唐衛(wèi)兵 郝雄慧

(玉門煉油廠檢修作業(yè)隊 甘肅玉門)

玉門煉油廠煙氣輪機振動原因分析及處理

唐衛(wèi)兵 郝雄慧

(玉門煉油廠檢修作業(yè)隊 甘肅玉門)

通過建立煙機振動模型,以玉門煉油廠Y LⅡ13000A雙級煙氣輪機為例,對軸振動高而導致停機的原因加以分析,并采用機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)S8000所采集的實時數(shù)據(jù)進一步探討,找出問題的關(guān)鍵,提出解決的辦法。

煙氣輪機;轉(zhuǎn)子;振動;狀態(tài)檢測

0 引 言

煙氣輪機是重油催化裝置的主要能量回收設(shè)備。它主要利用再生煙氣的熱能和壓力能膨脹做功,驅(qū)動主風機運行。玉門煉油廠 Y LⅡ13000A雙級煙氣輪機[1]正常運行時,日節(jié)電可達197 500 kW/h以上,經(jīng)濟效益十分可觀。同時,由于它和主風機同軸互聯(lián),直接影響整個裝置的安全平穩(wěn)運行,因此成為重油催化裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一。

1 煙機振動特性及振動模型

在考核煙機運行狀況的指標中,煙機轉(zhuǎn)子振動是一個極為重要的指標。統(tǒng)計資料表明,絕大多數(shù)煙機不能正常運行都是因為振動而造成的。這是因為:

1)煙機轉(zhuǎn)子屬懸臂結(jié)構(gòu),而且輪盤部分較重,整個轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性差;

2)煙機的工作介質(zhì)是再生煙氣,不僅溫度高,而且還含有一定濃度的催化劑顆粒;

3)輪盤冷卻和密封用1.0 MPa蒸汽易凝結(jié)成水;

4)煙機為直動式,轉(zhuǎn)速較高。

基于上述原因,煙機轉(zhuǎn)子振動一般比壓縮機轉(zhuǎn)子振動較大且難以控制。而由于煙機結(jié)構(gòu)及密封要求,允許的振動值又比較小。通常要求振動幅值在80 μm。

根據(jù)其模型同其它旋轉(zhuǎn)機械相比,煙機轉(zhuǎn)子的振動系統(tǒng)較之有共同點也有不同點。其共同點是:

1)轉(zhuǎn)子由油膜-軸承-軸承箱-機體-基礎(chǔ)這樣的支撐鏈所支撐;2)整個系統(tǒng)可以認為是彈性阻尼振動系統(tǒng)。

其不同點是:由于輪盤較重且呈懸臂結(jié)構(gòu),重心幾乎落在前軸承上。假使在輪盤處產(chǎn)生一不平衡力 F,相應(yīng)地,在前后支撐處產(chǎn)生動反力,由此構(gòu)成二自由度強迫振動系統(tǒng),即轉(zhuǎn)子隨質(zhì)心的線位移振動和繞質(zhì)心的角位移振動如圖1所示。

圖1 煙機振動模型

顯然前軸承振動值=X,后軸承振動值=X+ L2cosθ。由此可見,煙機前后振動幅值是不同的,通常是煙機后部振動大。

煙機運行過程中出現(xiàn)較大振動時,首要任務(wù)是及時準確地找出振動的原因和部位,以便采取相應(yīng)措施,確保機組的安全運行。為此,一方面應(yīng)根據(jù)機組運行參數(shù)如瓦溫、電機電流等綜合分析,另一方面可借助于先進的診斷儀器來判斷。玉門煉化在催化裝置三機組上安裝了在線監(jiān)測系統(tǒng)S8000,通過捕捉各種狀態(tài)信號,在計算機上可以快速、準確地了解機組的運行狀況,便于對機組進行檢測并分析各項參數(shù)。對事故狀態(tài)下的軌跡、波形記錄分析,快速研究出解決問題的方案,進一步做好設(shè)備的維護工作。

2 煙機振動原因及圖譜分析

2.1 煙機振動

1)粉塵堆積結(jié)垢或顆粒沖蝕造成振動增大

煙機解體檢查后可以發(fā)現(xiàn),煙機轉(zhuǎn)子動葉片催化劑結(jié)垢及附著物情況。由于是雙級煙氣輪機,粉塵堆積結(jié)垢在轉(zhuǎn)子及兩級輪盤腔內(nèi)比較嚴重。勢必對轉(zhuǎn)子動平衡造成破壞,機組軸振動增加。

2)緊固螺栓脫落損壞動葉片產(chǎn)生振動

在2008年1月機組振動過大停機檢修過程中發(fā)現(xiàn),一級靜葉螺栓M8×16mm有部分斷裂;

過渡機殼金屬鎖緊片斷裂,有1/3部分進入進氣錐。葉片頂端背側(cè)表面噴涂的合金層部分脫落,葉根部位有月牙形沖蝕,是引起振動的主要原因。

3)煙機軸承安裝使用問題

在檢修過程中,將支撐瓦的直徑間隙控制在0.26 mm～0.30 mm之間,瓦背緊間隙≥0.08 mm,保證油楔產(chǎn)生的油膜力最小。各油楔相對于軸承中心都在較大的偏心下工作,因此穩(wěn)定較好。如果在緊靠聯(lián)軸器兩端的軸承位置有最大振動值出現(xiàn),則表明軸承中的油膜壓力受到了改變[2]。也就是說軸承有可能受到了損壞或軸瓦間隙被改變,需要進行維修。

4)機組找正存在誤差產(chǎn)生振動

如果轉(zhuǎn)子的2X倍頻譜發(fā)生較大變化,為主導振動頻率,則可以確定為對中不良產(chǎn)生的機組振動。

5)動靜碰磨產(chǎn)生振動

2008年1月,煙機前軸承振動由37μm急劇上升至60μm,同時,后軸承穩(wěn)定也產(chǎn)生破壞,振幅值接近115μm被迫停機進行檢修。機組拆卸抽出轉(zhuǎn)子后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子輪盤軸頸與氣封環(huán)產(chǎn)生嚴重的動靜碰磨,輪盤軸頸產(chǎn)生溝痕,一級、二級氣封環(huán)嚴重變形,氣封環(huán)一側(cè)梳齒密封片全部磨掉。

6)出入口管線引起機組振動

入口與過渡機殼相連接的管線變形,法蘭平面產(chǎn)生張口、扭曲和錯口現(xiàn)象,如果通過外力強行將管線與機體連接就會產(chǎn)生機殼局部翹曲變形,內(nèi)部轉(zhuǎn)子與機殼產(chǎn)生碰磨或氣流震蕩,外部貓爪螺栓受力嚴重變形。2008年1月在對煙機解體檢查發(fā)現(xiàn),煙機機殼中心向下張口位移量0.06 mm,中心向右偏0.11 mm,貓爪座圈有輕微翻邊,也是產(chǎn)生振動的主要原因。

7)運行工況不穩(wěn)定

當運行工況不穩(wěn)定的時候,隨著煙氣的流量和速度變化,導致催化劑粉塵顆粒大小速度不一致。當粉塵顆粒具有足夠大的動能時,才可能對葉片材料造成實質(zhì)性沖蝕。因此粉塵的顆粒以及速度是影響沖蝕的重要因素。所以控制煙機的運行工況,保證煙氣的平穩(wěn)流動,可以有效地防止催化劑顆粒對葉片的損壞,使轉(zhuǎn)子的動平衡不被破壞,消除煙機的振動。

2.2 煙機振動狀態(tài)圖譜

1)振動狀態(tài)軸心軌跡分析

機組開、停機及運行監(jiān)測測點:煙機4個振動,1個軸位移,1個鍵相位。軸流風機4個振動,1個軸位移,共11路信號。主要監(jiān)測振動狀況較嚴重的煙機4個 通 道 (XISA7611、XISA7612 和 XISA7613、XISA7614)。其中XISA7611、XISA7612兩點有重復不正常現(xiàn)象,軸心軌跡呈上下方向的橢圓形,軸心軌跡如圖2所示。而XISA7613、XISA7614兩點表現(xiàn)出明顯的不穩(wěn)定狀態(tài),為振動的主要根源。從圖3所示的軸心軌跡圖中可以看出,軌跡為較凌亂的不規(guī)則分布,呈現(xiàn)出香蕉形和輕微的8字形運動。

圖2 XISA7612軸心軌跡圖

圖3 XISA7614軸心軌跡圖

轉(zhuǎn)子軸心軌跡呈橢圓、香蕉形或成8字形的香蕉形,比較明顯的幾種情況通過查閱有關(guān)的資料和經(jīng)驗性分析認定,符合煙機組的動靜體碰磨和軸承瓦隙大、瓦緊力不足等的振動故障識別特征。

2)振動狀態(tài)頻譜圖分析

Y LⅡ13000A機組的頻譜圖為正弦波,頻譜的主要組成頻率為工頻。提取了煙機前、后軸振動測點的頻譜圖如圖4所示,發(fā)現(xiàn)前軸軸振測點XISA7611、XISA7612的頻譜有0.5X倍頻出現(xiàn),而后軸測點XISA7613、XISA7614在工頻后有2X頻出現(xiàn)。2X頻的出現(xiàn)加之聯(lián)軸器另一端風機的軸振動也較高,說明煙機與風機的對中需要精細調(diào)整。而0.5X倍頻出現(xiàn)可能的振動故障,通過查閱資料[3]和通過以下步驟驗證:

圖4 XISA7612、XISA7614頻譜圖

(1)由于機組轉(zhuǎn)速非可調(diào),只能通過負荷與油溫的變化來分析;

(2)調(diào)節(jié)風機負荷,振動值的大小隨轉(zhuǎn)速的變化也不明顯;

(3)機組潤滑油溫由41℃下調(diào)到38℃,軸振動值由74μm下降到70μm并趨于穩(wěn)定。振動故障識別特征見表1。

表1 振動故障識別特征

3 分析及整改措施

從數(shù)據(jù)分析情況看各通道振動成分分布狀況主要成分為工頻,并伴有0.5倍頻和2倍頻出現(xiàn)。除去催化劑粉塵導致的動不平衡之外,機組振動幅值高的直接因素:

1)初步確認為煙機的動靜碰磨,具體說是出口端軸密封體梳齒與轉(zhuǎn)子碰磨所致。由于振動故障發(fā)生的時間較長,碰磨損傷已經(jīng)形成。

2)同時,懷疑輪盤冷卻蒸汽帶水,使受熱冷卻不均,導致振動。

3)軸承徑向間隙大,必然誘發(fā)機組軸振動增加。

4)機組熱態(tài)對中需校核。

結(jié)合煙機損傷情況比較嚴重的分析,整改維修措施主要進行如下整改:

1)更換一級、二級氣封體及軸承瓦塊,同時安裝時注意各部分間隙,確保上氣封間隙略大于下氣封間隙。更換支撐瓦塊,強化檢修質(zhì)量,確保維修合格。

2)依據(jù)實測溫度修正找正曲線,得到預(yù)期的對中效果。顯然,由于保溫情況不同,各煙機的軸承箱體溫升將有很大差異。

煙機-風機熱態(tài)對中必須在煙機運行后實測煙機各部溫度,計算出煙機軸線熱位移并修正找正曲線如圖5所示。Y LⅡ13000A機組原設(shè)計給定煙機聯(lián)軸器端修正值為0.65 mm,現(xiàn)場實測煙機軸承箱體前軸承端溫度68℃,后軸承端(非驅(qū)動端)溫度43℃,不難算出理想的找正對中修正值0.26 mm。

圖5 煙機找正曲線

4 結(jié) 論

煙氣輪機由于它的懸臂結(jié)構(gòu),以及富含粉塵的煙氣介質(zhì),使得其軸振動更容易發(fā)生。通過對煙氣輪機的振動原因分析,以及振動軸心軌跡及頻譜圖的分析,找出具有針對性的維修措施。同時,在實際工作過程中,也可以利用先進的狀態(tài)檢測系統(tǒng),實現(xiàn)對轉(zhuǎn)動設(shè)備故障苗頭的早期檢測和分析,更好地應(yīng)用到預(yù)知維修體系中去。

煙機的長周期運行,是催化裝置優(yōu)質(zhì)平穩(wěn)運行的基礎(chǔ),是裝置節(jié)能降耗的關(guān)鍵點。應(yīng)該更加嚴格煙機的運行管理,精心操作,確保煙機的長周期平穩(wěn)運行,為煉化企業(yè)節(jié)能降耗貢獻力量。

[1] 蘭州煉油機械廠.Y LⅡ13000A型煙機說明書,2004(資料)

[2] 石油化工設(shè)備維護檢修規(guī)程[M].北京:中國石化出版社,1992

[3] 沈慶根.化工機器故障診斷技術(shù)[M].杭州:浙江大學出版社,1994

TE968

B

1004-9134(2010)02-0037-03

唐衛(wèi)兵,男,1979年生,工程師,2002年7月畢業(yè)于西安石油大學(原西安石油學院),現(xiàn)為玉門煉油廠工程公司檢修隊隊長。郵編: 735200

2009-12-29 編輯:梁保江)

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