3K 氯气透平机故障诊断与分析

马 斌，冯 斌，刘占山，任明艳，庞智强，杨顺莹

（新疆中泰化学（集团）股份有限公司，新疆 乌鲁木齐 830019）

德国3K 氯气透平机是一种精密的离心式压缩机，机组设置了温度、振动、位移、压力、压差、电流、氯气湿度、水中含氯等多个控制参数，旨在提高机组运行的安全性。当机组运行过程中出现故障时，相应的控制参数也会发生偏离，影响装置的稳定运行。新疆华泰重化工先后于2007 年、2010 年装备了3 台3K 氯气透平机，最早的设备至今已连续运行15 年，下面将机组运行期间的故障诊断分析和处理方法进行阐述和讨论。

1 3K 氯气透平机的主要结构及工艺流程

3K 氯气透平机主要构成包括级间冷却器、后冷却器、压缩机主机、涡轮行星齿轮增速器、驱动电机、基础框架、 油润滑系统、 密封气系统以及测量仪表等。VRZ250/430-12G 型氯气透平机是二级离心式压缩机，1 根高速旋转轴上装有2 个叶轮，与缸盖形成2 个压缩室。 系统运转时，高压电机驱动增速器，增速器将电机的1 500 r/min 低转速增至10 000 r/min高转速输出，并通过联轴器与压缩机的旋转轴相连，从而带动固定在压缩机轴上的2 个叶轮高速旋转。在2 个压缩室内，叶轮高速旋转提高了氯气的压力，同时透平机各级压缩室出口的高温氯气都要进入各级汽提冷却器进行冷却。经两级压缩后，达到设定压力的氯气被输送到氯气用户装置。 透平机组的油站分别向压缩机前后轴瓦和增速器内部星星齿轮供给润滑油。 透平机结构示意图见图1。

图1 透平机机组结构示意图

2 3K 氯气透平机运行时故障诊断和分析

2.1 透平机进口氯气湿度超标

透平机进口氯气湿度要求<200×10-6， 高报值240×10-6，联锁值 480×10-6，日常运行过程中氯气湿度值会出现波动上涨的情况。 在初始波动的时候，先要排除湿度检测仪失真的问题，具体可解除湿度联锁，由仪表工程师将氯气湿度探头拆出来，采用丙酮清洗探头，清洗干净后，使用5%五氧化二磷试剂进行标定，复位后湿度自检正常，表明隐患已排除。 如果仍然存在数值高的情况，需要对氯气干燥工序使用的浓硫酸干燥机浓度进行检测分析，必要时提升硫酸循环量，确保一次干燥的循环硫酸浓度达到75%以上，确保二次干燥的循环硫酸浓度达到97%以上。 最后需要注意的是，在装置负荷不变的情况下， 通过提升硫酸加入量控制了氯气湿度，后续需要分析硫酸消耗是否上升，如果存在上升等情况，需要在装置机组停车时对氯气水雾捕集器滤芯进行检查，氯气水雾捕集器滤芯种类有玻璃钢骨架和钛骨架， 早期装置安装的大多为玻璃钢骨架滤芯，长期运行玻璃钢骨架会出现老化，滤棉会发生破损脱落，可采取更换滤芯的方式对氯气水雾捕集器进行修复。

2.2 透平机冷却器泄漏

氯气透平机级间和机后安装有氯气冷却器，冷却器出口冷却水要求不能含游离氯，日常运行过程中查看水中含氯ORP 分析仪数据曲线， 发现ORP分析仪数据有持续上涨趋势时，要考虑冷却器列管泄漏故障，此时要立即在冷却水取样口取样检测冷却水内是否含有氯，如果明显含有氯，则可确定冷却器换热管泄漏。 虽然3K 氯气透平机冷却器大多采用无压回水工艺，但发现冷却器泄漏必须立即停机处理，因为冷却器换热管少量泄漏时冷却水一般不会进入气相系统，冷却器换热管从少量泄漏发展到大量泄漏的时间都比较短， 当泄漏量较大时，冷却水会与氯气一起由气相管路进入透平机机壳内腐蚀转子，造成设备事故。确定冷却器泄漏后，可采取更换冷却器的方法消除故障。在日常运行中应注重冷却器的维护保养，如在装置停车检修时对冷却器列管进行定检清洗，冷却器列管做重防腐处理等措施来延长冷却器的运行周期，提高机组运行的稳定性。

2.3 透平机供油压力低

3K 氯气透平机供油压力是非常重要的一个参数， 供油压力直接关系到透平机主机和增速器运行安全，供油压力低可能的原因有：（1）主油路压力调节阀开度过大， 此问题可以将油站出口供油总压力与进主机供油压力对比确定， 并采取关小调节阀开度的方法解决。 （2）油过滤器滤芯堵塞，此问题可以根据双油过滤器压差色盘进行确定， 色盘正常为蓝色，当红色超过1/2 即可确定油过滤器滤芯堵塞，3K氯气透平机设置有双油过滤器， 当发生油过滤器滤芯堵塞时，可以采取切换油过滤器，更换滤芯的方法解决。需要注意的是，油过滤器滤芯更换后需要对检修后的过滤器实施充油排气操作， 避免后续油过滤器在切换时油路中有气泡，出现供油不连续的隐患。（3）油冷却器泄漏，具体确定方法可以通过检查冷却水中是否含有润滑油、油站液位是否有降低来确定，3K 进口氯气透平机设置有双油冷却器，油冷却器泄漏解决措施可以采取切换冷却器， 对泄漏的冷却器换热管进行消漏， 紧急情况在油冷却器换热管泄漏根数较少的情况下可以采取对泄漏的换热管采用铜堵头盲堵的方式暂时修复管束， 后期再整体更换新管束。 （4）油站内部油泵进口管口过滤器堵塞、止回阀卡顿，此问题需要停机对过滤器清理，对止回阀阀杆进行研磨修复。（5）主油泵磨损，3K 氯气透平机主油泵采用螺杆泵，发生磨损的概率相对较低，对前面的问题排查确定后再考虑油泵的问题， 确定后需要停机拆检修复主油泵。

2.4 透平机供油温度高

3K 氯气透平机供油温度也是非常重要的一个参数，供油温度正常值一般45 ℃以下，高于55 ℃报警，油温过高会造成机组油路结焦，供油温度高的原因通常有：（1）冷却水供水压力不足或冷却水水温过高， 通过检测或查阅冷却水进水温度曲线以及供水压力趋势进行对比，可判断出水温和水压问题，确定后可以采取提高冷却水压力、 降低冷却水温度的措施解决。 （2）油冷却器管程堵塞，此问题会造成冷却水循环量小， 较少的冷却水对润滑油进行冷却会出现油冷却器冷却水进出口温差大，3K 氯气透平机通畅设置有双油冷却器， 此问题需要对切换油冷却器进行切换，疏通清洗堵塞的管路。 （3）油路温控阀失效， 此问题可以通过实际测量油冷却器冷却水进出口管路温差确定，发生这种情况时冷却水温差小，润滑油不经过油冷却器大量走旁路， 通过提高油冷却水供水压力或降低冷却水温度对降低油温作用不明显，有效措施是采取停机更换温控阀阀芯，修复温控阀的方法解决。 （4）轴瓦磨损，轴瓦磨损造成径向轴瓦和轴径之间、推力瓦和推力盘之间间隙过大、过小不能形成油膜，磨损发热。这种情况通常伴随有轴振动、位移异常，一般只能采取停机修复轴瓦的方法彻底解决。

2.5 透平机氮氯压差低或高

3K 氯气透平机轴端安装有三腔迷宫密封，同时以一定压力氮气密封氯气保证15~35 kPa 的压差实现氯气不外溢。 氮氯压差过大氮气可能进入氯气系统，影响氯气纯度，压差过小则会发生氯气外溢。 根据运行经验总结，氮氯压差低的原因有：（1）系统氮气压力低， 此问题可以调取氮气压力数值曲线进行确定，通过提高系统氮气压力的方式排除。 （2）透平机轴端三腔迷宫密封磨损， 此问题造成氮气与氯气不能形成有效的密封，一起进入尾氯系统，通常的外在表现有尾氯系统次钠吸收负荷增加， 此问题短时间可采取提高氮气压力的方式维持运行， 后期必须停机修复密封。 （3）氮气管路气动阀故障，开度不足或阀芯堵塞。 此问题的排查确定可以通过观察氮气总管压力趋势， 通过调节气动调节阀阀位观察氮氯压差的变化的方法进行，通过氮气走旁路，对主路气动阀拆检，检查气动阀气缸膜片、阀芯等排除故障。压差过高的原因可对照过低的原因对比分析排除。

2.6 透平机IGV 进口先导阀不能调节

3K 氯气透平机在日常运行时，如果长期处于一种稳定工况，IGV 进口先导阀长期不动作有可能发生传动齿圈与先导阀外圆轮毂锈蚀卡涩， 再次调节时可能出现气动阀阀杆在气缸的强制动作下将阀杆头部与IGV 齿圈相连的传动销剪断，IGV 先导阀动作失效无法调节。 此问题发生后操作人员会发现日常运行时给定IGV 阀位，透平机进口压力不发生变化，在初始开车时透平机进口负压大，启动电流高。根据拆检经验，IGV 进口导向叶轮发生卡涩的主要原因是IGV 齿圈与轮毂初始配合间隙过小，发生锈蚀或轻微形变时动作不灵活。 由于IGV 先导阀的拆检需要将透平机主机的大盖拆开、 将转子整体吊出后才可实施， 所以前期可以考虑变更操作的方式运行机组， 启机时提升进口充氮压力至20 kPa 以上，正常运行时通过回流控制进口压力-5~+5 kPa。在具备条件时对透平机进行拆检，拆下IGV 先导阀对齿圈进行研磨修复，确保动作灵活，IGV 先导阀连接传动示意图见图2。

图2 IGV先导阀连接传动示意图

2.7 透平机轴振动、位移异常

3K 氯气透平机轴振动值对应着径向轴瓦运行状态、轴位移值对应着推力瓦运行状态，参数发生异常时，观察数据变化趋势，采用离线振动检测仪检测对比，同时结合对应点轴瓦温度确定是轴瓦问题、传感器问题、机组找正对中问题还是转子动平衡问题。（1）传感器问题一般有探头松动、线路接触不良，同时由于透平机所处环境为涉氯环境， 还存在传感器接线端子腐蚀老化。 排除方法主要是停机更换传感器探头、对线路进行检测重新接线，紧固更换接线端子。 （2）轴瓦问题主要是推力瓦或径向瓦磨损，透平机轴瓦正常运行时磨损量非常小， 数年内几乎检测不出磨损量，但是当出现磨损后，将是一个急剧恶化的过程，两年内轴瓦与轴径配合间隙不断增大，轴振动、轴位移、轴瓦温度在大趋势上呈现不断抬升的过程，只能停机更换轴瓦。（3）机组对中找正问题。透平机组的对中找正就是主机与增速器、 增速器与驱动电机转子达到统一轴线的调整过程。 校准顺序通常是主机与增速器对中、增速器与驱动电机对中。由于主机转子的转速为10 000 r/min 以上， 机组的对中找正要求非常高， 通常可以采用百分表测量校准对中度或采用红外对中仪测量校准对中度。（4）透平机主机转子动平衡失衡。 透平机工作时， 转子高速运转。当转子运行存在初期不平衡离心力时，会引起转子的振动造成轴振动异常。 发生转子动平衡失衡的主要原因是转子流道或叶片部位结酸泥， 透平机在运行过程中，转子不平衡量偏差较小时，振动值在规定范围内不影响机组的正常工作， 但当转子运行的不平衡力增大到一定值后， 转子将产生较大的横向振动，引起轴位移异常，这不仅会影响机组的正常工作，还会引发一系列严重后果。 当排除透平机组对中问题、仪表传感器问题、轴瓦问题，确定是转子问题引起的轴振动轴位移异常时， 需要及时停机对转子检查清理， 对透平机进口滤网及氯气干燥工序的酸雾捕集器滤芯进行检查[1]。

2.8 透平电机温度异常

3K 氯气透平机通常配套同步转速1 500 r/min高压电机，电机日常需要监测驱动端轴承温度，非驱动端轴承温度、 线圈温度。 正常运转时轴承温度在45~75 ℃，线圈温度根据环境温度不同在70~100 ℃。电机温度高的原因主要有：（1）传感器故障，也就是电机轴或线圈实际温度不高， 但是由于传感器探头损坏、线路破损引起显示值过高，超过设定联锁值造成透平机停机，装置停车。在透平机运行过程中曾遇到传感器故障引起的装置停车， 通过对传感器拆检发现传感器探头腐蚀， 分析原因是由于透平机处涉氯环境，长时间运行探头被氯气腐蚀老化。避免传感器故障造成主机停机问题可以在装置停车大检修时对电机轴承及绕组上的探头进行检查更换。 （2）轴承润滑不良或润滑脂加注过量。3K 氯气透平机电机轴承温度设置有高温联锁一般为110 ℃，根据电机使用维护要求需要大约2 个月对前后端轴承补加45~90 g润滑脂， 运行初期运维人员在对电机轴承补加润滑脂时，电机轴承温度会出现上涨的情况，考虑到温度联锁问题，润滑脂注入量往往达不到要求量，久而久之电机轴承出现欠润滑状态， 运行时出现温度升高的问题。根据运行经验，在运行过程中可以采取暂时解除轴承温度高联锁值、保留高报警值，特护状态下对电机前后端轴承加注润滑脂， 确保加注量达到45~90 g，加注完毕，观察72 h，温度趋于正常保持稳定后恢复联锁。 如果润滑脂加注后电机轴承持续高温，需要及时清理排油孔的堵塞的废油，同时现场可架设轴流风机强制降温。 （3）电机轴承磨损，电机轴承磨损后也会引起轴承温度高的问题， 轴承磨损通常伴随有电机运转声音异常，振动值上升，需要停机对电机检修更换轴承。

3 结语

3K 氯气透平机前期运行过程中在工况稳定的情况下性能是比较稳定的， 一般不易出现机械或电气仪表方面故障， 前期运行过程中应关注好透平机机前氯气水雾捕集器、 酸雾捕集器以及透平机级间冷却器运行状况， 避免氯气将水分带入主机造成转子和密封腐蚀。 透平机运行至后期应关注尾氯量及轴振动、 轴位移的变化， 以此来分析判断透平机轴瓦、密封及转子平衡状态，为主机预测性维修做好准备， 避免过早维修或延迟维修造成经济损失或发生设备安全事故。