CYR型蒸汽透平运行故障分析及处理

林万洲，刘海泉，黄斌，侯开红

(中国石油西南油气田分公司，四川 成都 610000)

某公司天然气净化厂尾气处理单元半贫砜胺液泵(以下简称半贫泵)将来自SCOT吸收塔的半贫砜胺液输送返回脱硫单元吸收塔。每列装置尾气单元设置2台半贫泵，“1开1备”，其中A泵采用电机驱动，B泵采用蒸汽透平驱动。该机泵体积流量为212 m3/h，扬程为800 m，电机额定功率为724 kW，蒸汽轮机额定功率为796 kW，转速为2 980 r/min。设计初衷为日常装置运行利用余热锅炉产生的4.0 MPa，360 ℃中压过热蒸汽驱动蒸汽透平带动B泵运行，A泵处于备用状态，对装置产生的废热充分利用，达到节能降耗的目的。当B泵异常停车时，泵出口半贫液总管上流量计监测到低流量，控制系统将自动启动A泵，减小给装置生产带来的波动影响。

1 蒸汽透平结构及故障现象

1.1 蒸汽透平结构

该公司尾气处理单元采用CYR型单级蒸汽透平，结构如图1所示。中压过热蒸汽经过透平的脱扣阀，调速器阀后，进入进汽侧腔室；依次高速流过一系列环形配置的喷嘴和动叶栅而膨胀作功，将蒸汽的热能转变为推动透平转子旋转的机械功[1]；最后，蒸汽进入透平排汽侧腔室，经出口汇入低压蒸汽管线。该透平两端各设置1套对开式径向滑动轴承(以下简称轴瓦)，润滑方式为双油环润滑。其中进汽侧还设置1套定位轴承(又称深沟球轴承)，对转子起轴向定位作用。两端还设置了4套碳环密封，防止蒸汽泄漏。另外，该透平还设有超速跳车系统、调速器系统、报警阀和附属监测仪表设施等。

1.2 故障描述

该单元在运行一段时间后，发现该透平出现以下故障现象：

1)无论是停运还是运行过程中，该透平两端汽封均存在严重泄漏，即便是在多次更换新碳环密封后，泄漏仍存在。

2)该透平启机过程中，常出现失速联锁停车，控制盘上2个速度传感器指示灯同时熄灭，检查入口中压过热蒸汽各参数均满足要求，且管道过滤器和蒸汽透平入口过滤网无堵塞，泵盘车灵活、无卡塞。

3)在该透平启动逐渐升速的过程中，当转速升至1 500～2 000 r/min时，常出现透平驱动端振动联锁，而此时透平非驱动端和泵的两端轴承振动值均正常。

2 故障分析和处理

由于以上原因，导致该蒸汽透平无法正常投用，装置余热锅炉产生的中压蒸汽大量放空，造成资源浪费；半贫泵仅能运行A泵，增加了电耗和企业运行成本。针对上述故障现象，分析故障原因并采取了处理措施。

2.1 汽封泄漏原因分析及处理

碳环密封是依靠阻塞和节流作用进行工作的自紧式接触型密封，为解决磨损后的补偿问题，碳环密封采用分瓣式结构，在碳环外圆周上，用弹簧箍紧，对轴颈表面进一步压紧贴合，建立密封状态[2]。

一般情况下，蒸汽透平汽封泄漏都归因于碳环密封的磨损、缺陷，或是主轴磨损导致的配合间隙增大。但通过检查，碳环密封、主轴配合面外观正常，并测定每组碳环密封于主轴的冷态径向间隙，间隙值为0.43～0.45 mm，满足标准值0.39～0.46 mm。即使更换碳环密封且间隙符合标准时，泄漏仍存在。

图1 CYR型蒸汽透平结构示意

通过与其他国产品牌蒸汽透平对比发现，其中埃利奥特蒸汽透平在后期使用维护中要求，蒸汽透平首次投用或是每次更换完碳环密封后，须进行2～3次的碳环磨合，否则将造成碳环磨合不当，导致蒸汽泄漏。经调取历史运转记录，该透平在检修后，未按要求磨合，因此出现泄漏。

经过2次碳环磨合处理措施后，第1，2两列半贫泵透平，汽封不再泄漏，设备运行平稳。通过几次的碳环磨合，总结经验如下： 碳环磨合仅需在DN20蒸汽旁通阀开度控制在50%时完成；透平在碳环磨合进行升降转速操作时，尽量只通过操作面板控制，不通过开关蒸汽旁通阀控制，否则易引起透平失速联锁；磨合前，需对透平充分暖机[3]，确保脱扣阀处温度达250 ℃，方能进行启机操作；磨合初期，会有少量凝结水从汽封处随主轴甩出，可通过微开3组排凝阀排出，一般转速升至2 000 r/min时，不再有凝结水甩出；磨合前，汽封处可能会有蒸汽泄漏，一般经过2次磨合后，泄漏将消失。

2.2 失速联锁原因分析及处理

该蒸汽透平配备的现场就地控制盘，可实现逻辑控制和回路控制两种控制功能[4]，显示屏能显示透平实时转速，在透平联锁后，转速和联锁代码将交替显示，便于用户及时了解联锁原因。联锁代码有以下几个：

1)外部停机(EXTERNAL)。包括： 透平振动、温度联锁，泵振动、出口流量和压力等联锁。

2)2个MPU信号丧失(NO SPEED)。位于透平非驱动端的2个转速探头信号丧失，以下简称失速联锁。

3)超速跳闸(OVERSPEED)。透平转速达到电子超速和机械超速而跳闸[5]。

4)面板上操作停机(FRONT PANEL)。按动面板上紧急停车按钮，关停透平。

5)通信停机(MODBUS)。通信故障。

失速联锁常发生在透平启机过程中，也有发生在正常运行时。通过对失速现象的判断，失速有真失速和假失速两种。真失速包括： 泵或透平卡塞、抱死，运行负载大；或是作为透平动力源的中压过热蒸汽参数不合格，供给存在问题等。假失速指透平实际转速正常，而因速度传感器探头或齿轮故障等问题导致控制盘认为透平掉速，触发联锁。

2.2.1 真失速

以3列透平为例，在2019年12月就曾出现失速联锁。经盘车检查，发现盘车不动，脱开联轴器，单独对泵、透平盘车检查，发现透平端能灵活转动，而泵端已抱死。通过对该泵拆卸检查，发现泵中间节流衬套与主轴摩擦抱死，经维修复位后恢复正常。

导致透平出现真失速联锁的另一原因是蒸汽供应存在问题。该单元1列蒸汽透平在正常停机例行维护保养后，重新启动，当转速达到该透平临界转速区间时，多次出现失速联锁。检查入口蒸汽管道上Y型过滤器和该透平入口滤网，均未发现堵塞，且蒸汽参数满足要求。通过对多次的失速联锁分析可知，每次联锁时，在释放杆电磁阀未动作的情况下，脱扣阀先动作关闭，蒸汽切断，之后控制盘显示失速联锁代码，该透平失速停机。而正常的联锁顺序应为联锁触发释放杆电磁阀动作敲击脱扣阀的手动跳闸杆，脱扣阀关闭，蒸汽切断，同时控制盘显示联锁代码，透平失速停机。原因为脱扣阀是在未接收到联锁信号的情况下脱落关闭，造成蒸汽被切断。脱扣阀结构如图2所示，观察脱扣阀上复位杆端部刀边，以及手动跳闸杆锁扣刀边，发现复位杆刀边已磨损呈圆弧型，锁扣刀边无磨损，两者正常应为90° 角，使得复位杆刀边与锁扣刀边的重叠宽度无法达到要求的3 mm，在闭合弹簧拉力的作用下，复位杆易从手动跳闸杆上滑落。加之当该透平转速升至临界转速时，会产生一定的共振使得复位杆更易滑落。通过旋转刀边180°，更换新配合面，使得两者重叠宽度要求值恢复到3 mm。重新启动透平，失速联锁消失恢复正常运行。

图2 脱扣阀结构示意

2.2.2 假失速

该透平速度传感器为磁电式位于非驱动端，共4个，用于监测主轴转速，速度传感器安装位置如图3所示。其中传感器C2-1位于正上方，信号接入就地转速显示器，不参与控制。传感器C2-2，C2-3，C22，其中的2个传感器探头信号接入现场调速控制器和中心控制室，“2oo2”联锁，另1个传感器备用。

图3 速度传感器安装位置示意

当该透平启动时，调速器面板上没有速度显示，但实际在运转，造成假失速，调速器在有限时间内无法获得传感器的速度值，触发联锁停车。此时，应从以下几个方面进行检查：

1)检查速度传感器的连接线是否牢固可靠，确保信号通道良好。

2)拆检速度传感器安装是否到位。该透平使用的磁电式速度传感器探头与被测齿轮齿间隙要求为1 mm，其输出电压会受以下因素影响： 电压随着被测磁性材料表面速度的增加而增加；当传感器与齿轮齿面之间的气隙增大时，电压减小；电压波形是由齿轮齿的尺寸、形状，传感器探头杆件的尺寸、形状所决定的。

3)清洁磁电式速度传感器探头、被测齿轮上的污垢，确保检测面的清洁。

4)当检查发现磁电式速度传感器探头的磁性较弱时，则需更换新的探头。

5)测量速度传感器是否有交流电压值输出，有输出说明传感器工作正常。

2.3 振动联锁

透平振动联锁发生在启动过程中，当转速升至临界转速区间时，该透平驱动端振动值超标，触发联锁。该透平使用电涡流振动探头，电涡流传感器测量被测物体(须为金属导体)与探头端面的相对位置[7]，即轴位移量。振动探头共4个，驱动端和非驱动各2个，互成90°安装，用于测定轴位移量，报警值为64 μm，联锁值为100 μm，“2oo2”联锁，即某一端2个振动探头同时测得振动值超出100 μm时联锁。

2.3.1 振动监测系统

振动监测系统由探头、前置器、延伸电缆、变送器组成，为排除振动监测系统误报引起联锁的可能，需对振动监测系统做以下检查和调整：

1)调整振动探头与轴表面的间距。电涡流振动探头与被测金属导体的间距线性范围为0.25～1.75 mm，对应直流电压约为-13～-1 V，实际应用中间距一般控制为1 mm,通过微调传感器使直流电压为-10～-9.5 V。

2)检测传感器的直流阻抗值。可以通过查询供应商提供的数据参数表来判断不同长度传感器的好坏。

2.3.2 机械检查

由于振动值偏高发生在透平驱动端，需首先检查泵和透平的对中情况。经测量，冷态下透平端联轴器低0.10 mm，暖机后热态下透平端热膨胀，复测对中数据，偏差在0.07 mm以内，符合标准。若对中不佳，泵驱动端振动值将偏高，而实际振动值小于2.0 mm/s，这进一步说明透平驱动端振动高并非对中引起；排查透平转子动平衡测试记录，测试结果合格，所以由转子不平衡引起振动值偏高的可能性较小。

根据分析以上现象，认为驱动端轴瓦故障的可能性较大。经拆卸检查，发现上轴瓦、下轴瓦瓦面磨损均匀，未发现明显缺陷或烧瓦的痕迹。测定轴颈直径74.46 mm，略小于标准值74.47～74.48 mm，即轴颈有0.01 mm的磨损，因此轴瓦间隙的偏大非轴颈磨损引起。

按照该透平供应商的要求，透平上轴瓦压盖对轴瓦挤压量标准值为0.040～0.066 mm。通过以下方法测定轴瓦挤压量[8]： 在上轴瓦背面放置铅丝，轴承座与轴瓦压盖间放置0.40 mm的刚性垫片，回装轴瓦压盖并拧紧螺栓。拆除轴瓦压盖，取下铅丝测量厚度为0.35 mm，可得轴瓦挤压量0.05 mm，符合标准。

排除轴颈磨损和轴瓦挤压量两个可能导致轴瓦间隙偏大的因素后，基本断定是由轴瓦磨损造成间隙超标，因此需更换新轴瓦。正常启动，当转速升至临界转速区间时，驱动端振动值最高为50 μm，未达到联锁值100 μm，透平成功启动。

2.3.3 振动分析

转动系统中转子各段的质心不可能严格处于回转轴上。因此，所有的轴或转子即使在无载荷作用的情况下，旋转时会出现横向干扰，产生弯曲变形。

按供应商关于CYR型蒸汽透平说明，设备出厂时临界转速区间为1 500～1 800 r/min，而通过实测透平的临界转速区间为1 500～2 000 r/min， 转速为1 800～1 900 r/min 时，振动达到最高，超过100 μm。实际调试中，在使用间隙超标的轴瓦时，为观察透平启动过程中的振动变化趋势，防止因振动联锁，将驱动端振动探头C和D联锁功能暂时屏蔽，但仍能观察和记录到实时振动值。如图4所示，当转速上升通过临界转速区间后，超过2 000 r/min时，振动值出现陡降，转速继续上升，振动值继续下降，当转速达额定转速2 980 r/min时，振动值降至20～23 μm，符合过临界转速的振动特征。这说明该型号蒸汽透平出厂时所给的临界转速区间在长期运行后存在一定偏离，当装配间隙超标的轴瓦启运，通过临界转速区间时，共振效应会被显著放大，所以当一端的2个振动探头测得振动值均超过100 μm时，将触发振动联锁。

图4 透平启运时驱动端振动趋势示意

3 结束语

从现场对CYR型蒸汽透平的调试和检修来看，良好的碳环磨合对汽封的正常使用至关重要；失速联锁需重点检查泵和透平的盘车情况，速关阀复位杆和手动跳闸杆刀边有无磨损，速度传感器是否正常；振动联锁需检测振动监测系统是否正常，核实联轴器对中和轴瓦安装数据，测量轴瓦和轴的磨损。采取以上措施后，蒸汽透平未再发生同类型故障，保障了设备的稳定运行。单台蒸汽透平的投用，每年可节约电耗5.21×106(kW·h)，节约电费约人民币323万余元，节能降耗的同时，经济效益显著。