基于催化煙機結垢預防性檢修的幾點總結

文/丁一剛

對催化煙汽輪機進行預防性檢修，防止催化劑沉積結垢造成停機——催化煙汽輪機運行工況惡劣，影響其長周期運行的最常見問題是催化劑沉積結垢造成軸系振動上升機殼烈度增大，嚴重的會造成動葉片疲勞斷裂引發惡性事故。文章以兩臺煙機的運行為分析樣本，分析基于穩定工藝環境下以平均故障間隔時間為基本運行周期，結合狀態監測進行預防性檢修，達到機組運行安全兼顧節能經濟效益的目的。

煙氣輪機（下文簡稱煙機）是催化裝置最主要的能量回收設備，其運行工況的好壞和運行周期的長短，對催化裝置長周期穩定運行、降低裝置能耗有重要影響。它屬于關鍵大機組，又明顯區別于常規的離心機組，其介質為600℃以上的高溫煙氣，含有催化劑粉塵，容易沉積結垢，還具有一定沖蝕性和腐蝕性。

歸納煙機因結垢停機的主要表現為：動葉片結垢后在運行中脫落，造成動平衡破壞，振動陡增。圍帶結垢摩擦動葉片，造成動葉片疲勞斷裂。在靜葉部位結垢會影響煙氣流場，造成煙機效率下降，降低能量回收率，嚴重時會造成碰磨，垢脫落擊打動葉片。在實踐中探索出“平均無故障周期+特征頻譜”的方式，確定預防性檢修周期，開展預防性工作。

煙機結垢機理

當前對煙機結垢的研究有很多，相關文獻也很多，結垢機理明確：主要原因在于三旋出口煙氣中含有較高濃度粒徑＜2μm的超細粉催化劑顆粒，大量催化劑細粉特別是其中的Ca、Fe、Na 和Ni 等金屬在600℃左右的高溫環境中易形成低熔物，在煙機低速區沉積、粘結，形成垢，再通過燒焙作用逐漸增厚。兩組煙機相關參數見表1，容易結垢的部位為動靜葉片葉身和圍帶，圖1 中所示的煙機轉子及靜葉組件部位是常見結垢的部位。

圖1 YL 型煙機結構

表1 兩臺煙機組相關參數

煙機平均結垢間隔時間

評價煙機運行優良的標準

評價煙機運行優良的標準應從安全和經濟效益兩個方面考量。在運行方面，不超設計值，不發生軸系大幅度波動，處于優良運行指標范圍內。在能量回收方面，保持雙動滑閥開度 1%，確保煙機負荷率和能量回收率都保持較高水平。如果因為振動高等問題長期處于低負荷狀態運行，對能量回收效益影響大，也增加了安全風險。

從檢修時機、角度看，要確保煙機部件不發生損傷。常見的損傷有因動葉片“削頂”判廢，增加了維修費用，即使經過檢測可以使用，也會造成葉頂到圍帶的間隙過大，降低煙機能量回收能力，這種動靜碰磨會引發葉片斷裂事故，屬嚴禁運行工況。

校正運行時長

圖2、圖3 為兩臺煙機從2012 年以來的運行時間統計，除了2016 年因大檢修停機以外，停機原因都是結垢導致振動上升。每次檢修未必都是最好的時機，以1#催化煙機2017 年和2021 年的兩次檢修情況為例，圖4、圖5 為運行366 天動葉片削頂形貌（溝槽深3～5mm），葉片報廢。圖6、圖7 為運行313 天動葉片情況，頂部有輕微劃痕，可認為這次的停機時機更加合適。通過這樣的判斷，統計出1#催化煙機2012～2016 年生產周期的歷史平均故障間隔時間為235～255 天。對運行505 天的煙機動葉片出現了明顯的“削頂”進行校正，參照2021 年的檢修情況保守核減為310 天，重新核算該生產周期歷史平均故障間隔時間為255～275 天。

圖2 1#催化煙機運行時間統計

圖3 2#催化煙機運行時間統計

圖4 1#催化煙機運行366 天（2017年6 月檢修）

圖5 1#催化煙運行366 天（2021年6 月檢修）

圖6 1#催化煙機運行313 天情況1（2021 年11 月檢修）

圖7 1#催化煙機運行313 天情況2（2021 年11 月檢修）

2#催化煙機運行時長變化最為顯著，從第一個生產周期的96 天增加到第二個生產周期的305天。分析歷史運行情況，從2010 年大檢修后便出現因結垢導致頻繁的問題，2010 年9 月12 日動葉片與圍帶結垢發生碰磨，造成疲勞斷裂，打壞其他葉片。在2016 年大檢修后連續進行了3 次開蓋檢查，運行時長都較短，均未出現結硬垢的情況，只在動葉片葉身有較薄一層軟垢。分析認為主要受到上一運行周期慣性影響，當煙機發生振動波動以后，及時進行停機檢查，可以判斷的是2#催化煙機已經不結硬垢。在運行874天和199 天（到199 天時進入裝置停工檢修）時進行的開蓋檢修同樣沒有發生結硬垢現象，依然只在動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，按847 天運行時長并留有10% 的余量，2#催化煙機歷史無故障運行間隔周期校正為740～760 天較合理。煙機結硬垢問題發生根本性改善的原因在于2016 年大檢修對三旋進行設計核算整體更新，提高了三旋的旋分效果，改造后也對三旋旋分效果進行了在線采樣標定，結果合格。

圖8 2#催化煙機運行199 天情況1（2017 年11 月檢修）

綜上：在一個生產周期內，如果沒有發生重大工藝變更和煙機改造，那么對每次煙機因結垢停機的檢查情況進行判斷梳理，進而確定合理的平均故障間隔時間，作為預防性維修周期的基本依據，這個周期的確定應該進行動態更新。

煙機運行環境分析

結垢根本原因

圖9 2#催化煙機運行199 天情況2（2017 年11 月檢修）

圖10 2#催化煙機運行874 天情況1（2020 年4 月檢修）

圖11 2#催化煙機運行874 天情況2（2020 年4 月檢修）

進入煙機煙氣中催化劑粉塵過多是結垢的根本原因。初步調研煙氣粉塵的監測情況，在線激光監測儀的監測效果較差屬于行業難點，兩套催化也存在同樣的情況。通過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險大，同時實際操作中還會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（塊狀面積計算方法S＝長徑/2×短徑/2×π）。

催化煙氣是催化劑燒焦再生過程中產生的，主風不僅用作再生器燒焦風，還起到流化作用。兩套催化主風量滿負荷生產時均為1×Nm3/h 左右，其中1#催化只有一再煙0.5×Nm3/h 左右進入煙機，2#催化全部進入煙機做功。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粉，再生煙氣通過再生器稀相沉降段和再生器內第一、二級旋風分離器后，其中大部分催化劑已經被分離。煙氣繼續進入三級旋風分離器以去除其中的細粉，進入煙機煙氣要求為粉塵濃度 150mg/m3，小于3μm 催化劑細粉 10%（質量分數）。對主風量、催化劑循環量調整要保持小幅度平穩操作原則，監控平衡劑采樣分析結果，對三旋細粉定期進行放空，減少蒸汽造成的催化劑熱崩等等，這些日常調整和定時性工作都作為減少催化劑損耗的必要手段。

2.旋風效率及催化劑

旋風分離器高效工作的條件主要有入口粉塵濃度、入口線速度和進出口壓差。對三旋而言，入口濃度太大會導致旋風器操作彈性降低；入口線速度實際上也可以反映三旋負荷是否符合設計值；進出口壓差也是保證旋分效率的重要指標。2020 年大檢修期間，對兩套催化各旋分器進行檢查，未發現明顯缺陷。從兩套催化使用的催化劑來看，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的差異，并不會對形成的細粉量造成顯著影響。

兩套裝置比較

單套裝置縱向比較，1#催化兩個運行周期的平均結垢周期變化不大，說明連續兩個周期的工藝操作與設備運行的變化不大。2#催化因更換三旋使煙機運行時長變化顯著。兩套裝置橫向比較，從工藝操作方面并沒有明顯的差異，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3 個生產周期，存在產生微觀磨損等原因導致旋分效率不高，同時采用的VS 型單管與2#催化改進后的PSC-300 型單管在旋分性能上存在較大差距。因此，認為三旋的分離效率是兩臺煙機運行差距的關鍵因素。

綜上，造成催化劑細粉增多的原因，主要從以上工藝操作方面進行排查與分析，如果發生反再系統的主風中斷等大幅度波動，或者三旋系統堵塞等問題，都會造成煙氣細粉增多，煙機結垢的速度加快。但只要影響時間不長，按裝置生產周期為分析時間的跨度時，可視為工藝的影響是均勻作用于每個煙機運行周期。對運行環境的監控可以基于實時監控系統進一步積累和量化分析，在工藝運行環境上不斷給煙機運行創造更好的條件。

結垢的特征頻譜分析

振動趨勢特征

在結垢初期，垢逐漸且均勻附著在動葉片上，轉子動平衡沒有受到破壞。隨著運行周期延長，通過燒焙作用垢會逐漸增厚，當增加到一定厚度時（經驗判斷葉身為3mm 以上），受到負荷沖擊會發生局部脫落，同時也會發生自然的局部脫落，當超過轉子允許最大殘余不平衡量時，會造成轉子動不平衡，引發軸系振動增大，振動能量傳遞到機殼，烈度同步增大。特別是1#催化，煙機轉子質量相對于2#催化輕，對動不平衡量更加敏感，這種振動變化很明顯以“階躍式”跳變為特征，發生突發不平衡。隨機抽取兩次停機前振動趨勢為例，圖12、圖13 為1#催化兩次運行末期的振動突變趨勢，將時間細分，可發現這種突變是在一瞬間發生的。2020 年大檢修時在2#催化煙機機殼增設了烈度在線監測，能夠解決高溫部位不方便監測的問題，對系統性監測做了補充。此外，不難推斷，如果煙機結硬垢，在惡化后很難通過在線除垢等方式進行調整，同時進行這樣的“脫垢”處理存在很大的安全風險。

圖12 1#催化煙機行336天軸系振動趨勢（2018年12 月檢修）

圖13 1#催化煙機運行313 天軸系振動趨勢（2021 年11 月檢修）

軸心軌跡特征

圖14 1#催化煙機運行313 天軸系振動趨勢（2018 年12 月檢修）

圖15 2#催化煙機運行313 天軸系振動趨勢（2018 年12 月檢修）

頻域變化特征

通過比較振動趨勢發生突變前后頻域值的變化可見，一倍頻幅值從27μm 突增到40μm，明細增大。如圖16、17 所示二倍頻及其他諧波成分基本穩定，這說明機組的動平衡發生了惡化，符合煙機動葉片結垢并脫落的特征。

圖16 1#催化煙機運行336 天振動突變頻譜

圖17 1#催化煙機運行336 天振動突變頻譜

綜上，煙機結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運行狀況的手段，主要還是依靠運行周期合理控制檢修時機（運行周期當中包括綜合工藝運行環境的判斷），達到防止機組發生動靜碰磨等工況出現的目的。從兩臺煙機多次檢修上得到了充分驗證。

煙機檢修對經濟效益的影響

1#催化的主風備機與煙機組主風機處理量相同，不存在切備機裝置降量的問題。我們以2#催化裝置煙機為例進行效益核算，如果開啟備機進行檢修，要損失高溫煙氣能量，裝置降低處理量造成加工損失等。直接效益損失：切換到備用風機運行5 500 kW，減去煙機實際運行時的電動機功率2 200 kW，則因檢修煙機多消耗電動機功率為3 300 kW，按0.65元/kW·h 計算，煙機搶修96 h，則期間消耗電費為20.6 萬元。煙機搶修一次費用為15 萬元，合計35 萬元。間接效益損失：按加工量125 t/h 計算，切換至備機降低到100 t/h，按外購蠟油加工計算盈利為600 元/天左右，合計加工利潤損失為144 萬元。進行主風機切換過程中必然會造成一定量催化劑的跑損，備機切進切出系統按跑速3 t 催化劑計算，共6萬元。

煙機清垢小修一次合計產生損失為184.6 萬元，大修一次煙機損失313.5 萬元（7 天）。一旦煙機因結構碰磨等問題造成葉片斷裂等問題，所造成損失將更大。

煙機長周期運行措施

1.減少煙機入口煙氣細粉含量是解決煙機結垢的根本手段，對反再系統和煙機運行工藝環境加強平穩性操作，不超工藝卡片。對新鮮劑、平衡劑加強粒徑等監控，防止產生過多催化劑細粉。

2.旋風分離器本身狀況和運行工況都對過濾催化劑有顯著影響，在日常操作中應精細操作，使之運行在最佳在狀態。應統籌考慮評估設備壽命，進行優化改造投資，尤其是不斷提高三旋效率。

3.煙機是在高溫煙氣環境下運行的大機組，當前以運用數據監控系統對主要受熱部件動靜葉片開展運行時長累計管理。同樣將開展對其他重要部件的壽命管理，對入口煙氣溫度進行定量監測，以提高機組整體運行可靠性。

4.煙機最常見的停機原因為結垢，其中碰磨容易導致葉片在高應力下發生疲勞斷裂，同時在結垢后期也會造成振動高回收、效率嚴重下降的問題，應積極開展預防性檢修工作。根據每臺煙機運行情況，針對催化劑結垢引起的振動故障，梳理出平均故障間隔時間，結合狀態監測頻譜輔助分析，能夠實現較準確的停機時間，指導煙機的預防性檢修工作。

5. 優化煙機操作，盡量減少輪盤蒸汽注入量（控制輪盤溫度在350 ℃上限），同時確保注入蒸汽的品質。在結垢后期應避免煙機負荷的頻繁波動，會增大垢脫落導致煙機縮短運行時間的幾率。

結語

針對催化劑結垢引起的振動故障，梳理出平均故障間隔時間，結合狀態監測頻譜輔助分析，能夠實現較準確的停機時間，指導煙機的預防性檢修工作。

對煙氣中催化劑監測存在開展不全面的問題，對煙機運行環境監控可以形成量化方式建立與結垢速度的聯系，有利于預判煙機結垢的速度。但例如煙機組鍵相監控等設施沒有完備的情況需要提高管理，2#催化機殼烈度監測探頭應用較好，值得推廣。同時，煙機長周期運行更重要的是工藝運行環境，減少催化劑細粉是根本途徑。 ●