文/丁一剛

對(duì)催化煙汽輪機(jī)進(jìn)行預(yù)防性檢修，防止催化劑沉積結(jié)垢造成停機(jī)——催化煙汽輪機(jī)運(yùn)行工況惡劣，影響其長(zhǎng)周期運(yùn)行的最常見(jiàn)問(wèn)題是催化劑沉積結(jié)垢造成軸系振動(dòng)上升機(jī)殼烈度增大，嚴(yán)重的會(huì)造成動(dòng)葉片疲勞斷裂引發(fā)惡性事故。文章以兩臺(tái)煙機(jī)的運(yùn)行為分析樣本，分析基于穩(wěn)定工藝環(huán)境下以平均故障間隔時(shí)間為基本運(yùn)行周期，結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行預(yù)防性檢修，達(dá)到機(jī)組運(yùn)行安全兼顧節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益的目的。

煙氣輪機(jī)（下文簡(jiǎn)稱煙機(jī)）是催化裝置最主要的能量回收設(shè)備，其運(yùn)行工況的好壞和運(yùn)行周期的長(zhǎng)短，對(duì)催化裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行、降低裝置能耗有重要影響。它屬于關(guān)鍵大機(jī)組，又明顯區(qū)別于常規(guī)的離心機(jī)組，其介質(zhì)為600℃以上的高溫?zé)煔?，含有催化劑粉塵，容易沉積結(jié)垢，還具有一定沖蝕性和腐蝕性。

歸納煙機(jī)因結(jié)垢停機(jī)的主要表現(xiàn)為：動(dòng)葉片結(jié)垢后在運(yùn)行中脫落，造成動(dòng)平衡破壞，振動(dòng)陡增。圍帶結(jié)垢摩擦動(dòng)葉片，造成動(dòng)葉片疲勞斷裂。在靜葉部位結(jié)垢會(huì)影響煙氣流場(chǎng)，造成煙機(jī)效率下降，降低能量回收率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成碰磨，垢脫落擊打動(dòng)葉片。在實(shí)踐中探索出“平均無(wú)故障周期+特征頻譜”的方式，確定預(yù)防性檢修周期，開(kāi)展預(yù)防性工作。

煙機(jī)結(jié)垢機(jī)理

當(dāng)前對(duì)煙機(jī)結(jié)垢的研究有很多，相關(guān)文獻(xiàn)也很多，結(jié)垢機(jī)理明確：主要原因在于三旋出口煙氣中含有較高濃度粒徑＜2μm的超細(xì)粉催化劑顆粒，大量催化劑細(xì)粉特別是其中的Ca、Fe、Na 和Ni 等金屬在600℃左右的高溫環(huán)境中易形成低熔物，在煙機(jī)低速區(qū)沉積、粘結(jié)，形成垢，再通過(guò)燒焙作用逐漸增厚。兩組煙機(jī)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，容易結(jié)垢的部位為動(dòng)靜葉片葉身和圍帶，圖1 中所示的煙機(jī)轉(zhuǎn)子及靜葉組件部位是常見(jiàn)結(jié)垢的部位。

圖1 YL 型煙機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 兩臺(tái)煙機(jī)組相關(guān)參數(shù)

煙機(jī)平均結(jié)垢間隔時(shí)間

評(píng)價(jià)煙機(jī)運(yùn)行優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)煙機(jī)運(yùn)行優(yōu)良的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從安全和經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)方面考量。在運(yùn)行方面，不超設(shè)計(jì)值，不發(fā)生軸系大幅度波動(dòng)，處于優(yōu)良運(yùn)行指標(biāo)范圍內(nèi)。在能量回收方面，保持雙動(dòng)滑閥開(kāi)度 1%，確保煙機(jī)負(fù)荷率和能量回收率都保持較高水平。如果因?yàn)檎駝?dòng)高等問(wèn)題長(zhǎng)期處于低負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，對(duì)能量回收效益影響大，也增加了安全風(fēng)險(xiǎn)。

從檢修時(shí)機(jī)、角度看，要確保煙機(jī)部件不發(fā)生損傷。常見(jiàn)的損傷有因動(dòng)葉片“削頂”判廢，增加了維修費(fèi)用，即使經(jīng)過(guò)檢測(cè)可以使用，也會(huì)造成葉頂?shù)絿鷰У拈g隙過(guò)大，降低煙機(jī)能量回收能力，這種動(dòng)靜碰磨會(huì)引發(fā)葉片斷裂事故，屬嚴(yán)禁運(yùn)行工況。

校正運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)

圖2、圖3 為兩臺(tái)煙機(jī)從2012 年以來(lái)的運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)，除了2016 年因大檢修停機(jī)以外，停機(jī)原因都是結(jié)垢導(dǎo)致振動(dòng)上升。每次檢修未必都是最好的時(shí)機(jī)，以1#催化煙機(jī)2017 年和2021 年的兩次檢修情況為例，圖4、圖5 為運(yùn)行366 天動(dòng)葉片削頂形貌（溝槽深3～5mm），葉片報(bào)廢。圖6、圖7 為運(yùn)行313 天動(dòng)葉片情況，頂部有輕微劃痕，可認(rèn)為這次的停機(jī)時(shí)機(jī)更加合適。通過(guò)這樣的判斷，統(tǒng)計(jì)出1#催化煙機(jī)2012～2016 年生產(chǎn)周期的歷史平均故障間隔時(shí)間為235～255 天。對(duì)運(yùn)行505 天的煙機(jī)動(dòng)葉片出現(xiàn)了明顯的“削頂”進(jìn)行校正，參照2021 年的檢修情況保守核減為310 天，重新核算該生產(chǎn)周期歷史平均故障間隔時(shí)間為255～275 天。

圖2 1#催化煙機(jī)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖3 2#催化煙機(jī)運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)

圖4 1#催化煙機(jī)運(yùn)行366 天（2017年6 月檢修）

圖5 1#催化煙運(yùn)行366 天（2021年6 月檢修）

圖6 1#催化煙機(jī)運(yùn)行313 天情況1（2021 年11 月檢修）

圖7 1#催化煙機(jī)運(yùn)行313 天情況2（2021 年11 月檢修）

2#催化煙機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)變化最為顯著，從第一個(gè)生產(chǎn)周期的96 天增加到第二個(gè)生產(chǎn)周期的305天。分析歷史運(yùn)行情況，從2010 年大檢修后便出現(xiàn)因結(jié)垢導(dǎo)致頻繁的問(wèn)題，2010 年9 月12 日動(dòng)葉片與圍帶結(jié)垢發(fā)生碰磨，造成疲勞斷裂，打壞其他葉片。在2016 年大檢修后連續(xù)進(jìn)行了3 次開(kāi)蓋檢查，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)都較短，均未出現(xiàn)結(jié)硬垢的情況，只在動(dòng)葉片葉身有較薄一層軟垢。分析認(rèn)為主要受到上一運(yùn)行周期慣性影響，當(dāng)煙機(jī)發(fā)生振動(dòng)波動(dòng)以后，及時(shí)進(jìn)行停機(jī)檢查，可以判斷的是2#催化煙機(jī)已經(jīng)不結(jié)硬垢。在運(yùn)行874天和199 天（到199 天時(shí)進(jìn)入裝置停工檢修）時(shí)進(jìn)行的開(kāi)蓋檢修同樣沒(méi)有發(fā)生結(jié)硬垢現(xiàn)象，依然只在動(dòng)葉片葉身附著一層軟垢，拆檢情況如圖8～11 所示。因此保守推測(cè)，按847 天運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)并留有10% 的余量，2#催化煙機(jī)歷史無(wú)故障運(yùn)行間隔周期校正為740～760 天較合理。煙機(jī)結(jié)硬垢問(wèn)題發(fā)生根本性改善的原因在于2016 年大檢修對(duì)三旋進(jìn)行設(shè)計(jì)核算整體更新，提高了三旋的旋分效果，改造后也對(duì)三旋旋分效果進(jìn)行了在線采樣標(biāo)定，結(jié)果合格。

圖8 2#催化煙機(jī)運(yùn)行199 天情況1（2017 年11 月檢修）

綜上：在一個(gè)生產(chǎn)周期內(nèi)，如果沒(méi)有發(fā)生重大工藝變更和煙機(jī)改造，那么對(duì)每次煙機(jī)因結(jié)垢停機(jī)的檢查情況進(jìn)行判斷梳理，進(jìn)而確定合理的平均故障間隔時(shí)間，作為預(yù)防性維修周期的基本依據(jù)，這個(gè)周期的確定應(yīng)該進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

煙機(jī)運(yùn)行環(huán)境分析

結(jié)垢根本原因

圖9 2#催化煙機(jī)運(yùn)行199 天情況2（2017 年11 月檢修）

圖10 2#催化煙機(jī)運(yùn)行874 天情況1（2020 年4 月檢修）

圖11 2#催化煙機(jī)運(yùn)行874 天情況2（2020 年4 月檢修）

進(jìn)入煙機(jī)煙氣中催化劑粉塵過(guò)多是結(jié)垢的根本原因。初步調(diào)研煙氣粉塵的監(jiān)測(cè)情況，在線激光監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)效果較差屬于行業(yè)難點(diǎn)，兩套催化也存在同樣的情況。通過(guò)人工在線采樣分析是最可靠的手段，但煙氣溫度高又含有一氧化碳和二氧化硫等有害成分，人工在線采樣分析安全風(fēng)險(xiǎn)大，同時(shí)實(shí)際操作中還會(huì)遇到采樣口被催化劑堵死等采集失敗的情況。

影響煙氣中催化劑細(xì)粉增多的因素

1.工藝操作

塊狀潰瘍：黃色塊狀1 mm2記1分，黑色塊狀1 mm2記2分（塊狀面積計(jì)算方法S＝長(zhǎng)徑/2×短徑/2×π）。

催化煙氣是催化劑燒焦再生過(guò)程中產(chǎn)生的，主風(fēng)不僅用作再生器燒焦風(fēng)，還起到流化作用。兩套催化主風(fēng)量滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)均為1×Nm3/h 左右，其中1#催化只有一再煙0.5×Nm3/h 左右進(jìn)入煙機(jī)，2#催化全部進(jìn)入煙機(jī)做功。催化劑粒徑為幾微米到幾十微米，煙氣中難免攜帶催化劑細(xì)粉，再生煙氣通過(guò)再生器稀相沉降段和再生器內(nèi)第一、二級(jí)旋風(fēng)分離器后，其中大部分催化劑已經(jīng)被分離。煙氣繼續(xù)進(jìn)入三級(jí)旋風(fēng)分離器以去除其中的細(xì)粉，進(jìn)入煙機(jī)煙氣要求為粉塵濃度 150mg/m3，小于3μm 催化劑細(xì)粉 10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。對(duì)主風(fēng)量、催化劑循環(huán)量調(diào)整要保持小幅度平穩(wěn)操作原則，監(jiān)控平衡劑采樣分析結(jié)果，對(duì)三旋細(xì)粉定期進(jìn)行放空，減少蒸汽造成的催化劑熱崩等等，這些日常調(diào)整和定時(shí)性工作都作為減少催化劑損耗的必要手段。

2.旋風(fēng)效率及催化劑

旋風(fēng)分離器高效工作的條件主要有入口粉塵濃度、入口線速度和進(jìn)出口壓差。對(duì)三旋而言，入口濃度太大會(huì)導(dǎo)致旋風(fēng)器操作彈性降低；入口線速度實(shí)際上也可以反映三旋負(fù)荷是否符合設(shè)計(jì)值；進(jìn)出口壓差也是保證旋分效率的重要指標(biāo)。2020 年大檢修期間，對(duì)兩套催化各旋分器進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。從兩套催化使用的催化劑來(lái)看，品牌廠家不同，總體性能基本一致，即使存在球形度抗磨損度等指標(biāo)的差異，并不會(huì)對(duì)形成的細(xì)粉量造成顯著影響。

兩套裝置比較

單套裝置縱向比較，1#催化兩個(gè)運(yùn)行周期的平均結(jié)垢周期變化不大，說(shuō)明連續(xù)兩個(gè)周期的工藝操作與設(shè)備運(yùn)行的變化不大。2#催化因更換三旋使煙機(jī)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)變化顯著。兩套裝置橫向比較，從工藝操作方面并沒(méi)有明顯的差異，目前看三旋的投用年限和型式是存在的主要不同，1#催化三旋投用已超過(guò)3 個(gè)生產(chǎn)周期，存在產(chǎn)生微觀磨損等原因?qū)е滦中什桓?，同時(shí)采用的VS 型單管與2#催化改進(jìn)后的PSC-300 型單管在旋分性能上存在較大差距。因此，認(rèn)為三旋的分離效率是兩臺(tái)煙機(jī)運(yùn)行差距的關(guān)鍵因素。

綜上，造成催化劑細(xì)粉增多的原因，主要從以上工藝操作方面進(jìn)行排查與分析，如果發(fā)生反再系統(tǒng)的主風(fēng)中斷等大幅度波動(dòng)，或者三旋系統(tǒng)堵塞等問(wèn)題，都會(huì)造成煙氣細(xì)粉增多，煙機(jī)結(jié)垢的速度加快。但只要影響時(shí)間不長(zhǎng)，按裝置生產(chǎn)周期為分析時(shí)間的跨度時(shí)，可視為工藝的影響是均勻作用于每個(gè)煙機(jī)運(yùn)行周期。對(duì)運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)控可以基于實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)一步積累和量化分析，在工藝運(yùn)行環(huán)境上不斷給煙機(jī)運(yùn)行創(chuàng)造更好的條件。

結(jié)垢的特征頻譜分析

振動(dòng)趨勢(shì)特征

在結(jié)垢初期，垢逐漸且均勻附著在動(dòng)葉片上，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡沒(méi)有受到破壞。隨著運(yùn)行周期延長(zhǎng)，通過(guò)燒焙作用垢會(huì)逐漸增厚，當(dāng)增加到一定厚度時(shí)（經(jīng)驗(yàn)判斷葉身為3mm 以上），受到負(fù)荷沖擊會(huì)發(fā)生局部脫落，同時(shí)也會(huì)發(fā)生自然的局部脫落，當(dāng)超過(guò)轉(zhuǎn)子允許最大殘余不平衡量時(shí)，會(huì)造成轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡，引發(fā)軸系振動(dòng)增大，振動(dòng)能量傳遞到機(jī)殼，烈度同步增大。特別是1#催化，煙機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量相對(duì)于2#催化輕，對(duì)動(dòng)不平衡量更加敏感，這種振動(dòng)變化很明顯以“階躍式”跳變?yōu)樘卣?，發(fā)生突發(fā)不平衡。隨機(jī)抽取兩次停機(jī)前振動(dòng)趨勢(shì)為例，圖12、圖13 為1#催化兩次運(yùn)行末期的振動(dòng)突變趨勢(shì)，將時(shí)間細(xì)分，可發(fā)現(xiàn)這種突變是在一瞬間發(fā)生的。2020 年大檢修時(shí)在2#催化煙機(jī)機(jī)殼增設(shè)了烈度在線監(jiān)測(cè)，能夠解決高溫部位不方便監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)性監(jiān)測(cè)做了補(bǔ)充。此外，不難推斷，如果煙機(jī)結(jié)硬垢，在惡化后很難通過(guò)在線除垢等方式進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)進(jìn)行這樣的“脫垢”處理存在很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖12 1#催化煙機(jī)行336天軸系振動(dòng)趨勢(shì)（2018年12 月檢修）

圖13 1#催化煙機(jī)運(yùn)行313 天軸系振動(dòng)趨勢(shì)（2021 年11 月檢修）

軸心軌跡特征

圖14 1#催化煙機(jī)運(yùn)行313 天軸系振動(dòng)趨勢(shì)（2018 年12 月檢修）

圖15 2#催化煙機(jī)運(yùn)行313 天軸系振動(dòng)趨勢(shì)（2018 年12 月檢修）

頻域變化特征

通過(guò)比較振動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生突變前后頻域值的變化可見(jiàn)，一倍頻幅值從27μm 突增到40μm，明細(xì)增大。如圖16、17 所示二倍頻及其他諧波成分基本穩(wěn)定，這說(shuō)明機(jī)組的動(dòng)平衡發(fā)生了惡化，符合煙機(jī)動(dòng)葉片結(jié)垢并脫落的特征。

圖16 1#催化煙機(jī)運(yùn)行336 天振動(dòng)突變頻譜

圖17 1#催化煙機(jī)運(yùn)行336 天振動(dòng)突變頻譜

綜上，煙機(jī)結(jié)垢的特征頻譜較為明顯，將頻譜分析方法作為輔助判斷煙機(jī)運(yùn)行狀況的手段，主要還是依靠運(yùn)行周期合理控制檢修時(shí)機(jī)（運(yùn)行周期當(dāng)中包括綜合工藝運(yùn)行環(huán)境的判斷），達(dá)到防止機(jī)組發(fā)生動(dòng)靜碰磨等工況出現(xiàn)的目的。從兩臺(tái)煙機(jī)多次檢修上得到了充分驗(yàn)證。

煙機(jī)檢修對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響

1#催化的主風(fēng)備機(jī)與煙機(jī)組主風(fēng)機(jī)處理量相同，不存在切備機(jī)裝置降量的問(wèn)題。我們以2#催化裝置煙機(jī)為例進(jìn)行效益核算，如果開(kāi)啟備機(jī)進(jìn)行檢修，要損失高溫?zé)煔饽芰?，裝置降低處理量造成加工損失等。直接效益損失：切換到備用風(fēng)機(jī)運(yùn)行5 500 kW，減去煙機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率2 200 kW，則因檢修煙機(jī)多消耗電動(dòng)機(jī)功率為3 300 kW，按0.65元/kW·h 計(jì)算，煙機(jī)搶修96 h，則期間消耗電費(fèi)為20.6 萬(wàn)元。煙機(jī)搶修一次費(fèi)用為15 萬(wàn)元，合計(jì)35 萬(wàn)元。間接效益損失：按加工量125 t/h 計(jì)算，切換至備機(jī)降低到100 t/h，按外購(gòu)蠟油加工計(jì)算盈利為600 元/天左右，合計(jì)加工利潤(rùn)損失為144 萬(wàn)元。進(jìn)行主風(fēng)機(jī)切換過(guò)程中必然會(huì)造成一定量催化劑的跑損，備機(jī)切進(jìn)切出系統(tǒng)按跑速3 t 催化劑計(jì)算，共6萬(wàn)元。

煙機(jī)清垢小修一次合計(jì)產(chǎn)生損失為184.6 萬(wàn)元，大修一次煙機(jī)損失313.5 萬(wàn)元（7 天）。一旦煙機(jī)因結(jié)構(gòu)碰磨等問(wèn)題造成葉片斷裂等問(wèn)題，所造成損失將更大。

煙機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行措施

1.減少煙機(jī)入口煙氣細(xì)粉含量是解決煙機(jī)結(jié)垢的根本手段，對(duì)反再系統(tǒng)和煙機(jī)運(yùn)行工藝環(huán)境加強(qiáng)平穩(wěn)性操作，不超工藝卡片。對(duì)新鮮劑、平衡劑加強(qiáng)粒徑等監(jiān)控，防止產(chǎn)生過(guò)多催化劑細(xì)粉。

2.旋風(fēng)分離器本身狀況和運(yùn)行工況都對(duì)過(guò)濾催化劑有顯著影響，在日常操作中應(yīng)精細(xì)操作，使之運(yùn)行在最佳在狀態(tài)。應(yīng)統(tǒng)籌考慮評(píng)估設(shè)備壽命，進(jìn)行優(yōu)化改造投資，尤其是不斷提高三旋效率。

3.煙機(jī)是在高溫?zé)煔猸h(huán)境下運(yùn)行的大機(jī)組，當(dāng)前以運(yùn)用數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)主要受熱部件動(dòng)靜葉片開(kāi)展運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)累計(jì)管理。同樣將開(kāi)展對(duì)其他重要部件的壽命管理，對(duì)入口煙氣溫度進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)，以提高機(jī)組整體運(yùn)行可靠性。

4.煙機(jī)最常見(jiàn)的停機(jī)原因?yàn)榻Y(jié)垢，其中碰磨容易導(dǎo)致葉片在高應(yīng)力下發(fā)生疲勞斷裂，同時(shí)在結(jié)垢后期也會(huì)造成振動(dòng)高回收、效率嚴(yán)重下降的問(wèn)題，應(yīng)積極開(kāi)展預(yù)防性檢修工作。根據(jù)每臺(tái)煙機(jī)運(yùn)行情況，針對(duì)催化劑結(jié)垢引起的振動(dòng)故障，梳理出平均故障間隔時(shí)間，結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測(cè)頻譜輔助分析，能夠?qū)崿F(xiàn)較準(zhǔn)確的停機(jī)時(shí)間，指導(dǎo)煙機(jī)的預(yù)防性檢修工作。

5. 優(yōu)化煙機(jī)操作，盡量減少輪盤(pán)蒸汽注入量（控制輪盤(pán)溫度在350 ℃上限），同時(shí)確保注入蒸汽的品質(zhì)。在結(jié)垢后期應(yīng)避免煙機(jī)負(fù)荷的頻繁波動(dòng)，會(huì)增大垢脫落導(dǎo)致煙機(jī)縮短運(yùn)行時(shí)間的幾率。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)催化劑結(jié)垢引起的振動(dòng)故障，梳理出平均故障間隔時(shí)間，結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測(cè)頻譜輔助分析，能夠?qū)崿F(xiàn)較準(zhǔn)確的停機(jī)時(shí)間，指導(dǎo)煙機(jī)的預(yù)防性檢修工作。

對(duì)煙氣中催化劑監(jiān)測(cè)存在開(kāi)展不全面的問(wèn)題，對(duì)煙機(jī)運(yùn)行環(huán)境監(jiān)控可以形成量化方式建立與結(jié)垢速度的聯(lián)系，有利于預(yù)判煙機(jī)結(jié)垢的速度。但例如煙機(jī)組鍵相監(jiān)控等設(shè)施沒(méi)有完備的情況需要提高管理，2#催化機(jī)殼烈度監(jiān)測(cè)探頭應(yīng)用較好，值得推廣。同時(shí)，煙機(jī)長(zhǎng)周期運(yùn)行更重要的是工藝運(yùn)行環(huán)境，減少催化劑細(xì)粉是根本途徑。 ●