汽輪機轉子熱彎曲及臨界轉速偏移故障分析及處理

米孜拉夫·麥麥提，秦 濤，陳 剛，劉 輝

（中國石油 獨山子石化公司，新疆 獨山子 833699）

中國石油獨山子石化公司苯乙烯裝置壓縮機組（21-K-2471）輸送介質為富氫尾氣，額定質量流量為10 025 kg/h。壓縮機組通過不斷地從粗苯乙烯冷凝器E-2205中抽出脫氫尾氣來降低并維持脫氫單元的壓力，從而為1個或多個需要氫氣原料的工藝單元提供進料。

按照工藝設計，若該壓縮機組停機，苯乙烯裝置只能維持50%的生產負荷，將嚴重影響苯乙烯裝置的產能。因此，快速準確地處理壓縮機組故障對于苯乙烯裝置連續平穩生產及經濟效益的實現至關重要。

1 壓縮機組簡介

壓縮機組由RE3型3級離心式汽輪機、A35型變速箱及SKUEL816型雙螺桿壓縮機3個主要部分構成。汽輪機包括轉子、軸承、氣封、調速系統、速關閥和控制系統等，主要為壓縮機提供驅動力，由美國DRESSER-RAND公司制造。減速箱的作用是降低汽輪機傳遞至壓縮機的轉速，其變速比為 3.689:1，采用人字齒輪，由 MAN TURBO AG公司制造。螺桿壓縮機的陽轉子共有4個齒，陰轉子共有6個齒，使用碳環密封，密封氣體則使用0.3 MPa、190℃的低壓蒸汽。

壓縮機組結構示意見圖1。

圖1 壓縮機組結構示圖

2 壓縮機組故障描述

該壓縮機組在2019-09裝置檢修開工時及之前幾年均開機困難，開機過程中汽輪機、減速箱、壓縮機振動值分別多次超過制造廠家提供的設防值，導致壓縮機組開機過程中聯鎖停機。其中，汽輪機轉速從500 r/min升至4 500 r/min時，汽輪機驅動端振動值上漲至聯鎖值76 μm，導致機組開機失敗。正常運行時汽輪機驅動端振動值不大于10μm，報警值為38 μm。

汽輪機高速暖機轉速設定值為5 181 r/min。實際運行中，汽輪機轉速升至4 600～4 700 r/min時，汽輪機前后軸振動值開始波動上升，汽輪機轉速達到5 150 r/min時振動值突然跳升超過聯鎖值152μm（聯鎖倍增），最大達到 158 μm，轉速無法達到高速暖機轉速即開機失敗。

3 壓縮機組故障分析

3.1 汽輪機轉子熱彎曲

分析發現，汽輪機轉子聯軸器端VT24861和非聯軸器端VT24862振動值同時上升，對應關系良好，壓縮機和增速箱振動值也同步變化。檢查儀表回路，未發現檢測系統故障，說明振動值真實、準確。通過沈鼓狀態監測系統SG8000查看機組波形頻譜圖，汽輪機轉子聯軸器端和非聯軸器端波形光滑、穩定且重復性好，均為等幅正弦波，只有一倍頻振動幅值異常增大，其它倍頻無明顯異常，最大幅值均小于5μm。

常見的引起一倍頻振動幅值異常增大的原因有［1］：①轉子不平衡故障，如轉子損傷、結垢、初始不平衡及轉子熱彎曲等［2-3］。②軸承偏心類故障，如軸瓦間隙超標、軸頸與軸瓦安裝偏心等［4］。③支撐剛度異常，如支座、基礎的松動、變形等引起共振［5］。④運行轉速接近臨界轉速。

對以上4種原因進行排查：①壓縮機及汽輪機轉子在檢修時都進行了清理，并且更換了壓縮機陰、陽轉子，汽輪機和壓縮機轉子沒有明顯損傷，動平衡試驗均正常。②檢修時測量的壓縮機和汽輪機轉子軸徑及軸瓦內徑均合格，安裝時同心度均在廠家要求的指標范圍內。③經檢查，基礎牢靠。用力矩扳手將緊固螺栓力矩值控制在要求范圍內，現場敲擊試驗得到的固有頻率和2015年檢修前的數值基本一致。④汽輪機轉子第一臨界轉速在3 000～4 000 r/min，升速過程中振動值與轉速接近正比例增長，期間相位也未發生明顯的變化。

通過逐項篩查，只有汽輪機轉子熱彎曲原因無法排除。查看SG8000狀態監測系統Bode圖［6］，轉子轉速和一倍頻振動幅值同步增長［7］，但相位未發生變化，表明很可能是轉子因熱膨脹受阻或受熱不均勻而產生熱彎曲［8-9］。此外，壓縮機組開車失敗之后將低速暖機時間由20 min延長至40 min，再次開機汽輪機轉子聯軸器端VT24861和非聯軸器端VT24862振幅最大值均不大于10μm，振動幅值在開機過程中未出現跳變。實際開機過程驗證了汽輪機暖機升速過程中振動值持續增大的原因系轉子熱彎曲［10］，與圖譜分析的結果是一致的。

3.2 汽輪機臨界轉速變化

汽輪機和壓縮機的轉子雖然經過動平衡試驗均合格，但是仍無法實現質量中心和物理中心的完全重合［11］。安裝后轉子中心和軸承中心只是控制在可接受的范圍內，無法保證完全同心，這樣轉子旋轉時會產生一個和轉速關聯的周期性變化的離心力［12］。離心力變化頻率和轉子固有頻率或基礎頻率接近時會產生共振，并導致振動值異常增大［13］，此時對應的轉速稱為臨界轉速。機組運行時需快速通過臨界轉速，避免由于振動增大導致設備損壞［14］。

該壓縮機原設計的臨界轉速值為6 200～6 800 r/min，因此將高速暖機的轉速設定為5 181 r/min，以避開壓縮機在臨界轉速附近長時間運行。但該壓縮機2009年投用后已運行11 a，期間更換了汽輪機聯軸器、軸瓦等部件，改造了壓縮機浮環密封，2019年還更換了壓縮機陰、陽轉子，并對壓縮機支撐基礎重新進行了定力矩值緊固，這樣導致汽輪機臨界轉速與設計值偏離［15］，按照原設計升速曲線已無法實現機組順利開機。

2019-09機組檢修完畢開機時，汽輪機在高速暖機設定轉速下，振動值無法穩定，并造成壓縮機振動值跳變，壓縮機非驅動端振動峰值達到聯鎖值而停機。

狀態監測系統中汽輪機驅動端Bode圖見圖2，Nyquist圖見圖3。Nyquist圖主要反映開停機過程中轉速與振動幅值的對應關系，顯示的是實際軸心在圓周方向偏離物理中心的位置，圓的半徑為振動幅值，標注數據為轉速，橫坐標和縱坐標顯示了在該轉速下軸心的實際位置。查看圖2和圖3可知，汽輪機在轉速5 150～6 700 r/min時振動幅值跳變，同時相位變化約100°，與汽輪機原設計臨界轉速已發生明顯變化，原設計高速暖機轉速已經在臨界轉速范圍內，在此轉速下壓縮機振動明顯［16］。

圖2 汽輪機驅動端Bode圖

圖3 汽輪機驅動端Nyquist圖

4 壓縮機組故障處理

4.1 汽輪機轉子熱彎曲

汽輪機暖機時間不夠是造成汽輪機轉子臨時熱彎曲的直接原因。針對此問題，保持暖機轉速500 r/min不變，將生產廠家原設定的汽輪機冷態暖機時間由30 min延長至40 min，熱態暖機時間由10 min延長至20 min。同時，在暖機過程中將汽輪機各處排放閥門開度增大，以保證汽輪機轉子受熱均勻，汽輪機排氣溫度不低于350℃。采取以上措施后，再次開機順利完成。

4.2 臨界轉速偏移

將高速暖機轉速由原設計的5 181 r/min變更為4 450 r/min，避免汽輪機及壓縮機在臨界轉速狀態長時間運行。轉速由4 450 r/min上升至7 772 r/min時，除轉速在5 500～6 500 r/min區間內的升速曲率100 r/s保持不變外，其余階段轉速的升速曲率由10 r/s提升至25 r/s。依據臨界轉速的變化調整了汽輪機升速曲線，調整后汽輪機軸瓦振動峰值最大為26μm，遠小于聯鎖值76 μm；壓縮機軸瓦振動峰值最大為42μm，也遠小于聯鎖值125μm。

5 結語

針對獨山子石化公司乙烯裝置尾氣壓縮機組（21-K-2471）發生的開機失敗故障，采用排除法對故障原因進行排查，利用狀態監測分析軟件，通過圖譜分析找到了故障根本原因。采取針對性的處理措施后，壓縮機組順利開機，可為同類故障處理提供借鑒。