鍛鋼閥門閥芯重量33.6 kg。使用專業(yè)模擬軟件模擬過臨界時單向閥閥芯狀態(tài)(圖2)，輸入相似介質(zhì)在同等壓力、密度等參數(shù)，分別模擬開機(jī)失敗低流量單向閥兩種閥芯運動軌跡(圖3)和開機(jī)成功時兩種閥芯運動軌跡(圖4)。可以看出低流量情況下重閥芯在1.5 s內(nèi)大幅開合4次，而輕閥芯開合次數(shù)少、總體幅度降低。大流量情況則好很多，重閥芯只在前0.7 s開合3次，之后閥位穩(wěn)定，而輕閥芯只開合一次閥芯則保持在較大開度。

圖2 模擬防喘振單向閥通過臨界轉(zhuǎn)速時波動情況

圖3 低流量工況防喘振單向閥通過臨界轉(zhuǎn)速時2種閥芯動作情況

圖4 高流量工況防喘振單向閥通過臨界轉(zhuǎn)速時2種閥芯動作情況

綜上說明閥芯偏重直接影響管路氣體流量穩(wěn)定，過臨界轉(zhuǎn)速時汽輪機(jī)實際升速速率約30 r/s，快速提升轉(zhuǎn)速后流量也快速提高，但重閥芯形成一定的開閥阻力，而出口2個分支阻力相等時則會造成一個不穩(wěn)定工況。壓縮機(jī)過臨界時轉(zhuǎn)子接近固有頻率時振動會增大，正常由于軸系阻尼[14-15]作用存在，振動會很快下降，但有重閥芯的影響則完全不同，相當(dāng)于入口流量一直快速波動，而這種波動給轉(zhuǎn)子一個激勵，恰在過臨界時造成轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，表現(xiàn)為振動快速上升超量程、轉(zhuǎn)子與定子摩擦、干氣密封損壞等后果。

6 過程故障處理及結(jié)果

第一次故障后，由于轉(zhuǎn)子發(fā)生明顯彎曲，轉(zhuǎn)子平衡盤位置徑向跳動最大值0.12 mm，實施轉(zhuǎn)子修復(fù)跳動大位置后按照ISO1940-2003做高速動平衡[16]，精度G1.0。第二次故障實際未處理，但開機(jī)后流量(同在8000 r/min)相比之前減小約20000 Nm3/h；干氣密封一級供氣也受影響，出現(xiàn)了兩側(cè)流量嚴(yán)重偏流；軸位移增大；從這些現(xiàn)象來看平衡鼓氣封及級間氣封應(yīng)該也有所損壞。第三次開機(jī)前更換新轉(zhuǎn)子，開機(jī)失敗后新轉(zhuǎn)子下線，再使用回舊轉(zhuǎn)子。

經(jīng)過深入分析和專業(yè)軟件驗證后實施閥芯減重計劃，使閥芯重量等同于原單向閥質(zhì)量，最終一次開車成功，過臨界時最高振動56.3 μm。

7 總結(jié)

在前兩次時故障中，故障原因是存在爭議的，但由于認(rèn)知限制和研究方向影響了故障判斷。該設(shè)備屬于加氫裝置核心設(shè)備，考慮儀表故障可能會導(dǎo)致非計劃停車，開工初期便將振動、溫度聯(lián)鎖停機(jī)摘除，運行期間雖說避免過儀表故障導(dǎo)致聯(lián)鎖停車，但從長遠(yuǎn)來看如果投用振動聯(lián)鎖，故障造成的后果會降低很多。另外如果機(jī)組配置狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對故障判斷會有很大幫助。