玉門煉油廠煙氣輪機振動原因分析及處理

唐衛兵 郝雄慧

(玉門煉油廠檢修作業隊 甘肅玉門)

玉門煉油廠煙氣輪機振動原因分析及處理

唐衛兵 郝雄慧

(玉門煉油廠檢修作業隊 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,并采用機組狀態監測系統S8000所采集的實時數據進一步探討,找出問題的關鍵,提出解決的辦法。

煙氣輪機;轉子;振動;狀態檢測

0 引 言

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

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,煙機轉子振動是一個極為重要的指標。統計資料表明,絕大多數煙機不能正常運行都是因為振動而造成的。這是因為:

1)煙機轉子屬懸臂結構,而且輪盤部分較重,整個轉子穩定性差;

2)煙機的工作介質是再生煙氣,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蒸汽易凝結成水;

4)煙機為直動式,轉速較高。

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

根據其模型同其它旋轉機械相比,煙機轉子的振動系統較之有共同點也有不同點。其共同點是:

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

其不同點是:由于輪盤較重且呈懸臂結構,重心幾乎落在前軸承上。假使在輪盤處產生一不平衡力 F,相應地,在前后支撐處產生動反力,由此構成二自由度強迫振動系統,即轉子隨質心的線位移振動和繞質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較大振動時,首要任務是及時準確地找出振動的原因和部位,以便采取相應措施,確保機組的安全運行。為此,一方面應根據機組運行參數如瓦溫、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測系統S8000,通過捕捉各種狀態信號,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。對事故狀態下的軌跡、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)粉塵堆積結垢或顆粒沖蝕造成振動增大

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

2)緊固螺栓脫落損壞動葉片產生振動

在2008年1月機組振動過大停機檢修過程中發現,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,因此穩定較好。如果在緊靠聯軸器兩端的軸承位置有最大振動值出現,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生振動

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

5)動靜碰磨產生振動

2008年1月,煙機前軸承振動由37μm急劇上升至60μm,同時,后軸承穩定也產生破壞,振幅值接近115μm被迫停機進行檢修。機組拆卸抽出轉子后發現轉子輪盤軸頸與氣封環產生嚴重的動靜碰磨,輪盤軸頸產生溝痕,一級、二級氣封環嚴重變形,氣封環一側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,法蘭平面產生張口、扭曲和錯口現象,如果通過外力強行將管線與機體連接就會產生機殼局部翹曲變形,內部轉子與機殼產生碰磨或氣流震蕩,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現,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,也是產生振動的主要原因。

7)運行工況不穩定

當運行工況不穩定的時候,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,保證煙氣的平穩流動,可以有效地防止催化劑顆粒對葉片的損壞,使轉子的動平衡不被破壞,消除煙機的振動。

2.2 煙機振動狀態圖譜

1)振動狀態軸心軌跡分析

機組開、停機及運行監測測點: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?，F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、XISA7614兩點表現出明顯的不穩定狀態,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則分布,呈現出香蕉形和輕微的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的資料和經驗性分析認定,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,發現前軸軸振測點XISA7611、XISA7612的頻譜有0.5X倍頻出現,而后軸測點XISA7613、XISA7614在工頻后有2X頻出現。2X頻的出現加之聯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整。而0.5X倍頻出現可能的振動故障,通過查閱資料[3]和通過以下步驟驗證:

圖4 XISA7612、XISA7614頻譜圖

(1)由于機組轉速非可調,只能通過負荷與油溫的變化來分析;

(2)調節風機負荷,振動值的大小隨轉速的變化也不明顯;

(3)機組潤滑油溫由41℃下調到38℃,軸振動值由74μm下降到70μm并趨于穩定。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

從數據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。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子碰磨所致。由于振動故障發生的時間較長,碰磨損傷已經形成。

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,必然誘發機組軸振動增加。

4)機組熱態對中需校核。

結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,強化檢修質量,確保維修合格。

2)依據實測溫度修正找正曲線,得到預期的對中效果。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機組原設計給定煙機聯軸器端修正值為0.65 mm,現場實測煙機軸承箱體前軸承端溫度68℃,后軸承端(非驅動端)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 論

煙氣輪機由于它的懸臂結構,以及富含粉塵的煙氣介質,使得其軸振動更容易發生。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檢測系統,實現對轉動設備故障苗頭的早期檢測和分析,更好地應用到預知維修體系中去。

煙機的長周期運行,是催化裝置優質平穩運行的基礎,是裝置節能降耗的關鍵點。應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運行,為煉化企業節能降耗貢獻力量。

[1] 蘭州煉油機械廠.Y LⅡ13000A型煙機說明書,2004(資料)

[2] 石油化工設備維護檢修規程[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[M].杭州:浙江大學出版社,1994

TE968

B

1004-9134(2010)02-0037-03

唐衛兵,男,1979年生,工程師,2002年7月畢業于西安石油大學(原西安石油學院),現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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