合成气汽轮机转子振动优化研究

陈佳明，张家旭

（中海石油华鹤煤化有限公司，黑龙江鹤岗 154100）

0 引言

汽轮机又称蒸汽透平，随着技术的进步，其效率和可靠性正在不断提高，并且已经开始转向更加环保和可持续的方式。同时，化工行业和发电热能行业的需求也不断增长，驱动汽轮机不断发展着。在蒸汽透平驱动压缩机组中异常振动是一个常见的问题，也是一个很难处理的问题。汽轮机作为压缩机组的重要驱动设备，其振动原因众多，对其进行故障分析具有非常高的专业性，只有对汽轮机的异常振动振动进行有效的处理，才能保障机组的高效稳定运行[1]。

1 事件经过

某煤化工厂的汽轮机，为日本三菱重工压缩机公司生产的抽汽凝汽式汽轮机，机组型号为5EH-6BD。其中，汽轮机汽缸由高压侧和排气室组成，汽缸水平剖分，下半汽缸固定在上半汽缸上；轴颈轴承是倾斜瓦型，带有5 个倾斜瓦，可以防止由于润滑油起泡所引发的振动；两个止推轴承是金斯伯雷型，有用于润滑的油喷嘴，带有12 个止推瓦块。汽轮机主要性能参数为：进口压力9 MPa（A.），进口温度530 ℃，抽汽压力4.4 MPa（A.），抽汽温度444 ℃，排气压力0.013 MPa（A.），排气温度51.1 ℃，轴功率6315 kW，转速13 251 r/min。

2021 年9 月10 日，汽轮机的排汽端振动监测点VI04451A/B 出现小幅波动情况，振动值由11.5 μm/7.5 μm 上升至22 μm/16 μm。进入10 月份后，VI04451A/B 开始频繁、大幅波动，其中汽轮机进气端VI04450A/B 振动值最高波动至32 μm/21 μm，排汽端VI04451A/B 振动值最高波动至为69 μm/44 μm。汽轮机的进、排汽端的振动报警/联锁值为35 μm/53 μm，联锁形式为二选二。在振值波动期间，汽轮机的瓦温、位移及工艺参数未发生明显变化，并且经检查仪表确认，振值、瓦温、位移均为真实值。

2 故障排查及原因分析

2.1 工艺参数调整

按照三菱机组操作说明书和汽轮机数据表将工况参数进行更为精细的调整。2021 年11 月，分别对进汽、抽汽、排汽的压力和温度和轴封蒸汽压力调整值为设计数据（表1），调整后参数变化（表2）。通过对工艺指标的参数的进行调整，消除其与设计值的偏差，待工艺参数调整稳定后，通过一段时间的观察，机组振动现场仍然存在，且频率也未见变化。由此可见，引起的异常振动现象原因并非工艺参数变化所致。

表1 机组参数调整

表2 机组参数调整后变化（2021 年11 月8 日）

2.2 润滑油及漆膜

分析汽轮机振动异常的原因可能是机组润滑油中产生了漆膜，漆膜集中在轴瓦上导致机组轴瓦间隙减少、摩擦增加。漆膜的产生会堵塞过滤器，造成设备润滑不良。冷却器、轴瓦上的漆膜导致冷却器和轴瓦散热不良、轴温上升、油品氧化加速[2]。漆膜会附着固体颗粒，造成设备磨粒磨损从而引起汽轮机振动异常波动现象。

对汽轮机回油管线中的油液取样分析，油液漆膜指数及污染度各项参数见表3，元素分析正常。检查油过滤器滤芯及滤筒，内部干净无漆膜附着。从润滑油分析数据以及油过滤器情况来看，润滑油漆膜倾向指数为2.4、远低于参考值≤15，且润滑油污染度均在范围内，由此可排除油液污染及产生漆膜的原因。

表3 润滑油分析数据

2.3 油封导致的异常振动原因及分析

通过现场排查发现，汽轮机进汽侧排烟管线不仅没有油气冒出反而有吸气现象，这会导致汽轮机周围温度较高的空气和灰尘被吸入油腔内。如果漏油进入汽封梳齿、汽封与转子轴颈的间隙处，会与被吸入的杂质接触形成油污，进而形成结焦类物质。当结焦物积累到足够多时，当在梳齿、汽封与转子轴颈的间隙处形成触碰挤压时就会抬挤转子轴颈，进而出现振动值升高并产生摩擦，摩擦生成的热量使转子受热弯曲变形，但这种软接触摩擦变形不是永久性弯曲（图1）。如果结焦类物质被高速转动的转子轴颈触碰、挤甩出油/汽间隙的缝隙，转子就会恢复正常的振动状态。这样就形成了无规律、无规则的上升，造成不正常波动变化。

图1 油封处油泥导致异常振动示意

2.4 机组在线监测系统对异常振动的分析

（1）在线监测系统显示，振值波动的主要特性频率为1×，同时伴随着1×相位的同步变化，但波动恢复后相位基本可回到原数值。转子平衡性发生变化，振动恢复后相位角恢复。

（2）时域波形图出现明显削波现象。

（3）轴心轨迹图不是平滑过渡。

从在线监测系统反馈信息得知，汽轮机内部出现动静摩擦故障[3]。这种摩擦可能是油泥的形成对转子产生影响，并由于摩擦使转子出现了热弯曲效应，导致机组振动变大。在线监测分析结果，支持由于油泥而产生异常波动的结论。

3 处理措施

3.1 暂缓油泥形成

为暂缓油泥形成，对汽轮机排油烟管线进行拆卸利用蒸汽吹扫拆卸的管线，防止管线内积碳导致排油烟不畅。并制作降温装置接空气对透平进汽端轴端隔板处进行均匀降温，减缓油封、汽封处油泥、油垢的形成。

接空气吹透平进汽端轴端隔板处使温度降低，投用后效果较为明显，近一个月振值未出现大幅度波动，但一个月后又出现不规则振动现象。此现象说明降低轴端温度能起到降低振动频率的发生，但只是短期间内改变振幅，由于空气吹到壳体外部降温并未实质上改变油腔中油的运动轨迹，所以在此温度长时间下油泥、油脂仍然会回到一个适应点从而使振动现象再次出现。压缩厂房室内温度尤其是汽轮机附近温度较高，加上高压侧排油烟管线目前为负压，正处于吸气状态从而使油腔内温度上升。目前需要给高压侧油腔降温增加冷空气的吹扫量即加大对焦油泥类物质的吹除破坏力度，现有办法只有油腔内压力成为微正压，尽量消除轴承箱内的油汽压力，使油汽不能从轴承箱油汽封与转子轴颈的间隙缝隙中漏出，以争取获得有足够长时间的平稳运行期。

3.2 提高油封密封气量

通过增加对高温侧缸壁与轴承箱油汽封隔空段间的空气吹扫频次，制作简易吹扫装置接空气吹汽轮机低压端轴封处降低温度来改变轴瓦处的油泥情况等措施，已经有效延长了油焦泥类物质的形成和堆积结存的时间，从而使汽轮机维持了一段较长时间的“稳定”运行状态，但并未彻底解决故障（图2）。

图2 吹扫装置示意

2022 年3 月，合成气压缩机短时间停机，借此机会检查轴封的隔离氮气。发现隔离氮气与汽轮机轴端连接处的通孔为2 mm 且有杂质堆积，导致隔离氮气流通量较小或无流通量。因此，将其进行扩孔至6.4 mm，并在隔离气进入高压缸轴端前单独设立截止阀来控制氮气流通量（图3）。由于氮气流速/流量提高，彻底改变了机组油腔润滑油的运动轨迹，开机后一直处于满负荷状态，到目前为止尚未出现转子振动现象。

图3 隔离氮气通孔扩孔前后对比

2022 年8 月，汽轮机开缸检修，检查油封发现油垢淤积，测量油封间隙为0.35 mm、已超过设计值（0.15～0.25 mm）。

4 结束语

汽轮机是一种复杂的设备，能持续工作，但是经常会发生各种故障，因此必须通过多种方法对故障进行分析，并根据故障的原因、特点，选择合适的处理方法。通常为准确找出某一个设备的振动原因，找出其振动规律，需要大量的资料分析，并进行相应的测试。本文针对某公司合成气汽轮机存在油处封异常形成油污、油垢结焦类物质而引起的异常振动问题，分析其产生原因，并采用不停车在线处理减缓振动频率以及短期停车期间采取扩大密封气通孔增加密封气量的方式彻底消除了异常振动现象，保障了机组的安全、稳定运行。