林萬洲，劉海泉，黃斌，侯開紅

(中國(guó)石油西南油氣田分公司，四川 成都 610000)

某公司天然氣凈化廠尾氣處理單元半貧砜胺液泵(以下簡(jiǎn)稱半貧泵)將來自SCOT吸收塔的半貧砜胺液輸送返回脫硫單元吸收塔。每列裝置尾氣單元設(shè)置2臺(tái)半貧泵，“1開1備”，其中A泵采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，B泵采用蒸汽透平驅(qū)動(dòng)。該機(jī)泵體積流量為212 m3/h，揚(yáng)程為800 m，電機(jī)額定功率為724 kW，蒸汽輪機(jī)額定功率為796 kW，轉(zhuǎn)速為2 980 r/min。設(shè)計(jì)初衷為日常裝置運(yùn)行利用余熱鍋爐產(chǎn)生的4.0 MPa，360 ℃中壓過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽透平帶動(dòng)B泵運(yùn)行，A泵處于備用狀態(tài)，對(duì)裝置產(chǎn)生的廢熱充分利用，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。當(dāng)B泵異常停車時(shí)，泵出口半貧液總管上流量計(jì)監(jiān)測(cè)到低流量，控制系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)A泵，減小給裝置生產(chǎn)帶來的波動(dòng)影響。

1 蒸汽透平結(jié)構(gòu)及故障現(xiàn)象

1.1 蒸汽透平結(jié)構(gòu)

該公司尾氣處理單元采用CYR型單級(jí)蒸汽透平，結(jié)構(gòu)如圖1所示。中壓過熱蒸汽經(jīng)過透平的脫扣閥，調(diào)速器閥后，進(jìn)入進(jìn)汽側(cè)腔室；依次高速流過一系列環(huán)形配置的噴嘴和動(dòng)葉柵而膨脹作功，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿?dòng)透平轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械功[1]；最后，蒸汽進(jìn)入透平排汽側(cè)腔室，經(jīng)出口匯入低壓蒸汽管線。該透平兩端各設(shè)置1套對(duì)開式徑向滑動(dòng)軸承(以下簡(jiǎn)稱軸瓦)，潤(rùn)滑方式為雙油環(huán)潤(rùn)滑。其中進(jìn)汽側(cè)還設(shè)置1套定位軸承(又稱深溝球軸承)，對(duì)轉(zhuǎn)子起軸向定位作用。兩端還設(shè)置了4套碳環(huán)密封，防止蒸汽泄漏。另外，該透平還設(shè)有超速跳車系統(tǒng)、調(diào)速器系統(tǒng)、報(bào)警閥和附屬監(jiān)測(cè)儀表設(shè)施等。

1.2 故障描述

該單元在運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)該透平出現(xiàn)以下故障現(xiàn)象：

1)無論是停運(yùn)還是運(yùn)行過程中，該透平兩端汽封均存在嚴(yán)重泄漏，即便是在多次更換新碳環(huán)密封后，泄漏仍存在。

2)該透平啟機(jī)過程中，常出現(xiàn)失速聯(lián)鎖停車，控制盤上2個(gè)速度傳感器指示燈同時(shí)熄滅，檢查入口中壓過熱蒸汽各參數(shù)均滿足要求，且管道過濾器和蒸汽透平入口過濾網(wǎng)無堵塞，泵盤車靈活、無卡塞。

3)在該透平啟動(dòng)逐漸升速的過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至1 500～2 000 r/min時(shí)，常出現(xiàn)透平驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)聯(lián)鎖，而此時(shí)透平非驅(qū)動(dòng)端和泵的兩端軸承振動(dòng)值均正常。

2 故障分析和處理

由于以上原因，導(dǎo)致該蒸汽透平無法正常投用，裝置余熱鍋爐產(chǎn)生的中壓蒸汽大量放空，造成資源浪費(fèi)；半貧泵僅能運(yùn)行A泵，增加了電耗和企業(yè)運(yùn)行成本。針對(duì)上述故障現(xiàn)象，分析故障原因并采取了處理措施。

2.1 汽封泄漏原因分析及處理

碳環(huán)密封是依靠阻塞和節(jié)流作用進(jìn)行工作的自緊式接觸型密封，為解決磨損后的補(bǔ)償問題，碳環(huán)密封采用分瓣式結(jié)構(gòu)，在碳環(huán)外圓周上，用彈簧箍緊，對(duì)軸頸表面進(jìn)一步壓緊貼合，建立密封狀態(tài)[2]。

一般情況下，蒸汽透平汽封泄漏都?xì)w因于碳環(huán)密封的磨損、缺陷，或是主軸磨損導(dǎo)致的配合間隙增大。但通過檢查，碳環(huán)密封、主軸配合面外觀正常，并測(cè)定每組碳環(huán)密封于主軸的冷態(tài)徑向間隙，間隙值為0.43～0.45 mm，滿足標(biāo)準(zhǔn)值0.39～0.46 mm。即使更換碳環(huán)密封且間隙符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，泄漏仍存在。

圖1 CYR型蒸汽透平結(jié)構(gòu)示意

通過與其他國(guó)產(chǎn)品牌蒸汽透平對(duì)比發(fā)現(xiàn)，其中埃利奧特蒸汽透平在后期使用維護(hù)中要求，蒸汽透平首次投用或是每次更換完碳環(huán)密封后，須進(jìn)行2～3次的碳環(huán)磨合，否則將造成碳環(huán)磨合不當(dāng)，導(dǎo)致蒸汽泄漏。經(jīng)調(diào)取歷史運(yùn)轉(zhuǎn)記錄，該透平在檢修后，未按要求磨合，因此出現(xiàn)泄漏。

經(jīng)過2次碳環(huán)磨合處理措施后，第1，2兩列半貧泵透平，汽封不再泄漏，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)。通過幾次的碳環(huán)磨合，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下： 碳環(huán)磨合僅需在DN20蒸汽旁通閥開度控制在50%時(shí)完成；透平在碳環(huán)磨合進(jìn)行升降轉(zhuǎn)速操作時(shí)，盡量只通過操作面板控制，不通過開關(guān)蒸汽旁通閥控制，否則易引起透平失速聯(lián)鎖；磨合前，需對(duì)透平充分暖機(jī)[3]，確保脫扣閥處溫度達(dá)250 ℃，方能進(jìn)行啟機(jī)操作；磨合初期，會(huì)有少量凝結(jié)水從汽封處隨主軸甩出，可通過微開3組排凝閥排出，一般轉(zhuǎn)速升至2 000 r/min時(shí)，不再有凝結(jié)水甩出；磨合前，汽封處可能會(huì)有蒸汽泄漏，一般經(jīng)過2次磨合后，泄漏將消失。

2.2 失速聯(lián)鎖原因分析及處理

該蒸汽透平配備的現(xiàn)場(chǎng)就地控制盤，可實(shí)現(xiàn)邏輯控制和回路控制兩種控制功能[4]，顯示屏能顯示透平實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，在透平聯(lián)鎖后，轉(zhuǎn)速和聯(lián)鎖代碼將交替顯示，便于用戶及時(shí)了解聯(lián)鎖原因。聯(lián)鎖代碼有以下幾個(gè)：

1)外部停機(jī)(EXTERNAL)。包括： 透平振動(dòng)、溫度聯(lián)鎖，泵振動(dòng)、出口流量和壓力等聯(lián)鎖。

2)2個(gè)MPU信號(hào)喪失(NO SPEED)。位于透平非驅(qū)動(dòng)端的2個(gè)轉(zhuǎn)速探頭信號(hào)喪失，以下簡(jiǎn)稱失速聯(lián)鎖。

3)超速跳閘(OVERSPEED)。透平轉(zhuǎn)速達(dá)到電子超速和機(jī)械超速而跳閘[5]。

4)面板上操作停機(jī)(FRONT PANEL)。按動(dòng)面板上緊急停車按鈕，關(guān)停透平。

5)通信停機(jī)(MODBUS)。通信故障。

失速聯(lián)鎖常發(fā)生在透平啟機(jī)過程中，也有發(fā)生在正常運(yùn)行時(shí)。通過對(duì)失速現(xiàn)象的判斷，失速有真失速和假失速兩種。真失速包括： 泵或透平卡塞、抱死，運(yùn)行負(fù)載大；或是作為透平動(dòng)力源的中壓過熱蒸汽參數(shù)不合格，供給存在問題等。假失速指透平實(shí)際轉(zhuǎn)速正常，而因速度傳感器探頭或齒輪故障等問題導(dǎo)致控制盤認(rèn)為透平掉速，觸發(fā)聯(lián)鎖。

2.2.1 真失速

以3列透平為例，在2019年12月就曾出現(xiàn)失速聯(lián)鎖。經(jīng)盤車檢查，發(fā)現(xiàn)盤車不動(dòng)，脫開聯(lián)軸器，單獨(dú)對(duì)泵、透平盤車檢查，發(fā)現(xiàn)透平端能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，而泵端已抱死。通過對(duì)該泵拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)泵中間節(jié)流襯套與主軸摩擦抱死，經(jīng)維修復(fù)位后恢復(fù)正常。

導(dǎo)致透平出現(xiàn)真失速聯(lián)鎖的另一原因是蒸汽供應(yīng)存在問題。該單元1列蒸汽透平在正常停機(jī)例行維護(hù)保養(yǎng)后，重新啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到該透平臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，多次出現(xiàn)失速聯(lián)鎖。檢查入口蒸汽管道上Y型過濾器和該透平入口濾網(wǎng)，均未發(fā)現(xiàn)堵塞，且蒸汽參數(shù)滿足要求。通過對(duì)多次的失速聯(lián)鎖分析可知，每次聯(lián)鎖時(shí)，在釋放桿電磁閥未動(dòng)作的情況下，脫扣閥先動(dòng)作關(guān)閉，蒸汽切斷，之后控制盤顯示失速聯(lián)鎖代碼，該透平失速停機(jī)。而正常的聯(lián)鎖順序應(yīng)為聯(lián)鎖觸發(fā)釋放桿電磁閥動(dòng)作敲擊脫扣閥的手動(dòng)跳閘桿，脫扣閥關(guān)閉，蒸汽切斷，同時(shí)控制盤顯示聯(lián)鎖代碼，透平失速停機(jī)。原因?yàn)槊摽坶y是在未接收到聯(lián)鎖信號(hào)的情況下脫落關(guān)閉，造成蒸汽被切斷。脫扣閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，觀察脫扣閥上復(fù)位桿端部刀邊，以及手動(dòng)跳閘桿鎖扣刀邊，發(fā)現(xiàn)復(fù)位桿刀邊已磨損呈圓弧型，鎖扣刀邊無磨損，兩者正常應(yīng)為90° 角，使得復(fù)位桿刀邊與鎖扣刀邊的重疊寬度無法達(dá)到要求的3 mm，在閉合彈簧拉力的作用下，復(fù)位桿易從手動(dòng)跳閘桿上滑落。加之當(dāng)該透平轉(zhuǎn)速升至臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的共振使得復(fù)位桿更易滑落。通過旋轉(zhuǎn)刀邊180°，更換新配合面，使得兩者重疊寬度要求值恢復(fù)到3 mm。重新啟動(dòng)透平，失速聯(lián)鎖消失恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖2 脫扣閥結(jié)構(gòu)示意

2.2.2 假失速

該透平速度傳感器為磁電式位于非驅(qū)動(dòng)端，共4個(gè)，用于監(jiān)測(cè)主軸轉(zhuǎn)速，速度傳感器安裝位置如圖3所示。其中傳感器C2-1位于正上方，信號(hào)接入就地轉(zhuǎn)速顯示器，不參與控制。傳感器C2-2，C2-3，C22，其中的2個(gè)傳感器探頭信號(hào)接入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)速控制器和中心控制室，“2oo2”聯(lián)鎖，另1個(gè)傳感器備用。

圖3 速度傳感器安裝位置示意

當(dāng)該透平啟動(dòng)時(shí)，調(diào)速器面板上沒有速度顯示，但實(shí)際在運(yùn)轉(zhuǎn)，造成假失速，調(diào)速器在有限時(shí)間內(nèi)無法獲得傳感器的速度值，觸發(fā)聯(lián)鎖停車。此時(shí)，應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行檢查：

1)檢查速度傳感器的連接線是否牢固可靠，確保信號(hào)通道良好。

2)拆檢速度傳感器安裝是否到位。該透平使用的磁電式速度傳感器探頭與被測(cè)齒輪齒間隙要求為1 mm，其輸出電壓會(huì)受以下因素影響： 電壓隨著被測(cè)磁性材料表面速度的增加而增加；當(dāng)傳感器與齒輪齒面之間的氣隙增大時(shí)，電壓減??；電壓波形是由齒輪齒的尺寸、形狀，傳感器探頭桿件的尺寸、形狀所決定的。

3)清潔磁電式速度傳感器探頭、被測(cè)齒輪上的污垢，確保檢測(cè)面的清潔。

4)當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)磁電式速度傳感器探頭的磁性較弱時(shí)，則需更換新的探頭。

5)測(cè)量速度傳感器是否有交流電壓值輸出，有輸出說明傳感器工作正常。

2.3 振動(dòng)聯(lián)鎖

透平振動(dòng)聯(lián)鎖發(fā)生在啟動(dòng)過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，該透平驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值超標(biāo)，觸發(fā)聯(lián)鎖。該透平使用電渦流振動(dòng)探頭，電渦流傳感器測(cè)量被測(cè)物體(須為金屬導(dǎo)體)與探頭端面的相對(duì)位置[7]，即軸位移量。振動(dòng)探頭共4個(gè)，驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)各2個(gè)，互成90°安裝，用于測(cè)定軸位移量，報(bào)警值為64 μm，聯(lián)鎖值為100 μm，“2oo2”聯(lián)鎖，即某一端2個(gè)振動(dòng)探頭同時(shí)測(cè)得振動(dòng)值超出100 μm時(shí)聯(lián)鎖。

2.3.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由探頭、前置器、延伸電纜、變送器組成，為排除振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤報(bào)引起聯(lián)鎖的可能，需對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)做以下檢查和調(diào)整：

1)調(diào)整振動(dòng)探頭與軸表面的間距。電渦流振動(dòng)探頭與被測(cè)金屬導(dǎo)體的間距線性范圍為0.25～1.75 mm，對(duì)應(yīng)直流電壓約為-13～-1 V，實(shí)際應(yīng)用中間距一般控制為1 mm,通過微調(diào)傳感器使直流電壓為-10～-9.5 V。

2)檢測(cè)傳感器的直流阻抗值?？梢酝ㄟ^查詢供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)參數(shù)表來判斷不同長(zhǎng)度傳感器的好壞。

2.3.2 機(jī)械檢查

由于振動(dòng)值偏高發(fā)生在透平驅(qū)動(dòng)端，需首先檢查泵和透平的對(duì)中情況。經(jīng)測(cè)量，冷態(tài)下透平端聯(lián)軸器低0.10 mm，暖機(jī)后熱態(tài)下透平端熱膨脹，復(fù)測(cè)對(duì)中數(shù)據(jù)，偏差在0.07 mm以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)。若對(duì)中不佳，泵驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值將偏高，而實(shí)際振動(dòng)值小于2.0 mm/s，這進(jìn)一步說明透平驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)高并非對(duì)中引起；排查透平轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測(cè)試記錄，測(cè)試結(jié)果合格，所以由轉(zhuǎn)子不平衡引起振動(dòng)值偏高的可能性較小。

根據(jù)分析以上現(xiàn)象，認(rèn)為驅(qū)動(dòng)端軸瓦故障的可能性較大。經(jīng)拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)上軸瓦、下軸瓦瓦面磨損均勻，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷或燒瓦的痕跡。測(cè)定軸頸直徑74.46 mm，略小于標(biāo)準(zhǔn)值74.47～74.48 mm，即軸頸有0.01 mm的磨損，因此軸瓦間隙的偏大非軸頸磨損引起。

按照該透平供應(yīng)商的要求，透平上軸瓦壓蓋對(duì)軸瓦擠壓量標(biāo)準(zhǔn)值為0.040～0.066 mm。通過以下方法測(cè)定軸瓦擠壓量[8]： 在上軸瓦背面放置鉛絲，軸承座與軸瓦壓蓋間放置0.40 mm的剛性墊片，回裝軸瓦壓蓋并擰緊螺栓。拆除軸瓦壓蓋，取下鉛絲測(cè)量厚度為0.35 mm，可得軸瓦擠壓量0.05 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)。

排除軸頸磨損和軸瓦擠壓量?jī)蓚€(gè)可能導(dǎo)致軸瓦間隙偏大的因素后，基本斷定是由軸瓦磨損造成間隙超標(biāo)，因此需更換新軸瓦。正常啟動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)值最高為50 μm，未達(dá)到聯(lián)鎖值100 μm，透平成功啟動(dòng)。

2.3.3 振動(dòng)分析

轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子各段的質(zhì)心不可能嚴(yán)格處于回轉(zhuǎn)軸上。因此，所有的軸或轉(zhuǎn)子即使在無載荷作用的情況下，旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)橫向干擾，產(chǎn)生彎曲變形。

按供應(yīng)商關(guān)于CYR型蒸汽透平說明，設(shè)備出廠時(shí)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間為1 500～1 800 r/min，而通過實(shí)測(cè)透平的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間為1 500～2 000 r/min， 轉(zhuǎn)速為1 800～1 900 r/min 時(shí)，振動(dòng)達(dá)到最高，超過100 μm。實(shí)際調(diào)試中，在使用間隙超標(biāo)的軸瓦時(shí)，為觀察透平啟動(dòng)過程中的振動(dòng)變化趨勢(shì)，防止因振動(dòng)聯(lián)鎖，將驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)探頭C和D聯(lián)鎖功能暫時(shí)屏蔽，但仍能觀察和記錄到實(shí)時(shí)振動(dòng)值。如圖4所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間后，超過2 000 r/min時(shí)，振動(dòng)值出現(xiàn)陡降，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，振動(dòng)值繼續(xù)下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)額定轉(zhuǎn)速2 980 r/min時(shí)，振動(dòng)值降至20～23 μm，符合過臨界轉(zhuǎn)速的振動(dòng)特征。這說明該型號(hào)蒸汽透平出廠時(shí)所給的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間在長(zhǎng)期運(yùn)行后存在一定偏離，當(dāng)裝配間隙超標(biāo)的軸瓦啟運(yùn)，通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，共振效應(yīng)會(huì)被顯著放大，所以當(dāng)一端的2個(gè)振動(dòng)探頭測(cè)得振動(dòng)值均超過100 μm時(shí)，將觸發(fā)振動(dòng)聯(lián)鎖。

圖4 透平啟運(yùn)時(shí)驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)趨勢(shì)示意

3 結(jié)束語

從現(xiàn)場(chǎng)對(duì)CYR型蒸汽透平的調(diào)試和檢修來看，良好的碳環(huán)磨合對(duì)汽封的正常使用至關(guān)重要；失速聯(lián)鎖需重點(diǎn)檢查泵和透平的盤車情況，速關(guān)閥復(fù)位桿和手動(dòng)跳閘桿刀邊有無磨損，速度傳感器是否正常；振動(dòng)聯(lián)鎖需檢測(cè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否正常，核實(shí)聯(lián)軸器對(duì)中和軸瓦安裝數(shù)據(jù)，測(cè)量軸瓦和軸的磨損。采取以上措施后，蒸汽透平未再發(fā)生同類型故障，保障了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。單臺(tái)蒸汽透平的投用，每年可節(jié)約電耗5.21×106(kW·h)，節(jié)約電費(fèi)約人民幣323萬余元，節(jié)能降耗的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。