合成氣汽輪機轉子振動優化研究

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

汽輪機又稱蒸汽透平，隨著技術的進步，其效率和可靠性正在不斷提高，并且已經開始轉向更加環保和可持續的方式。同時，化工行業和發電熱能行業的需求也不斷增長，驅動汽輪機不斷發展著。在蒸汽透平驅動壓縮機組中異常振動是一個常見的問題，也是一個很難處理的問題。汽輪機作為壓縮機組的重要驅動設備，其振動原因眾多，對其進行故障分析具有非常高的專業性，只有對汽輪機的異常振動振動進行有效的處理，才能保障機組的高效穩定運行[1]。

1 事件經過

某煤化工廠的汽輪機，為日本三菱重工壓縮機公司生產的抽汽凝汽式汽輪機，機組型號為5EH-6BD。其中，汽輪機汽缸由高壓側和排氣室組成，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 個傾斜瓦，可以防止由于潤滑油起泡所引發的振動；兩個止推軸承是金斯伯雷型，有用于潤滑的油噴嘴，帶有12 個止推瓦塊。汽輪機主要性能參數為：進口壓力9 MPa（A.），進口溫度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，轉速13 251 r/min。

2021 年9 月10 日，汽輪機的排汽端振動監測點VI04451A/B 出現小幅波動情況，振動值由11.5 μm/7.5 μm 上升至22 μm/16 μm。進入10 月份后，VI04451A/B 開始頻繁、大幅波動，其中汽輪機進氣端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。汽輪機的進、排汽端的振動報警/聯鎖值為35 μm/53 μm，聯鎖形式為二選二。在振值波動期間，汽輪機的瓦溫、位移及工藝參數未發生明顯變化，并且經檢查儀表確認，振值、瓦溫、位移均為真實值。

2 故障排查及原因分析

2.1 工藝參數調整

按照三菱機組操作說明書和汽輪機數據表將工況參數進行更為精細的調整。2021 年11 月，分別對進汽、抽汽、排汽的壓力和溫度和軸封蒸汽壓力調整值為設計數據（表1），調整后參數變化（表2）。通過對工藝指標的參數的進行調整，消除其與設計值的偏差，待工藝參數調整穩定后，通過一段時間的觀察，機組振動現場仍然存在，且頻率也未見變化。由此可見，引起的異常振動現象原因并非工藝參數變化所致。

表1 機組參數調整

表2 機組參數調整后變化（2021 年11 月8 日）

2.2 潤滑油及漆膜

分析汽輪機振動異常的原因可能是機組潤滑油中產生了漆膜，漆膜集中在軸瓦上導致機組軸瓦間隙減少、摩擦增加。漆膜的產生會堵塞過濾器，造成設備潤滑不良。冷卻器、軸瓦上的漆膜導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，造成設備磨粒磨損從而引起汽輪機振動異常波動現象。

對汽輪機回油管線中的油液取樣分析，油液漆膜指數及污染度各項參數見表3，元素分析正常。檢查油過濾器濾芯及濾筒，內部干凈無漆膜附著。從潤滑油分析數據以及油過濾器情況來看，潤滑油漆膜傾向指數為2.4、遠低于參考值≤15，且潤滑油污染度均在范圍內，由此可排除油液污染及產生漆膜的原因。

表3 潤滑油分析數據

2.3 油封導致的異常振動原因及分析

通過現場排查發現，汽輪機進汽側排煙管線不僅沒有油氣冒出反而有吸氣現象，這會導致汽輪機周圍溫度較高的空氣和灰塵被吸入油腔內。如果漏油進入汽封梳齒、汽封與轉子軸頸的間隙處，會與被吸入的雜質接觸形成油污，進而形成結焦類物質。當結焦物積累到足夠多時，當在梳齒、汽封與轉子軸頸的間隙處形成觸碰擠壓時就會抬擠轉子軸頸，進而出現振動值升高并產生摩擦，摩擦生成的熱量使轉子受熱彎曲變形，但這種軟接觸摩擦變形不是永久性彎曲（圖1）。如果結焦類物質被高速轉動的轉子軸頸觸碰、擠甩出油/汽間隙的縫隙，轉子就會恢復正常的振動狀態。這樣就形成了無規律、無規則的上升，造成不正常波動變化。

圖1 油封處油泥導致異常振動示意

2.4 機組在線監測系統對異常振動的分析

（1）在線監測系統顯示，振值波動的主要特性頻率為1×，同時伴隨著1×相位的同步變化，但波動恢復后相位基本可回到原數值。轉子平衡性發生變化，振動恢復后相位角恢復。

（2）時域波形圖出現明顯削波現象。

（3）軸心軌跡圖不是平滑過渡。

從在線監測系統反饋信息得知，汽輪機內部出現動靜摩擦故障[3]。這種摩擦可能是油泥的形成對轉子產生影響，并由于摩擦使轉子出現了熱彎曲效應，導致機組振動變大。在線監測分析結果，支持由于油泥而產生異常波動的結論。

3 處理措施

3.1 暫緩油泥形成

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

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

3.2 提高油封密封氣量

通過增加對高溫側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，已經有效延長了油焦泥類物質的形成和堆積結存的時間，從而使汽輪機維持了一段較長時間的“穩定”運行狀態，但并未徹底解決故障（圖2）。

圖2 吹掃裝置示意

2022 年3 月，合成氣壓縮機短時間停機，借此機會檢查軸封的隔離氮氣。發現隔離氮氣與汽輪機軸端連接處的通孔為2 mm 且有雜質堆積，導致隔離氮氣流通量較小或無流通量。因此，將其進行擴孔至6.4 mm，并在隔離氣進入高壓缸軸端前單獨設立截止閥來控制氮氣流通量（圖3）。由于氮氣流速/流量提高，徹底改變了機組油腔潤滑油的運動軌跡，開機后一直處于滿負荷狀態，到目前為止尚未出現轉子振動現象。

圖3 隔離氮氣通孔擴孔前后對比

2022 年8 月，汽輪機開缸檢修，檢查油封發現油垢淤積，測量油封間隙為0.35 mm、已超過設計值（0.15～0.25 mm）。

4 結束語

汽輪機是一種復雜的設備，能持續工作，但是經常會發生各種故障，因此必須通過多種方法對故障進行分析，并根據故障的原因、特點，選擇合適的處理方法。通常為準確找出某一個設備的振動原因，找出其振動規律，需要大量的資料分析，并進行相應的測試。本文針對某公司合成氣汽輪機存在油處封異常形成油污、油垢結焦類物質而引起的異常振動問題，分析其產生原因，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象，保障了機組的安全、穩定運行。