玉门炼油厂烟气轮机振动原因分析及处理

唐卫兵 郝雄慧

(玉门炼油厂检修作业队 甘肃玉门)

玉门炼油厂烟气轮机振动原因分析及处理

唐卫兵 郝雄慧

(玉门炼油厂检修作业队 甘肃玉门)

通过建立烟机振动模型,以玉门炼油厂Y LⅡ13000A双级烟气轮机为例,对轴振动高而导致停机的原因加以分析,并采用机组状态监测系统S8000所采集的实时数据进一步探讨,找出问题的关键,提出解决的办法。

烟气轮机;转子;振动;状态检测

0 引 言

烟气轮机是重油催化装置的主要能量回收设备。它主要利用再生烟气的热能和压力能膨胀做功,驱动主风机运行。玉门炼油厂 Y LⅡ13000A双级烟气轮机[1]正常运行时,日节电可达197 500 kW/h以上,经济效益十分可观。同时,由于它和主风机同轴互联,直接影响整个装置的安全平稳运行,因此成为重油催化装置的关键设备之一。

1 烟机振动特性及振动模型

在考核烟机运行状况的指标中,烟机转子振动是一个极为重要的指标。统计资料表明,绝大多数烟机不能正常运行都是因为振动而造成的。这是因为:

1)烟机转子属悬臂结构,而且轮盘部分较重,整个转子稳定性差;

2)烟机的工作介质是再生烟气,不仅温度高,而且还含有一定浓度的催化剂颗粒;

3)轮盘冷却和密封用1.0 MPa蒸汽易凝结成水;

4)烟机为直动式,转速较高。

基于上述原因,烟机转子振动一般比压缩机转子振动较大且难以控制。而由于烟机结构及密封要求,允许的振动值又比较小。通常要求振动幅值在80 μm。

根据其模型同其它旋转机械相比,烟机转子的振动系统较之有共同点也有不同点。其共同点是:

1)转子由油膜-轴承-轴承箱-机体-基础这样的支撑链所支撑;2)整个系统可以认为是弹性阻尼振动系统。

其不同点是:由于轮盘较重且呈悬臂结构,重心几乎落在前轴承上。假使在轮盘处产生一不平衡力 F,相应地,在前后支撑处产生动反力,由此构成二自由度强迫振动系统,即转子随质心的线位移振动和绕质心的角位移振动如图1所示。

图1 烟机振动模型

显然前轴承振动值=X,后轴承振动值=X+ L2cosθ。由此可见,烟机前后振动幅值是不同的,通常是烟机后部振动大。

烟机运行过程中出现较大振动时,首要任务是及时准确地找出振动的原因和部位,以便采取相应措施,确保机组的安全运行。为此,一方面应根据机组运行参数如瓦温、电机电流等综合分析,另一方面可借助于先进的诊断仪器来判断。玉门炼化在催化装置三机组上安装了在线监测系统S8000,通过捕捉各种状态信号,在计算机上可以快速、准确地了解机组的运行状况,便于对机组进行检测并分析各项参数。对事故状态下的轨迹、波形记录分析,快速研究出解决问题的方案,进一步做好设备的维护工作。

2 烟机振动原因及图谱分析

2.1 烟机振动

1)粉尘堆积结垢或颗粒冲蚀造成振动增大

烟机解体检查后可以发现,烟机转子动叶片催化剂结垢及附着物情况。由于是双级烟气轮机,粉尘堆积结垢在转子及两级轮盘腔内比较严重。势必对转子动平衡造成破坏,机组轴振动增加。

2)紧固螺栓脱落损坏动叶片产生振动

在2008年1月机组振动过大停机检修过程中发现,一级静叶螺栓M8×16mm有部分断裂;

过渡机壳金属锁紧片断裂,有1/3部分进入进气锥。叶片顶端背侧表面喷涂的合金层部分脱落,叶根部位有月牙形冲蚀,是引起振动的主要原因。

3)烟机轴承安装使用问题

在检修过程中,将支撑瓦的直径间隙控制在0.26 mm～0.30 mm之间,瓦背紧间隙≥0.08 mm,保证油楔产生的油膜力最小。各油楔相对于轴承中心都在较大的偏心下工作,因此稳定较好。如果在紧靠联轴器两端的轴承位置有最大振动值出现,则表明轴承中的油膜压力受到了改变[2]。也就是说轴承有可能受到了损坏或轴瓦间隙被改变,需要进行维修。

4)机组找正存在误差产生振动

如果转子的2X倍频谱发生较大变化,为主导振动频率,则可以确定为对中不良产生的机组振动。

5)动静碰磨产生振动

2008年1月,烟机前轴承振动由37μm急剧上升至60μm,同时,后轴承稳定也产生破坏,振幅值接近115μm被迫停机进行检修。机组拆卸抽出转子后发现转子轮盘轴颈与气封环产生严重的动静碰磨,轮盘轴颈产生沟痕,一级、二级气封环严重变形,气封环一侧梳齿密封片全部磨掉。

6)出入口管线引起机组振动

入口与过渡机壳相连接的管线变形,法兰平面产生张口、扭曲和错口现象,如果通过外力强行将管线与机体连接就会产生机壳局部翘曲变形,内部转子与机壳产生碰磨或气流震荡,外部猫爪螺栓受力严重变形。2008年1月在对烟机解体检查发现,烟机机壳中心向下张口位移量0.06 mm,中心向右偏0.11 mm,猫爪座圈有轻微翻边,也是产生振动的主要原因。

7)运行工况不稳定

当运行工况不稳定的时候,随着烟气的流量和速度变化,导致催化剂粉尘颗粒大小速度不一致。当粉尘颗粒具有足够大的动能时,才可能对叶片材料造成实质性冲蚀。因此粉尘的颗粒以及速度是影响冲蚀的重要因素。所以控制烟机的运行工况,保证烟气的平稳流动,可以有效地防止催化剂颗粒对叶片的损坏,使转子的动平衡不被破坏,消除烟机的振动。

2.2 烟机振动状态图谱

1)振动状态轴心轨迹分析

机组开、停机及运行监测测点:烟机4个振动,1个轴位移,1个键相位。轴流风机4个振动,1个轴位移,共11路信号。主要监测振动状况较严重的烟机4个 通 道 (XISA7611、XISA7612 和 XISA7613、XISA7614)。其中XISA7611、XISA7612两点有重复不正常现象,轴心轨迹呈上下方向的椭圆形,轴心轨迹如图2所示。而XISA7613、XISA7614两点表现出明显的不稳定状态,为振动的主要根源。从图3所示的轴心轨迹图中可以看出,轨迹为较凌乱的不规则分布,呈现出香蕉形和轻微的8字形运动。

图2 XISA7612轴心轨迹图

图3 XISA7614轴心轨迹图

转子轴心轨迹呈椭圆、香蕉形或成8字形的香蕉形,比较明显的几种情况通过查阅有关的资料和经验性分析认定,符合烟机组的动静体碰磨和轴承瓦隙大、瓦紧力不足等的振动故障识别特征。

2)振动状态频谱图分析

Y LⅡ13000A机组的频谱图为正弦波,频谱的主要组成频率为工频。提取了烟机前、后轴振动测点的频谱图如图4所示,发现前轴轴振测点XISA7611、XISA7612的频谱有0.5X倍频出现,而后轴测点XISA7613、XISA7614在工频后有2X频出现。2X频的出现加之联轴器另一端风机的轴振动也较高,说明烟机与风机的对中需要精细调整。而0.5X倍频出现可能的振动故障,通过查阅资料[3]和通过以下步骤验证:

图4 XISA7612、XISA7614频谱图

(1)由于机组转速非可调,只能通过负荷与油温的变化来分析;

(2)调节风机负荷,振动值的大小随转速的变化也不明显;

(3)机组润滑油温由41℃下调到38℃,轴振动值由74μm下降到70μm并趋于稳定。振动故障识别特征见表1。

表1 振动故障识别特征

3 分析及整改措施

从数据分析情况看各通道振动成分分布状况主要成分为工频,并伴有0.5倍频和2倍频出现。除去催化剂粉尘导致的动不平衡之外,机组振动幅值高的直接因素:

1)初步确认为烟机的动静碰磨,具体说是出口端轴密封体梳齿与转子碰磨所致。由于振动故障发生的时间较长,碰磨损伤已经形成。

2)同时,怀疑轮盘冷却蒸汽带水,使受热冷却不均,导致振动。

3)轴承径向间隙大,必然诱发机组轴振动增加。

4)机组热态对中需校核。

结合烟机损伤情况比较严重的分析,整改维修措施主要进行如下整改:

1)更换一级、二级气封体及轴承瓦块,同时安装时注意各部分间隙,确保上气封间隙略大于下气封间隙。更换支撑瓦块,强化检修质量,确保维修合格。

2)依据实测温度修正找正曲线,得到预期的对中效果。显然,由于保温情况不同,各烟机的轴承箱体温升将有很大差异。

烟机-风机热态对中必须在烟机运行后实测烟机各部温度,计算出烟机轴线热位移并修正找正曲线如图5所示。Y LⅡ13000A机组原设计给定烟机联轴器端修正值为0.65 mm,现场实测烟机轴承箱体前轴承端温度68℃,后轴承端(非驱动端)温度43℃,不难算出理想的找正对中修正值0.26 mm。

图5 烟机找正曲线

4 结 论

烟气轮机由于它的悬臂结构,以及富含粉尘的烟气介质,使得其轴振动更容易发生。通过对烟气轮机的振动原因分析,以及振动轴心轨迹及频谱图的分析,找出具有针对性的维修措施。同时,在实际工作过程中,也可以利用先进的状态检测系统,实现对转动设备故障苗头的早期检测和分析,更好地应用到预知维修体系中去。

烟机的长周期运行,是催化装置优质平稳运行的基础,是装置节能降耗的关键点。应该更加严格烟机的运行管理,精心操作,确保烟机的长周期平稳运行,为炼化企业节能降耗贡献力量。

[1] 兰州炼油机械厂.Y LⅡ13000A型烟机说明书,2004(资料)

[2] 石油化工设备维护检修规程[M].北京:中国石化出版社,1992

[3] 沈庆根.化工机器故障诊断技术[M].杭州:浙江大学出版社,1994

TE968

B

1004-9134(2010)02-0037-03

唐卫兵,男,1979年生,工程师,2002年7月毕业于西安石油大学(原西安石油学院),现为玉门炼油厂工程公司检修队队长。邮编: 735200

2009-12-29 编辑:梁保江)

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