汽輪機軸承溫度異常升高分析及對策

魏文，劉明輝，鐘湘生

（浙江石油化工有限公司，浙江舟山 316000）

國內某煉化大型煉化一體化項目建設有3.2 Mt/a蠟油加氫處理裝置。以直餾蠟油和渣油加氫蠟油的混合油為原料，經催化加氫反應進行脫除硫、氮、金屬等雜質，降低殘碳含量，主要生產硫含量不大于0.3%（w）的加氫蠟油，為催化裂化裝置提供優質的原料，同時生產部分柴油，并副產少量石腦油、輕烴、汽提塔頂酸性氣和含硫低分氣。裝置循環氫壓縮機選用單缸多級筒型離心式，由背壓式透平驅動，不設置備機，用以實現含氫氣體的循環。循環氫壓縮機組作為該裝置的核心設備，其運行平穩與否直接關系到整個裝置的正常運行[1]。而汽輪機作為循環氫壓縮機驅動機更是機組運行正常與否的關鍵。

1 裝置簡介

1.1 工藝流程

裝置原料油由反沖洗過濾器除去原料中大于25微米的顆粒，換熱升溫后進入原料油緩沖罐。原料油經加氫進料泵升壓后與混合氫混合，依次經換熱器升溫、反應進料加熱爐加熱至反應所需溫度后進入加氫反應器進行加氫反應，將原料中的硫、氮、氧等化合物轉化為硫化氫、氨、水，原料中的烯烴、芳烴進行加氫飽和，并脫除原料中的金屬等雜質[2]。反應器設三個催化劑床層，床層間設急冷氫注入設施。反應器出來的反應流出物依次經換熱后進入熱高壓分離器（簡稱熱高壓分，下同）。熱高分氣體經換熱后，再經熱高分氣體空冷器冷至50 ℃進入冷高壓分離器（簡稱冷高分，下同）。冷卻后的熱高分氣在冷高分中進行油、氣、水三相分離。自冷高分頂部出來的循環氫進入脫硫塔脫硫，脫硫后的循環氫自塔頂出來，經循環氫壓縮機入口分液罐分液后進入循環氫壓縮機升壓后分成兩路，一路作為急冷氫去加氫反應器控制床層溫升，另一路與來自新氫壓縮機的新氫混合成為混合氫。冷高分底部出來的油相在液位控制下進入冷低分。熱低分氣經冷卻后與冷高分油混合進入冷低分。自熱低分底部出來的熱低分油與冷低分底部出來的冷低分油混合后進入裝置的分餾部分，先經脫硫化氫汽提塔脫除硫化氫，再進入分餾塔進行組分分離，依次分離出石腦油、柴油和加氫蠟油，如圖1所示。

圖1 裝置工藝流程

1.2 機組流程

機組流程如圖2所示。生產過程中循環氫壓縮機作為加氫裝置的核心機組主要發揮以下幾點作用：1）維持反應器中較高的氫分壓。如果循環氣中沒有大量的氫氣，反應系統中的氫氣分壓就會降低，補充氫氣由于化學反應的消耗引起氫分壓的進一步降低，造成催化劑結焦[3]。2）循環氫作為熱傳遞載體可控制反應溫度和床層溫升。加氫反應為強放熱反應，而溫度越高反應越快，反應產生的熱量如果不及時帶出會加劇反應，最終造成溫度失控即“飛溫”，嚴重威脅設備安全[4]。這是不斷流動的循環氣帶走了反應產生的熱量，才維持了反應的平穩進行；加氫反應釋放出大量的熱，必須在催化劑床層之間加入足夠的急冷氫，把熱量及時帶走，以控制催化劑床層的溫升。3）改善催化劑床層反應物的分布狀況，促使液體進料均勻分布在整個催化劑床層以抑制熱點形成，從而提高反應性能。4）防止過度裂解。在反應物未再次裂解之前將產品汽化帶走，以盡可能減少產品裂解變為低值產品[5]。

圖2 機組流程

1.3 機組情況

壓縮機擬采用單缸多級筒型離心式壓縮機，一段壓縮，軸功率4 458 kW，由低壓背壓式蒸汽輪機驅動，設計技術參數見表1，額定功率4 904 kW，壓縮機與汽輪機之間采用膜片式聯軸器。壓縮機軸封采用帶有中間迷宮密封的串聯式干氣密封。壓縮機和汽輪機采用聯合公用底座。潤滑系統采用壓力潤滑，壓縮機組設有液壓沖擊式盤車機構。

表1 汽輪機技術參數

2 運行分析

2.1 運行狀況

該裝置自2021年7月投產以來，負荷平均保持在85%，循環氫壓縮機負荷穩定、運行平穩。該壓縮機的汽輪機驅動端軸瓦溫度TI73033自12月20日起有上升趨勢，12月31日達100 ℃，如圖3所示。

圖3 溫度TI73033波動趨勢

針對該現象，調整了進軸瓦油壓和油溫，并置換了潤滑油，但汽輪機驅動端軸瓦溫度仍然有多次波動，TI73033最高達106 ℃，如圖4所示。

圖4 軸系操作畫面

2.2 問題分析

汽輪機組故障中軸承溫度升高較為常見而引發因素眾多，只要與汽輪機相關的零件故障均可能會導致其出現異常溫度、振動升高[6]。如負荷變化、油溫、油質、轉子以及進汽參數波動等。因此在汽輪機軸承溫度波動期間，先后檢查了驅動蒸汽及背壓蒸汽系統，壓力和溫度均無波動；檢查了軸系的溫度及振動儀表，全部顯示正確；檢查了潤滑油品質，機雜、含水和粘度分析合格；由于轉子質量不平衡而引發振動導致軸承溫度升高時軸向振動值會有大幅升高，該本機雖有升高但幅度并不大。諸多影響因素排查結果表明，與該壓縮機汽輪機相關的運行條件均保持穩定。

排除以上諸多影響因素，汽輪機軸承溫度升高原因只能從自身結構展開分析。該汽輪機徑向軸承使用阻尼軸承，這種軸承安裝在前、后軸承座中，作用是承受轉子的靜、動載荷，保持轉子轉動中心與汽缸中心之間正確的位置關系，使轉子與汽缸導葉持環、氣封等靜體的徑向間隙在規定范圍之內[7]。同時在運行工況范圍（轉速、負荷）內的軸承油膜剛度、阻尼系數等特性可以確保轉子-軸承系統功能穩定、安全長期運行。但與目前流行的可傾瓦軸承相比各方面性能稍遜，對比如表2所示。

表2 阻尼軸承與可傾瓦軸承對比

在軸承溫度從正常運行時的85 ℃上升到106 ℃的過程中，軸系振動值由正常運行時的22～25 μm上升到35～38 μm，與正常機組的運行軸振動相比偏高，阻尼軸承的實際效果沒有達到預期。從以上對比結果判斷，該汽輪機軸承溫度上升與自身結構關系密切，從瓦背面到瓦表面的供油形式回油量較小，容易引起油膜形成不好[8]，較長弧長的瓦塊不利于熱量帶走，這時軸承溫度就會大幅上升。

結合該項目的另一臺壓縮機主推力瓦此前溫度偏高且頻繁波動和驅動端支撐瓦溫度一直偏高，該機組拆檢后發現驅動端支撐瓦有明顯的結焦積碳情況，且瓦溫高的瓦塊巴氏合金出現明顯開裂，瓦面有一定程度磨損，如圖5所示。原因是該軸瓦瓦塊布置采用中心支撐形式，損壞的瓦塊正好處于正下方，轉子靜止或低速轉動時，承載最大[9]。瓦塊的微小缺陷容易擴大，導致開裂，進而影響油膜剛度，造成瓦溫偏高且不穩定。潤滑油漆膜造成瓦塊表面明顯結焦，加之瓦溫偏高，進一步加劇了潤滑油的氧化和漆膜形成，造成惡性循環。

圖5 軸瓦磨損情況

根據以上分析可以確定，蠟油加氫處理裝置循環氫壓縮機汽輪機軸承溫度升高的主要原因為軸瓦的結焦積碳，結焦積碳物質是潤滑油產生的漆膜。該汽輪機使用的阻尼軸承結構，從瓦背面到瓦表面的供油形式回油量較小，引起油膜形成不好，同時瓦塊可能存在微小缺陷，影響油膜剛度，造成瓦溫偏高。而潤滑油漆膜造成瓦塊表面結焦，又導致潤滑油的氧化和漆膜形成導致軸承溫度升高，形成了惡性循環。

3 解決方案

（1）操作上通過穩定裝置負荷進而穩定壓縮機組負荷，減少轉速、防喘等相關參數調整頻次，穩定汽輪機的運行工況。

（2）提高潤滑油供油壓力0.02～0.05 MPa，降低潤滑油溫度2～3 ℃，同時開啟油站外部濾油機24小時不間斷運行，對現油站在用潤滑油循環多次過濾，最大限度減少潤滑油所攜帶機雜等的影響。同時采購有除漆膜功能的濾油機，對潤滑油進行外循環過濾，減少潤滑油中軟性沉積物（漆膜前身），降低潤滑油漆膜傾向指數[10]，改善軸瓦的潤滑情況，保證機組長周期穩定運行。

（3）目前在用的殼牌Turbo 46渦輪機油是殼牌最基礎的一款潤滑油品，抗氧化性能等相對較差。應對機組潤滑油進行升級，更換為抗氧化性、抗漆膜效果更好的Turbo S4GX 46渦輪機油。

（4）待該機組停機檢修時，要對有缺陷的瓦塊進行更換，保證瓦塊厚度一致，接觸良好，PT檢測合格。對軸瓦進油口修刮油楔，軸承控油環出油孔進行擴孔0.1～0.2 mm，保證熱油的回油，緩解積碳問題。

前三條措施實施后，該壓縮機機的汽輪機驅動端軸瓦溫度TI73033自2022年1月25日下降至85 ℃，如圖6所示，運行基本平穩。

圖6 溫度TI73033穩定趨勢

4 結語

針對該汽輪機軸承溫度升高的情況，通過對軸系儀表、壓縮機負荷、潤滑油、轉子以及汽輪機進汽參數等的排查，對照同項目渣油加氫裝置壓縮機拆檢情況，判斷出主要原因是該汽輪機采用的阻尼軸承結構缺陷，造成潤滑油產生的漆膜在軸瓦上結焦積碳。因此采取調整潤滑油油壓、油溫，外部濾油機24小時運行，更換抗氧化性、抗漆膜效果更好的渦輪機油等措施后，汽輪機驅動端軸承溫度趨于平穩。但這些調整不能徹底改善軸瓦溫度異常的情況，根治措施還是要停機檢修更換瓦塊，對軸瓦進油口修刮油楔，軸承控油環出油孔擴孔，緩解積碳問題。在停機前若軸承溫度上升，還可通過降低機組負荷，使軸瓦溫度有一定改善。