催化裂化装置烟气轮机运维策略研究

刘 江，张天元

（中国石油四川石化公司，成都彭州 611930）

1 引言

流化催化裂化装置（FCCM）能耗约占炼油总能耗的40%，而烟气轮机（简称烟机）可回收热再生烟气中全部压力能和大约25%的热能；据统计，截止2008年，全国炼油厂FCCM都建立了烟气轮机动力回收系统，其在役的FCC烟气轮机已近160台，为节能减排做出了巨大贡献，产生了巨大的经济效益[1]。因此，烟气轮机作为催化装置能量回收系统的核心动力设备，其安全平稳运行对装置高效生产至关重要。

从美国1963年第一台单级悬臂烟气轮机研制应用，到1978年我国第一台YL型烟气轮机自行研制问世，烟气轮机技术至今已经历了50多年的发展完善，但制约机组长周期运行的技术难题并未得到根治。据统计，2003年中国石化集团公司催化裂化能量回收机组总计发生了51次停机故障，其中8次是转子动平衡破坏，占总故障停机次数的15.6%，由于修复和更换叶片、转子时间较长，占总停机时间的38.2%[2]。2005年前后，中石油内部20余家炼厂的催化装置烟机相继发生结垢问题，为此中石油炼油与销售分公司组织对11家企业进行专题调研，多次召开专门研讨分析会，并制发了《防止烟气轮机结垢指导意见》 和《烟气轮机长周期运行管理技术导则》。

为进一步科学应对油膜涡动、流道结垢、动静摩擦、叶片断裂等制约机组长周期运行的技术难题，笔者对国内多家大型石化企业烟机运行情况进行了调查研究，结合机组运行规律提出了“在役消缺”和“解体检修”两种运维策略的判定方法，望对烟机运维起到一定的参考作用。

2 在役消缺判定方法及实践研究

“在役消缺”是指在不停机的条件下，采取一些有针对性的方法来消除或削弱烟气轮机存在的异常振动，使其恢复至受控状态。在烟气轮机运维实践中，若出现以下故障可采取“在役消缺”来进行处理。

2.1 油膜涡动判定方法及消缺实践

油膜涡动发生在滑动轴承的旋转设备中，当载荷不变、油膜稳定时，轴颈上的载荷与油膜压力保持平衡，机组运行稳定；若外界给转轴扰动力，会使轴心位置产生位移，此时油膜压力不再与载荷平衡，在两者合力作用下，将推动轴颈沿着转动方向周向涡动，其涡动速度约为角速度的一半，称为油膜涡动（半速涡动）。油膜涡动产生后，其频率也随转速升高而升高，振幅也不断增大。若转速继续升高至一阶临界转速的2倍时，其涡动频率与一阶临界转速相同，振动突然骤增发生共振，若转速继续提高，则涡动频率始终保持不变，等于转子的一阶临界转速，这种现象称为油膜振荡[3]。

目前，国内催化裂化装置烟气轮机转子大都为刚性转子，其工作转速一般都低于一阶横向临界转速，国家化工行业标准《烟气轮机技术条件HG/T3650-2012》还明确规定了“刚性转子的横向临界转速应大于最高连续转速20%”。因此，国内烟气轮机不具备发生油膜振荡的条件，仅存在油膜涡动风险。其主要特征：（1）多在开机过程中出现；（2）振幅突然增加，产生强烈振动；（3）振动频谱中出现低于0.5倍频分量；（4）适当调整润滑油参数，异常振动能随即消除或缓解。

消缺实例一[4]：沧州石化YLⅡ-12000B型烟气轮机，工作转速5800 r/min（一阶临界转速8015 r/min）。在开机过程中，随着转速升高，烟机振动幅值逐渐增大，入口蝶阀开度为30%，润滑油冷却温度为34 ℃，烟机前后轴承振动分别为50 μm、90 μm，后轴承振动频谱中0.4倍频较大；烟机入口蝶阀开至64%，逐渐调整润滑油冷却温度至50 ℃，前后轴承振动显著下降为28 μm、68 μm；若遇到天气温度突降时，振动会出现大幅上涨，综合判定为油膜涡动。消缺措施：调整冷却水量，控制润滑油冷却温度，烟机振动迅速恢复正常。

消缺实例二[5]：苏丹喀土穆炼油厂YLⅡ-18000B型烟气轮机，工作转速5325 r/min。2003年大检修后开机，烟机在暖机和低速运行时工作正常，当转速升至2000 r/min左右时，振动突然大幅增加，升至2100 r/min时振动已达到90 μm，工频分量（35 Hz）幅值约为13 μm，而0.486倍频（17 Hz）却达89 μm，初步判定为油膜涡动。消缺措施：适当调整油压、油温后，振动明显回落，17 Hz分量幅值降至3 μm，总振幅仅为15 μm，设备状态恢复正常。

消缺实例三[6]：齐鲁石化公司胜利炼油厂YLⅡ-8000I型烟气轮机，工作转速5840 r/min（一阶临界转速8089 r/min）。2015年7月12日检修开机后，烟机振动值虽然较高，相对平稳，以1倍频为主。自7月30日起，烟机振动XI1801A由31 μm升至67 μm，XI1801B由43 μm升至89 μm，以0.5倍频分量变化为主且超过1倍频，其它分量变化不大，相位稳定；期间，烟机轴承座北侧水平振动烈度由8.0 mm/s逐渐升至11.5 mm/s，南侧水平振动烈度由8.0 mm/s逐渐升至10.4 mm/s，两侧垂直振动也在0.8 mm/s和4.1 mm/s区间波动，综合判定为油膜涡动。消缺措施：烟机振动XI1801A/B随润滑油冷后温度TI1818变化明显，润滑油冷后温度上升则烟机振动下降，润滑油冷后温度下降则烟机振动上升。

2.2 叶轮结垢判定方法及消缺实践

在烟机运行过程中，由于烟气催化剂浓度高、烟气湿度大、非计划停工跑剂等因素的综合影响，部分催化剂会在烟机转子表面附着和堆积，并经高温烧结成垢，垢物不均匀性附着或垢片局部脱落均会使转子动平衡精度降低，导致烟机振动上升。其主要特征：（1）振动一般随时间逐渐增大，有时会因垢物脱落而伴随波动性，甚至出现振动减小；（2）1倍频振幅主导，其振值、相位会发生同步变化；（3）有时会因装置非计划停工，机组再次开机出现振动增大或减小现象；（4）如烟机缸体内无异响，可通过在线除垢技术消除或缓解异常振动。

在线除垢技术是利用催化剂沉积物和烟气轮机金属热膨胀系数的不同，通过控制烟机内部温度的升降，使沉积物分层、脱落，改变转子上沉积物的质量分布及偏心状况，来改善转子振动情况。按照温升、温降的顺序不同，一般分为“先降后升”和“先升后降”两种实施方案。“先降后升”方案[7-9]的大体步骤如下：（1）按照一定速率降温，缓慢关闭烟机入口蝶阀（若蝶阀内漏，可关闭入口闸阀），机组改电机拖动或仅关闭部分烟机入口蝶阀开度；（2）待烟机入口和轮盘温度降低至一定值后，调整轮盘冷却蒸汽参数进行吹扫，观察振动情况；（3）待振动不变后，缓慢打开入口蝶阀，按照一定速率升温，观察振动情况；（4）若效果不佳，反复进行数次。“先升后降”方案[10]的大体步骤如下：（1）将轮盘冷却蒸汽流量调到最小，同时关小烟机入口蝶阀，利用风车效应使烟机内部温度升高，观察振动情况；（2）待升高至一定温度后，再打开冷却蒸汽并调整至正常控制范围，冷却烟机转子，观察振动情况；（3）若效果不佳，反复进行数次。

消缺实例一[7]：YLⅡ-12000C型烟气轮机，2011年6月17日装置停工大修后投用，运行比较稳定，XII001-XII004振动分别为30/17/27/43 μm。8月11日后烟机振动开始缓慢上升，期间振动有一定波动；9月6日XII001-XII004最大振值分别为88/39/48/95 μm。消缺措施：2011年9月7日实施在线除垢后，XII004降低并稳定至45 μm。

消缺实例二[8]：YL-4000型烟气轮机，2014年4月11日7时许前后轴振同时升高，前端VISA1821B由11.5 μm升至36 μm，后端VISA1822A由55 μm升至78 μm，VISA1822B由68 μm升至100 μm，同时烟机轴承箱振动烈度由正常的6 mm/s升至24 mm/s。消缺措施：4月11日10：40实施在线除垢后，前端VISA1821 A/B降低至11～13 μm，后端VISA1822A/B降低至57～81 μm，轴承箱振动烈度降低至3.1～5.3 mm/s。

消缺实例三[9]：YL-8000D型烟气轮机，2004年3月大修投运以来，振动较为平稳，前瓦轴振13～18 μm，后瓦轴振50～60 μm。2005年2月开始，烟机振动逐步增大，经多次调节轮盘冷却蒸汽量，振值虽短期有所下降，但不久又开始上涨；至2005年12月，烟机振动上升速度和波动幅度均明显增大，后瓦轴振已经上升到103 μm，超过报警值100 μm。消缺措施：实施在线除垢后，振动降低至大修后开车初期水平，前端振动约为20 μm，后端振动约60 μm。

消缺实例四[10]：E232双级烟气轮机，2003年10月28日后瓦轴振突然上升，后端水平/垂直振值达112/80 μm，前端水平/垂直振值36/35 μm。消缺措施：2003年11月11日实施在线除垢后，后端水平/垂直振动降低至27/41 μm，前端水平/垂直振动降低至30/31 μm。

3 解体检修判定方法及实践研究

“解体检修”是因振动突变并伴随烟机缸体内部出现异常声响，或因振动超标无法开机运行，或实施“在役消缺”后无效，已影响机组长周期运行，为消除故障而采取的停机解体检查维修。在烟气轮机运维实践中，若出现以下故障需考虑采取“解体检修”来进行处理。

3.1 动静摩擦判定方法及消缺实践

摩擦常根据接触方向不同，分为径向摩擦和轴向摩擦；其中，径向摩擦又进一步分为局部碰磨和全周摩擦。本文根据实际检修情况，按照烟机故障特征形态，将动静摩擦分为三类：第一类为“硬碰软”摩擦，即转子与密封等静部件发生接触摩擦；第二类为“软磨硬”摩擦，即坚硬的垢物与转子发生动静摩擦；第三类为“硬碰硬”摩擦，即金属异物进入或叶片断裂导致与转子发生动静接触摩擦。

3.1.1 “硬碰软”摩擦判定方法及消缺实践

“硬碰软”摩擦其主要特征：（1）一般在机组大修后开机升速过程中，或开机投运后不久的一段时间；（2）振值呈逐渐增大，增长的快慢取决于摩擦的严重程度，同时可能伴随波动性；（3）振动频谱中可能会出现“反进动”“削波”“高频”等典型特征；（4）若升速或运行时出现该现象，且导致多次开机失败，需停机检修；（5）轴封处为常失效部位。

检修实例一[11]：YLⅠ-2000B型烟气轮机，2006年10月改造后投用，升负荷时振动上升，10月17日0时机组振动突然升高联锁停机，前瓦轴振最高118 μm，后瓦轴振168 μm，仅运行了3天。解体检修，发现烟机上气封严重磨损，最大磨损达1 mm，转子与气封配合部位也存在轻微磨损，前瓦轻微磨损，后瓦及推力瓦基本无损伤。

检修实例二[12]：YL-14000A型烟气轮机，2002年6月27大修后投用，入口蝶阀开度25°，7月2日开大至43.2°，电机功率由12.8 MW 下降至4.98 MW。7月3日烟机振值逐渐升高，最大达80 μm以上，且呈上升趋势。为保护烟机，将人口蝶阀关至20.9°，但烟机入口管线振动仍较大。7月21日解体检修，发现汽封上部磨损，汽封片与转子粘在一起，并将轮盘螺栓外侧突出部分全部磨掉，部分轮盘螺栓也被磨损。

检修实例三[13]：YLⅡ-12000B型烟气轮机，后瓦轴振从70 μm急剧上升至90 μm，同时前瓦轴振接近80 μm，被迫停机。解体检修，发现转子轮盘轴颈与气封环产生严重动静碰摩，轮盘轴颈产生1 mm的沟槽，一、二级气封环严重变形，气封环一侧梳齿密封片全部磨掉。

3.1.2 “软磨硬”摩擦判定方法及消缺实践

“软磨硬”摩擦是由于催化剂在动静间隙内沉积结垢，并因长期碰撞、挤压、高温而逐渐板结硬化，最终与转子部件发生摩擦磨损。其主要特征：（1）一般在机组投运很长一段时间后才会出现，或因非计划停机，重启烟机后出现；（2）振值呈逐渐增大，变化的快慢取决于摩擦的严重程度，同时可能伴随波动性；（3）振动频谱中可能会出现“反进动”“削波”“高频”等典型特征；（4）若导致机组无法长周期运行，需停机检修；（5）级间气封与轮盘密封部位、动叶片顶部常出现垢物磨损，动叶根部门常有冲蚀状。

检修实例一[14]：YLⅡ-6000A型烟气轮机，2008年3月1日振动开始上升，前瓦轴振XISA701-1由14.4 μm急剧上升至47.1 μm，XISA701-2 由15.5 μm上升至36.7 μm，后瓦轴振XISA701-3 由23.4 μm急剧上升至27.6 μm，XISA701-4由24.6 μm急剧上升至38.1 μm，烟机轴承箱振动烈度从2月29日3 mm/s上升至最大11 mm/s（厂家提供的停机值7 mm/s），而被迫停机。3月7日解体检修，发现动静叶片、围带上有很多坚硬垢物，一级、二级气封环严重变形，气封环一侧梳齿密封片磨损；转子轮盘轴颈与气封环处磨损严重，轮盘轴颈磨出沟痕；前轴承一支下瓦块存在裂纹，后轴承两支上瓦块有不同程度磨损。

检修实例二[15]：YLⅡ-8000D型烟气轮机，2002年3月检修后投用，开始阶段主风量为1470 m3/min，烟机前端XI701振动为20 μm，XI702为55 μm，此状态持续运行10天。因工艺需要调节主风量，烟机振动X1701突然升至50 μm，X1702升至100 μm。4月2日，烟机振动突然增大，XI701升至100 μm，X1702升至125 μm，烟机前端以0.5倍频为主并接近工频幅值。解体检修，发现转子一、二级轮盘之间有大量的催化剂结块，一、二级轮盘轮缘上各有两道静叶气封磨痕，转子其它部位未变化。

检修实例三[16]：TP8-70型烟气轮机，1996年10月投用后一直运行平稳，维持在30 μm以下，但在2005～2006年烟机反复出现振动增大并在短时间内上升至80 μm，之后略有下降但又开始上升。解体检查，发现两级静叶片在外圆处有大小基本均匀的硬垢，一级动叶片上没有结垢，动叶片与围带之间积满了垢物碎片，叶片顶部有摩擦产生的凹痕；二级动叶片叶根背面有与叶片形状吻合的硬垢，根部正面则有明显冲刷痕迹。

检修实例四[17]：YLⅡ-8000C型烟气轮机，已连续运行近3年，2003年7月因晃电装置停工，烟机重启升速过程中，北面轴承振值达到94 μm，判断转子平衡破坏。解体检修，发现烟机叶片表面结垢严重，特别是在二级静叶衬环内壁，均结有3～4 mm坚硬的烟垢；烟机动静叶都受到了不同程度冲刷，尤其是在一、二级轮盘榫槽处冲刷得最严重，深度达4～5 mm，呈圆弧状。

3.2 叶片断裂判定方法及消缺实践

动叶片断裂不仅会导致转子动平衡精度降低，若其断裂物或金属异物进入甚至可能产生“硬碰硬”摩擦。该类故障对设备损坏程度大、修复难度高，其主要特征：（4）振值变化有突发性，而后可能伴随波动增长；（2）烟机缸体内部常伴有异常；（3）1倍频振动及相位会发生同步突变，若出现摩擦可能会出现“反进动”“削波”“高频”等典型特征；（4）一旦发生，需立即停机检修。

检修实例一[18]：YLⅡ-24000A型烟气轮机，2008年5月21日开车，其前瓦轴振XC11511-4分别为36/27/33/34 μm左右。随后运行中，前瓦轴振变化不大，而后瓦轴振逐渐加剧，6月3日开始烟机后瓦轴振XC11513、XC11514趋势呈锯齿形，在40～70 μm波动。经冷却蒸汽量调整，烟机振动达到新的稳态，但一段时间后，振动又开始波动，且幅值持续攀升，XC11514攀升到110 μm停机。解体检修，发现4根拉杆螺栓中有1根拉杆螺栓顶部螺帽丢失。

检修实例二[19]：YLⅡ-29000B型烟气轮机，2012年11月29日投用，运行平稳，烟机振动27～46 μm。2015年4月9日8：30，机组振动剧烈，波形峰峰值瞬间从±20 μm左右上升至±200 μm左右，超仪表量程，通过监控视频发现烟机内机壳密封处冒烟，立即停机。解体检修，发现动叶片断裂，前端轴瓦顶部蹭亮，后端轴瓦局部龟裂。

检修实例三[20]：YLⅡ-7000A型烟气轮机，2003年的7月19日改造后投用，运行平稳。2004年4月21日21：10烟机突发异常声音并伴剧烈振动，机组轴位移高报联锁停车。4月22日解体检查，发现一级静叶有3片叶片被打掉，其余34片均有损伤。1支一级动叶片从榫头第3个宽齿处断掉，9支一级动叶片弯曲、损伤严重，其余动叶片均有不同程度损伤。

4 结语

本文从烟气轮机的运维实际需求出发，提出的“在役消缺”和“解体检修”的维修策略得到了笔者实践证明，在指导工艺生产和机组长周期运行具有较强实践意义。