硝酸四合一機組問題分析及對策

甄延明

（中國石油遼陽石化分公司，遼寧遼陽 111003）

0 前言

硝酸四合一機組是雙加壓法硝酸生產工藝的核心設備，由蒸汽透平、氧化氮壓縮機、二級減速機、空氣壓縮機、尾氣透平組成，其中蒸汽透平和尾氣透平為供能設備，氧化氮壓縮機和空氣壓縮機為耗能設備，本文以中國石油遼陽石化分公司11.66萬t/a硝酸裝置四合一機組為例，總結分析各類問題的原因并提出對策，為硝酸裝置四合一機組的優化運行及檢修和維修工作提供經驗。

1 已解決的問題及機組運行現況

遼陽石化分公司11.66萬t/a硝酸裝置四合一機組，自2004年11月開車以來已運行12 a，在開車之初的2年內經歷非計劃停車30余次，針對造成非計劃停車的各類問題已進行過改進，問題及改進措施有6各方面。

（1）蒸汽透平和尾氣透平2臺供能設備，無法滿足氧化氮壓縮機和空氣壓縮機在設計工況下正常運行，導致空氣壓縮機運行工況效率較低，相對耗能較大。,采取的措施為摘掉空氣壓縮機最后一級動葉，在滿足裝置滿負荷運行及開車工況的前提下，空氣壓縮機效率提高3%～5%，減少耗能約200 kW。保證了氧化氮壓縮機和空氣壓縮機在設計工況下正常運行。

（2）氧化氮壓縮機中分面加工精度不夠，上下中分面間隙在0.03～0.5 mm，高壓端由于熱變形等原因，最大間隙值達到0.5 mm，導致中分面頻繁泄漏。采取的措施為在上中分面開一圈4.5 mm×4 mm的溝槽，內鑲直徑5.8 mm的氟23密封膠條，中分面采用耐高溫且耐腐蝕的硅酮樹脂密封膠，螺栓采用液壓扳手緊固，使緊力均勻且達到密封要求，解決了氧化氮壓縮機的泄漏問題。

（3）空氣壓縮機軸瓦和減速機軸瓦溫度偏高造成機組多次停車。所采取的措施為將軸瓦間隙值調整為標準值上限，調整瓦口油封片間隙，增大潤滑油流量，更多的帶走軸承熱量，調整底瓦的安裝高度，保證轉子對中值及運行位置。處理后軸瓦運行溫度均＜80℃。

（4）機組聯鎖設定不合理，由于單點溫度或振值偏高導致停車，后經分析確定單點溫度或振值偏高并不能代表機組處于必須停車的狀態，有時可能出現探頭故障導致的假值。所采取的措施為將每塊軸瓦的瓦溫及每點的軸振動聯鎖改為2取2，并將壓縮機喘振保護系統與聯鎖停車系統剝離，修改完善PLC中的邏輯關系。避免了由于聯鎖設定不合理而造成的頻繁停車。

（5）軸承箱油封漏油及由于氧化氮氣體滲漏造成的潤滑油變色、酸值增高，且長時間運行會對氧化氮壓縮機聯軸器M6螺栓造成腐蝕。所采取的措施為在軸承箱每組油封第二道油封片處引入氮氣并改變第二道油封片的刃角方向，對軸承箱做微氮保護，防止油封漏油及氧化氮氣體滲入軸承箱，另一方面在氧化氮壓縮機兩端引入兩級密封氣（一級為一次空氣，二級為公用風），防止氧化氮氣體外漏。實施后取得較好的效果。

（6）蒸汽透平真空度建立困難，真空度偏低，嚴重影響機組的正常開車與運行。采取的措施為將原來的三級低壓噴射器改為三級中壓噴射器，提高抽氣效率，另一方面在破真空閥低點排凝管線上加閥門，防止從破真空閥排凝管線漏氣影響機組真空度。實施后徹底解決了影響機組運行的真空度問題。

現在從實際運行情況來看，本套四合一機組運行較為平穩，并連續創造了國產硝酸四合一機組超百天平穩運行的記錄，但機組經過十幾年的運行及機組固有因素，在機組的運行及檢修過程中又有新問題出現。

2 新的問題原因及分析

2.1 運行中的問題

（1）開車過程中曾出現蒸汽透平主汽門開啟后，瞬間達到最大開度，四合一機組轉速迅速升高，完全不受505控制系統的升速邏輯控制，采取打閘停車措施，但速關油卸掉后又迅速建立起來，主汽門開度又達到最大，后采取扳住打閘停車扳手，保持卸掉速關油的狀態，迅速手動關閉主蒸汽閥，才避免飛車的發生。

分析原因后發現，由于主蒸汽閥零點滯后于電液轉換器的電信號零點及潤滑油含微小顆粒雜質，造成505控制系統發出升速信號后主汽門未及時打開，反饋的轉速為零，控制系統會不斷加電信號一直到100%開度對應的電信號，機組主汽門會迅速達到最大開度，當機組升速速度需要降低關小主汽門時，由于電液轉換器閥芯受雜質阻塞，造成二次油壓無法降低，主汽門維持最大開度狀態，速關油無法卸掉，速關閥無法關閉。

（2）氧化氮壓縮機高壓端螺帽處出現氮氧化物氣體泄漏，后將泄漏處螺帽上孔封堵避免泄漏，但不久后氣體會從中分面螺栓與下殼體螺紋連接處漏出，對現場環境及員工的人身安全造成一定的影響。

檢修時發現氮氧化物泄漏的原因為4.5 mm×4 mm的溝槽未將平衡盤外側的平衡腔包含在內，此腔體通過平衡管與入口相連，其內部壓力為氧化氮壓縮機入口壓力0.3 MPa，出口氧化氮氣體溫度在196℃，加之殼體密封面不平等原因，氣體便會從平衡腔竄入螺栓孔處造成泄漏。

（3）空氣壓縮機止推軸承主推側瓦塊磨損嚴重，磨損量≥0.4 mm，運行中單點溫度高達106℃，已達到報警值，后更換幾次主推側瓦塊，滿負荷情況下運行周期僅為100 d，制約著機組的長周期運行，止推瓦塊也成為易損件，增加運行成本。

由于軸流壓縮機轉子經過前期的改造，尾氣透平靜葉軸承漏氣量減少，造成空氣壓縮機與尾氣透平軸向力平衡不好，推力盤表面磨損造成平整度達不到要求，且無法在現場人工處理，致使空氣壓縮機主推側軸向力偏大，瓦塊表面形成的油楔無法承受巨大的軸向力造成軸承瓦塊磨損，隨著磨損的加劇，無法形成具有承載力的油契，僅可形成普通潤滑油膜，磨損會進一步加劇，瓦溫升高速度會進一步加快。

（4）尾氣透平排氣溫度升高，由起初的140℃升高到160℃，工作效率下降，熱能回收減少，導致蒸汽透平耗汽量增加。由于尾氣透平第一級靜葉為可調靜葉，其靜葉軸承為石墨軸承，在360℃以上的高溫大流量尾氣中工作，壽命嚴重縮短，內部石墨全部脫落，造成漏氣量增加，工作效率嚴重下降。

2.2 檢修中的問題及原因分析

（1）在氧化氮壓縮機更換徑向軸瓦的檢修過程中，曾出現過開車時盤車電機過載跳閘，開車后高壓端氧化氮氣體出現嚴重泄漏的現象。原因分析：更換氧化氮壓縮機兩端徑向瓦時并未對氧化氮壓縮機揭蓋檢修，更換徑向瓦后轉子的實際位置無法確定，造成支撐瓦下沉，轉子高壓端平衡盤氣封片及軸端氣封片與下殼體接觸，氣封片損壞嚴重導致氧化氮氣體嚴重泄漏。

（2）在尾氣透平的檢修過程中，發現靜葉承缸底部與動葉發生碰磨，后將靜葉承缸裝配高度降低0.2 mm解決了碰磨問題。高壓端徑向瓦經幾次更換瓦塊后，發現每次都會出現下瓦塊及軸承箱下油封片磨損嚴重的現象，且運行初期溫度較高，運行后期伴隨著油封漏油及徑向瓦潤滑油量增加的現象。

由于尾氣透平轉子與空氣壓縮機轉子為剛性聯軸器連接，且尾氣透平高壓端徑向軸承支座為靜態支座（與機體分離，不隨機組殼體溫升而向上浮動），而空氣壓縮機高壓端徑向軸承支座與機殼連接，隨機組殼體溫升而向上浮動，但按廠家提供的冷態找正曲線（尾氣透平轉子比空氣壓縮機轉子在豎直方向上高出0.18 mm）安裝找正后，運行過程中空氣壓縮機徑向瓦支座上浮量并未達到0.18 mm，造成原本2塊瓦承受的轉子重量完全由尾氣透平高壓端徑向瓦單獨承受，油膜無法正常形成，瓦面巴氏合金被均勻磨掉，尾氣透平高壓端轉子下沉，靜葉承缸底部與動葉輕微碰磨，下油封片磨損上油封片間隙增大導致漏油，徑向瓦瓦口下油封片磨損上油封片間隙增大，導致潤滑油量增加。

3 針對新問題采取的措施

3.1 運行中的問題解決措施

（1）針對開車過程中主蒸汽閥開度無法控制的問題采取2項措施。①保證潤滑油無雜質，機組檢修時采取用面粘等措施清理軸承箱內雜物，避免檢修過程中對潤滑油造成的污染，油過濾器壓差高時及時更換有過濾器濾芯，定期啟動濾油機清除潤滑油中雜質，保證潤滑油的質量。②在機組開車前對蒸汽透平調速系統進行聯校，保證電液轉換器電信號和二次油信號及主汽門開度呈線性對應關系，避免主蒸汽閥零點偏離電液轉換器電信號零點，電信號、二次油壓力、主汽門開度對應關系見表1。

表1 電信號、二次油壓力和主汽門開度對應關系

（2）針對氧化氮壓縮機中分面高壓端出現泄漏的問題，在條件允許的情況下可將上殼體4.5 mm×4 mm的溝槽向外側延伸，將平衡盤外側的平衡腔包含在內，可從根本上解決泄漏問題，但由于條件限制，此措施還未實施，現階段采取的措施是保證高壓端膠層的厚度及固化效果，保證螺栓的緊力均勻且中分面密封膠被均勻擠出，從而保證密封效果。

（3）針對空氣壓縮機止推軸承主推側瓦塊磨損嚴重的問題，在條件允許的情況下首先應對機組進行相應改造，使空氣壓縮機和尾氣透平的軸向力能夠大部分抵消，減少作用在止推軸承上的軸向力。另一方面對推力盤進行處理或更換，改善止推軸承的工作環境，有效延長止推軸承壽命。但由于條件限制，現階段只能采取定期更換止推瓦塊，操作上嚴格控制機組負荷和潤滑油溫度，從而控制軸向力不至于過大。在保證轉子振值穩定的前提下，按35℃左右的下限溫度來控制潤滑油溫度，從而保持油膜厚度降低軸瓦溫度，減少瓦塊的磨損，延長軸承使用壽命。

（4）針對尾氣透平工作效率下降，排氣溫度不達標的問題，條件允許的情況下可對尾氣透平進行改造，在級間增加梳齒密封控制各級漏氣量，提高工作效率。由于條件受限，現階段所能采取的措施，只是對調節級的32套靜葉軸承及密封O形環進行更換，靜葉軸承采用密封性及使用壽命更好的陶瓷軸承，密封O形環采用更耐老化和更耐高溫的氟Viton材料，從根本上解決調節級漏氣的問題，降低了排氣溫度，熱回收率提高。現排氣溫度由160℃降到140℃，進排氣溫差可達到210℃，蒸汽透平節汽達0.5 t/h以上，吸收塔內吸收壓力提高0.3 MPa以上。

3.2 檢修中的問題解決措施

（1）針對機組不開蓋更換徑向軸承無法確定轉子實際位置，容易造成動、靜部件碰磨的現象，現機組檢修不開蓋更換兩側或單側徑向瓦時采取的措施為，首先將上半軸承體拆掉，用百分表記錄軸的原始位置讀數，然后安裝抬軸器，輕輕提起表針，用抬軸器將軸抬起，取出舊軸承的下半軸承體安裝新軸承的下半軸承體，落軸并輕輕放下表針，記錄軸的新位置讀數，比較2次的讀數從而判斷新軸承下半軸承體瓦背調整塊高度調整值，保證轉子檢前檢后狀態一致，既減少了工作量，又保證了檢修質量。

（2）針對尾氣透平靜葉承缸底部與動葉發生碰磨，高壓端油封下油封片磨損及徑向軸承下半軸承瓦塊磨損的現象，究其根本原因是廠家提供的冷態找正曲線不夠精準，機組的實際運行找正曲線，要根據實際運行情況進行調整，根據實際運行情況及尾氣透平各部位磨損情況及磨損值，測算尾氣透平轉子對輪比空氣壓縮機轉子對輪在豎直方向上高出的值應＜0.18 mm，本套機組實際值在0.05 mm。考慮到尾氣透平靜葉承缸已下調0.2 mm，入口端徑向下瓦已磨損到配合尺寸，運行時不再出現瓦溫高的現象，雖然實測間隙值超標，但根據實際運行情況，不對其進行更換調整，尾氣透平與空氣壓縮機對中值也未做整體調整（入口端徑向下瓦磨損后已達到比較好的對中狀態）。現采取的措施是對油封體上油封片及徑向瓦瓦口的上油封片進行研磨并重新與軸研配，使其與軸配合尺寸符合標準，避免油封漏油及軸瓦潤滑油量過大。若更換新徑向軸承時，可依照3.2（1）中方法來調整安裝新徑向軸承，從而保證轉子的對中狀態及軸與軸承的配合精度。

4 結語

中國石油遼陽石化分公司11.66萬t/a硝酸裝置四合一機組運行現況及存在問題，對機組開車之初、機組后期運行及機組日常檢修時所出現的問題進行深入分析，并提出有效對策，對本套及同類四合一機組的運行及維修提供經驗，在保證四合一機組的長周期運行及高效檢修等方面價值極高。