合成氣汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動優(yōu)化研究

陳佳明，張家旭

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江鶴崗 154100）

0 引言

汽輪機(jī)又稱蒸汽透平，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其效率和可靠性正在不斷提高，并且已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向更加環(huán)保和可持續(xù)的方式。同時(shí)，化工行業(yè)和發(fā)電熱能行業(yè)的需求也不斷增長，驅(qū)動汽輪機(jī)不斷發(fā)展著。在蒸汽透平驅(qū)動壓縮機(jī)組中異常振動是一個(gè)常見的問題，也是一個(gè)很難處理的問題。汽輪機(jī)作為壓縮機(jī)組的重要驅(qū)動設(shè)備，其振動原因眾多，對其進(jìn)行故障分析具有非常高的專業(yè)性，只有對汽輪機(jī)的異常振動振動進(jìn)行有效的處理，才能保障機(jī)組的高效穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1 事件經(jīng)過

某煤化工廠的汽輪機(jī)，為日本三菱重工壓縮機(jī)公司生產(chǎn)的抽汽凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組型號為5EH-6BD。其中，汽輪機(jī)汽缸由高壓側(cè)和排氣室組成，汽缸水平剖分，下半汽缸固定在上半汽缸上；軸頸軸承是傾斜瓦型，帶有5 個(gè)傾斜瓦，可以防止由于潤滑油起泡所引發(fā)的振動；兩個(gè)止推軸承是金斯伯雷型，有用于潤滑的油噴嘴，帶有12 個(gè)止推瓦塊。汽輪機(jī)主要性能參數(shù)為：進(jìn)口壓力9 MPa（A.），進(jìn)口溫度530 ℃，抽汽壓力4.4 MPa（A.），抽汽溫度444 ℃，排氣壓力0.013 MPa（A.），排氣溫度51.1 ℃，軸功率6315 kW，轉(zhuǎn)速13 251 r/min。

2021 年9 月10 日，汽輪機(jī)的排汽端振動監(jiān)測點(diǎn)VI04451A/B 出現(xiàn)小幅波動情況，振動值由11.5 μm/7.5 μm 上升至22 μm/16 μm。進(jìn)入10 月份后，VI04451A/B 開始頻繁、大幅波動，其中汽輪機(jī)進(jìn)氣端VI04450A/B 振動值最高波動至32 μm/21 μm，排汽端VI04451A/B 振動值最高波動至為69 μm/44 μm。汽輪機(jī)的進(jìn)、排汽端的振動報(bào)警/聯(lián)鎖值為35 μm/53 μm，聯(lián)鎖形式為二選二。在振值波動期間，汽輪機(jī)的瓦溫、位移及工藝參數(shù)未發(fā)生明顯變化，并且經(jīng)檢查儀表確認(rèn)，振值、瓦溫、位移均為真實(shí)值。

2 故障排查及原因分析

2.1 工藝參數(shù)調(diào)整

按照三菱機(jī)組操作說明書和汽輪機(jī)數(shù)據(jù)表將工況參數(shù)進(jìn)行更為精細(xì)的調(diào)整。2021 年11 月，分別對進(jìn)汽、抽汽、排汽的壓力和溫度和軸封蒸汽壓力調(diào)整值為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（表1），調(diào)整后參數(shù)變化（表2）。通過對工藝指標(biāo)的參數(shù)的進(jìn)行調(diào)整，消除其與設(shè)計(jì)值的偏差，待工藝參數(shù)調(diào)整穩(wěn)定后，通過一段時(shí)間的觀察，機(jī)組振動現(xiàn)場仍然存在，且頻率也未見變化。由此可見，引起的異常振動現(xiàn)象原因并非工藝參數(shù)變化所致。

表1 機(jī)組參數(shù)調(diào)整

表2 機(jī)組參數(shù)調(diào)整后變化（2021 年11 月8 日）

2.2 潤滑油及漆膜

分析汽輪機(jī)振動異常的原因可能是機(jī)組潤滑油中產(chǎn)生了漆膜，漆膜集中在軸瓦上導(dǎo)致機(jī)組軸瓦間隙減少、摩擦增加。漆膜的產(chǎn)生會堵塞過濾器，造成設(shè)備潤滑不良。冷卻器、軸瓦上的漆膜導(dǎo)致冷卻器和軸瓦散熱不良、軸溫上升、油品氧化加速[2]。漆膜會附著固體顆粒，造成設(shè)備磨粒磨損從而引起汽輪機(jī)振動異常波動現(xiàn)象。

對汽輪機(jī)回油管線中的油液取樣分析，油液漆膜指數(shù)及污染度各項(xiàng)參數(shù)見表3，元素分析正常。檢查油過濾器濾芯及濾筒，內(nèi)部干凈無漆膜附著。從潤滑油分析數(shù)據(jù)以及油過濾器情況來看，潤滑油漆膜傾向指數(shù)為2.4、遠(yuǎn)低于參考值≤15，且潤滑油污染度均在范圍內(nèi)，由此可排除油液污染及產(chǎn)生漆膜的原因。

表3 潤滑油分析數(shù)據(jù)

2.3 油封導(dǎo)致的異常振動原因及分析

通過現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)進(jìn)汽側(cè)排煙管線不僅沒有油氣冒出反而有吸氣現(xiàn)象，這會導(dǎo)致汽輪機(jī)周圍溫度較高的空氣和灰塵被吸入油腔內(nèi)。如果漏油進(jìn)入汽封梳齒、汽封與轉(zhuǎn)子軸頸的間隙處，會與被吸入的雜質(zhì)接觸形成油污，進(jìn)而形成結(jié)焦類物質(zhì)。當(dāng)結(jié)焦物積累到足夠多時(shí)，當(dāng)在梳齒、汽封與轉(zhuǎn)子軸頸的間隙處形成觸碰擠壓時(shí)就會抬擠轉(zhuǎn)子軸頸，進(jìn)而出現(xiàn)振動值升高并產(chǎn)生摩擦，摩擦生成的熱量使轉(zhuǎn)子受熱彎曲變形，但這種軟接觸摩擦變形不是永久性彎曲（圖1）。如果結(jié)焦類物質(zhì)被高速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子軸頸觸碰、擠甩出油/汽間隙的縫隙，轉(zhuǎn)子就會恢復(fù)正常的振動狀態(tài)。這樣就形成了無規(guī)律、無規(guī)則的上升，造成不正常波動變化。

圖1 油封處油泥導(dǎo)致異常振動示意

2.4 機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)對異常振動的分析

（1）在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示，振值波動的主要特性頻率為1×，同時(shí)伴隨著1×相位的同步變化，但波動恢復(fù)后相位基本可回到原數(shù)值。轉(zhuǎn)子平衡性發(fā)生變化，振動恢復(fù)后相位角恢復(fù)。

（2）時(shí)域波形圖出現(xiàn)明顯削波現(xiàn)象。

（3）軸心軌跡圖不是平滑過渡。

從在線監(jiān)測系統(tǒng)反饋信息得知，汽輪機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)動靜摩擦故障[3]。這種摩擦可能是油泥的形成對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生影響，并由于摩擦使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了熱彎曲效應(yīng)，導(dǎo)致機(jī)組振動變大。在線監(jiān)測分析結(jié)果，支持由于油泥而產(chǎn)生異常波動的結(jié)論。

3 處理措施

3.1 暫緩油泥形成

為暫緩油泥形成，對汽輪機(jī)排油煙管線進(jìn)行拆卸利用蒸汽吹掃拆卸的管線，防止管線內(nèi)積碳導(dǎo)致排油煙不暢。并制作降溫裝置接空氣對透平進(jìn)汽端軸端隔板處進(jìn)行均勻降溫，減緩油封、汽封處油泥、油垢的形成。

接空氣吹透平進(jìn)汽端軸端隔板處使溫度降低，投用后效果較為明顯，近一個(gè)月振值未出現(xiàn)大幅度波動，但一個(gè)月后又出現(xiàn)不規(guī)則振動現(xiàn)象。此現(xiàn)象說明降低軸端溫度能起到降低振動頻率的發(fā)生，但只是短期間內(nèi)改變振幅，由于空氣吹到殼體外部降溫并未實(shí)質(zhì)上改變油腔中油的運(yùn)動軌跡，所以在此溫度長時(shí)間下油泥、油脂仍然會回到一個(gè)適應(yīng)點(diǎn)從而使振動現(xiàn)象再次出現(xiàn)。壓縮廠房室內(nèi)溫度尤其是汽輪機(jī)附近溫度較高，加上高壓側(cè)排油煙管線目前為負(fù)壓，正處于吸氣狀態(tài)從而使油腔內(nèi)溫度上升。目前需要給高壓側(cè)油腔降溫增加冷空氣的吹掃量即加大對焦油泥類物質(zhì)的吹除破壞力度，現(xiàn)有辦法只有油腔內(nèi)壓力成為微正壓，盡量消除軸承箱內(nèi)的油汽壓力，使油汽不能從軸承箱油汽封與轉(zhuǎn)子軸頸的間隙縫隙中漏出，以爭取獲得有足夠長時(shí)間的平穩(wěn)運(yùn)行期。

3.2 提高油封密封氣量

通過增加對高溫側(cè)缸壁與軸承箱油汽封隔空段間的空氣吹掃頻次，制作簡易吹掃裝置接空氣吹汽輪機(jī)低壓端軸封處降低溫度來改變軸瓦處的油泥情況等措施，已經(jīng)有效延長了油焦泥類物質(zhì)的形成和堆積結(jié)存的時(shí)間，從而使汽輪機(jī)維持了一段較長時(shí)間的“穩(wěn)定”運(yùn)行狀態(tài)，但并未徹底解決故障（圖2）。

圖2 吹掃裝置示意

2022 年3 月，合成氣壓縮機(jī)短時(shí)間停機(jī)，借此機(jī)會檢查軸封的隔離氮?dú)狻０l(fā)現(xiàn)隔離氮?dú)馀c汽輪機(jī)軸端連接處的通孔為2 mm 且有雜質(zhì)堆積，導(dǎo)致隔離氮?dú)饬魍枯^小或無流通量。因此，將其進(jìn)行擴(kuò)孔至6.4 mm，并在隔離氣進(jìn)入高壓缸軸端前單獨(dú)設(shè)立截止閥來控制氮?dú)饬魍浚▓D3）。由于氮?dú)饬魉?流量提高，徹底改變了機(jī)組油腔潤滑油的運(yùn)動軌跡，開機(jī)后一直處于滿負(fù)荷狀態(tài)，到目前為止尚未出現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動現(xiàn)象。

圖3 隔離氮?dú)馔讛U(kuò)孔前后對比

2022 年8 月，汽輪機(jī)開缸檢修，檢查油封發(fā)現(xiàn)油垢淤積，測量油封間隙為0.35 mm、已超過設(shè)計(jì)值（0.15～0.25 mm）。

4 結(jié)束語

汽輪機(jī)是一種復(fù)雜的設(shè)備，能持續(xù)工作，但是經(jīng)常會發(fā)生各種故障，因此必須通過多種方法對故障進(jìn)行分析，并根據(jù)故障的原因、特點(diǎn)，選擇合適的處理方法。通常為準(zhǔn)確找出某一個(gè)設(shè)備的振動原因，找出其振動規(guī)律，需要大量的資料分析，并進(jìn)行相應(yīng)的測試。本文針對某公司合成氣汽輪機(jī)存在油處封異常形成油污、油垢結(jié)焦類物質(zhì)而引起的異常振動問題，分析其產(chǎn)生原因，并采用不停車在線處理減緩振動頻率以及短期停車期間采取擴(kuò)大密封氣通孔增加密封氣量的方式徹底消除了異常振動現(xiàn)象，保障了機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。