張 婷，李 磊，馬海余，毛文江

（1.蘭州石化公司研究院，甘肅蘭州 730060；2.蘭州石化公司機(jī)電儀運(yùn)維中心 甘肅蘭州，730060；3.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510535）

1 設(shè)備概述

煙氣輪機(jī)是石油化工行業(yè)重油催化裂化裝置中的關(guān)鍵性設(shè)備，同時(shí)也是該裝置主要的節(jié)能設(shè)備，通過(guò)再生器出來(lái)的煙氣壓力和熱能進(jìn)行膨脹做功，拖動(dòng)軸流壓縮機(jī)運(yùn)行及發(fā)電，其運(yùn)行情況直接影響到裝置的運(yùn)行周期和能耗水平。故保證煙氣輪機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行，關(guān)系到整個(gè)生產(chǎn)裝置的正常生產(chǎn)。

2 故障現(xiàn)象

2019 年12 月至2020 年2 月期間，煙氣輪機(jī)振動(dòng)出現(xiàn)2 次上漲，通頻值振動(dòng)趨勢(shì)如圖1 所示，最高測(cè)點(diǎn)振值70.2 μm，但由于機(jī)組整體趨勢(shì)平穩(wěn)，振動(dòng)未到報(bào)警值，機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行，2020 年6 月1 日凌晨，煙機(jī)振動(dòng)突然上漲至80.4 μm，在煙機(jī)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)上升期間，軸流壓縮機(jī)、齒輪箱總體振動(dòng)趨勢(shì)均比較平穩(wěn)。

圖1 第1 次、第2 次煙機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)（通頻值）

3 故障分析

3.1 振動(dòng)分析

通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖譜分析，前兩次振動(dòng)上升時(shí)，1×振動(dòng)幅值緩慢上升，且在一定區(qū)間（約7～11 d）后振幅稍有回落，之后振動(dòng)趨勢(shì)較為平穩(wěn)，相位無(wú)變化，表明煙機(jī)出現(xiàn)均勻結(jié)垢故障，無(wú)垢層脫落。前2 次上漲過(guò)程中軸心軌跡圖中重復(fù)性比較好，未發(fā)現(xiàn)反進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，排除動(dòng)靜部件碰磨的可能。

同理，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，煙機(jī)振動(dòng)值第3 次上漲（超報(bào)警值）時(shí)，頻率成分主要以1×成分為主，高次諧波和低頻分量很少，煙機(jī)各測(cè)點(diǎn)2×和0.5×成分振幅趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，1×振動(dòng)趨勢(shì)（圖2）顯示，煙機(jī)第3 次振動(dòng)上升時(shí)振動(dòng)幅值快速上升，沒(méi)有回落的趨勢(shì)，且相位發(fā)生約90°的變化，工頻振動(dòng)和相位同時(shí)發(fā)生變化，1×相位的改變說(shuō)明轉(zhuǎn)子的重心在發(fā)生變化，即工頻振動(dòng)增大引起的轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡加劇，表明此時(shí)轉(zhuǎn)子輪盤(pán)結(jié)垢可能已經(jīng)惡化。另外，觀察第3 次振動(dòng)上漲過(guò)程中的軸心軌跡圖，重復(fù)性比較好，未發(fā)現(xiàn)反進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。

圖2 第3 次振動(dòng)上漲1X 振動(dòng)趨勢(shì)

3.2 油液監(jiān)測(cè)結(jié)果

在線監(jiān)測(cè)整體數(shù)據(jù)穩(wěn)定，黏度中位值為43.1 Cst，誤差處于離線數(shù)據(jù)黏度10%以?xún)?nèi)。黏度傳感器運(yùn)行穩(wěn)定，符合準(zhǔn)確性80%以上的要求（圖3）。

圖3 黏度診斷結(jié)果

在線監(jiān)測(cè)整體數(shù)據(jù)穩(wěn)定，水活性中位值為25×10-6，整體未超過(guò)離線檢測(cè)數(shù)值。水分傳感器運(yùn)行穩(wěn)定，符合準(zhǔn)確性80%以上的要求（圖4）。

圖4 水分診斷結(jié)果

在線監(jiān)測(cè)整體數(shù)據(jù)穩(wěn)定，污染度中位值為9級(jí)，與離線檢測(cè)相符。污染度傳感器運(yùn)行穩(wěn)定，符合準(zhǔn)確性80%以上的要求（圖5）。

圖5 污染度診斷結(jié)果

3.3 煙機(jī)粉塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)調(diào)查，2019 年12 月至2020 年2 月利用SP-20 型高溫?zé)煔獠蓸觾x，對(duì)煙機(jī)三旋入口粉塵濃度進(jìn)行3 次監(jiān)測(cè)，粉塵濃度呈增大趨勢(shì)。

3.4 分析結(jié)論

由振動(dòng)分析判斷，煙機(jī)振動(dòng)增大的主要原因是轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡發(fā)生變化。煙機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，引發(fā)轉(zhuǎn)子不平衡的主要原因有以下4 種情況：①轉(zhuǎn)子受熱不均產(chǎn)生局部的熱彎曲；②轉(zhuǎn)子的動(dòng)葉片可能被沖刷磨損或磨損斷裂；③轉(zhuǎn)子輪盤(pán)的拉緊螺栓有松動(dòng)或斷裂的情況；④轉(zhuǎn)子上有催化劑沉積結(jié)垢或脫落。

通過(guò)煙機(jī)的振動(dòng)變化過(guò)程，結(jié)合粉塵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)分析，判斷煙機(jī)轉(zhuǎn)子上催化劑粉末附著結(jié)垢的可能性更大。煙機(jī)前兩次振動(dòng)值上漲，主要是1×幅值增長(zhǎng)，但是1×相位保持穩(wěn)定，說(shuō)明隨著煙氣粉塵濃度上升，轉(zhuǎn)子輪盤(pán)附著的催化劑粉塵不斷增多，但附著層相對(duì)均勻，只是附著結(jié)垢導(dǎo)致不平衡量增加，不平衡造成的振動(dòng)上漲；當(dāng)煙機(jī)振動(dòng)值第3 次上漲時(shí)，仍然是1×幅值增長(zhǎng)，與前兩次不同的是，1×相位發(fā)生了突變（約90°），說(shuō)明轉(zhuǎn)子輪盤(pán)附著的催化劑垢層逐漸變厚變多，增加至一定的厚度后，垢層易發(fā)生局部脫落，導(dǎo)致輪盤(pán)結(jié)垢不再均勻，轉(zhuǎn)子的重心發(fā)生改變，動(dòng)平衡瞬間被破壞，進(jìn)而引起機(jī)組振動(dòng)突變。

4 結(jié)論

（1）從煙機(jī)的振動(dòng)趨勢(shì)看，煙機(jī)振動(dòng)前2 次出現(xiàn)緩慢上升，頻率成分以1×為主，是由于煙機(jī)動(dòng)靜葉片有催化劑垢層緩慢吸附引起，使得煙機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡緩慢上升，但未達(dá)到報(bào)警值，因生產(chǎn)需要，故機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行。第3 次振動(dòng)值突增且超過(guò)報(bào)警值，煙機(jī)結(jié)垢已惡化或局部脫落。根據(jù)該機(jī)組特點(diǎn)和以上相關(guān)圖譜分析，造成該機(jī)組振動(dòng)持續(xù)上升的主要原因應(yīng)為催化劑先沉積結(jié)垢，而后局部脫落，從而破壞煙機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡，引發(fā)機(jī)組振動(dòng)。

（2）從煙氣粉塵監(jiān)測(cè)分析結(jié)果看出，三旋入口煙氣粉塵濃度呈上升趨勢(shì)，導(dǎo)致煙氣中粉塵不斷被帶入煙機(jī)并粘結(jié)到動(dòng)靜葉片上，使得煙機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡被破壞。

結(jié)合以上二點(diǎn)確定煙機(jī)振動(dòng)2019 年12 月至2020 年2 月開(kāi)始緩慢上漲的原因?yàn)檗D(zhuǎn)子均勻結(jié)垢；6 月1 日煙機(jī)振動(dòng)值突變且持續(xù)上升，原因?yàn)楣笇泳植棵撀?。建議停機(jī)檢修進(jìn)行清垢或更換轉(zhuǎn)子，以保證煙機(jī)的長(zhǎng)周期運(yùn)行，最大限度的發(fā)揮煙機(jī)節(jié)能降耗的作用。

5 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證及處理

5.1 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

2020 年6 月3 日，機(jī)組停車(chē)后，檢修人員緊急開(kāi)展設(shè)備拆檢，將煙機(jī)入口導(dǎo)流錐打開(kāi)后發(fā)現(xiàn)動(dòng)葉上有1～2 mm 的垢層，靜葉上結(jié)垢更為嚴(yán)重，垢層厚度7 mm 左右，可見(jiàn)造成煙機(jī)振動(dòng)持續(xù)上升的主要原因是葉片先結(jié)垢，后發(fā)生局部脫落，與診斷結(jié)論一致。

5.2 處理措施

根據(jù)拆檢的情況，轉(zhuǎn)子輪盤(pán)結(jié)垢比較嚴(yán)重，為了有助于分析機(jī)組異常振動(dòng)的原因，將未清理的轉(zhuǎn)子進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示轉(zhuǎn)子不平衡量為5837.8 g·mm，其中轉(zhuǎn)子（自由端）不平衡量較大，約為4664 g·mm，依據(jù)不平衡量計(jì)算公式：

其中，G 為動(dòng)平衡等級(jí)，M 為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，n 為工作轉(zhuǎn)速。反算得動(dòng)平衡等級(jí)G：

而渤海裝備蘭州石化化工機(jī)械廠標(biāo)準(zhǔn)要求為：平衡等級(jí)不低于GB/T 9239.1—2006《機(jī)械振動(dòng)恒態(tài)（剛性）轉(zhuǎn)子平衡品質(zhì)要求》標(biāo)準(zhǔn)中的G1.0 級(jí)。

6 改進(jìn)措施

煙氣輪機(jī)是煉廠重油催化裂化裝置的核心設(shè)備，其運(yùn)行狀況直接影響到裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿(mǎn)、優(yōu)及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，從2019 年12 月至2020 年6 月煙機(jī)的運(yùn)行狀況及結(jié)垢情況分析，緩解煙機(jī)結(jié)垢應(yīng)做好以下3 點(diǎn)：①充分利用SG-8000 系統(tǒng)，及時(shí)監(jiān)控?zé)煓C(jī)運(yùn)行參數(shù)，異常情況及時(shí)處理，確保機(jī)組的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)嚴(yán)格控制在指標(biāo)范圍內(nèi)；②密切關(guān)注煙機(jī)入口粉塵濃度、催化劑粒度的變化，重點(diǎn)監(jiān)控0～20 μm 催化劑的含量；③逐步完善煙機(jī)故障數(shù)據(jù)庫(kù)，在已有動(dòng)力參數(shù)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)添加煙機(jī)工藝參數(shù)（煙氣含量、煙氣粉塵濃度、粒度、催化劑型號(hào)、蒸汽溫度壓力等），并協(xié)同裝置對(duì)煙機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)監(jiān)控大數(shù)據(jù)累計(jì)，掌握煙機(jī)故障發(fā)生規(guī)律及高頻故障種類(lèi)，為煙機(jī)故障分析做數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，提升煙機(jī)故障分析能力。