催化烟机振动值上升原因分析与处理措施研究

高 翔

（中国石油化工股份有限公司洛阳分公司，洛阳 471000）

烟气轮机（以下简称烟机）是催化裂化装置再生烟气能量回收的专用动力回收透平机，其发出的功率用于驱动轴流式压缩机（即主风机）和发电，从而达到能量回收的目的[1]。烟机是原料油催化裂化过程中重要的节能设备，其运行状况影响着设备的整体能耗水平，对设备机组的安全运行发挥着关键作用。因此，为提高设备的运行效率和质量，要分析造成催化烟机振动的影响因素，针对不同影响因素采取不同的应对措施，以确保烟机的平稳运行。

1 机组介绍

中国石油化工股份有限公司洛阳分公司的二号催化裂化装置（以下简称二催化装置）的烟气轮机-主风机三机组于1994 年从美国德莱塞兰公司引进，由烟气轮机、轴流式主风机、齿轮箱、电动／发电机、控制仪表以及特殊阀门等组成。德莱赛兰E-138 型烟机作为二催化装置的关键节能设备，作用是将带有压强（约0.164 MPa）的高温烟气（约670 ℃）经过进气室、导流锥和静叶整流，推动动叶膨胀做功。烟机转子旋转通过联轴器将烟机实际回收的压力能和热能传递给风机和电动／发电机。该烟机的运行效率及装置同步运行率直接影响了装置的能耗[2]。

2 烟机振动值上升经过

二催化主风机组分别于2022 年9 月28 日和2023 年1 月31 日进行试运。烟机非联轴端振动测量点V401X、V401Y 的振动值分别为34.5 μm、26.1 μm，烟机联轴端振动测量点V402X、V402Y 的振动值分别为44.6 μm、31.2 μm，烟机壳体在水平方向的振速为3.5 mm·s-1。根据统筹安排二催化主风机组于2023年2 月3 日17：16 一次开车成功，机组振动、瓦温等各项指标良好。烟机于2023 年2 月14 日开始预热投用，高温蝶阀由全关开至10%。在投用期间，V401X、V401Y 的测量值由35 μm、26 μm 缓慢上升至49 μm、36 μm。现场测量烟气轮机振动、振幅、振速等指标发现，烟机壳体水平振速随着烟机振动的升高缓慢升高，由初始值3.5 mm·s-1提高至4.4 mm·s-1。2023 年2 月17 日，V401X、V401Y 的振动值出现波动，由49 μm、36 μm 阶梯式上升至52 μm、38 μm。现场将烟机轮盘吹扫蒸汽压强由0.15 MPa 提至0.3 MPa，随后V401X、V401Y 的振动值由52 μm、38 μm 下降至48 μm、34 μm。2023 年2 月18 日12：20，烟机的振动值再次出现波动阶梯式上升，V401X 的振动值最高上升至61 μm，此时烟机壳体在水平方向的振速为7.9 mm·s-1。将高温蝶阀由10%缓慢关至0%，V401X、V401Y 的振动值恢复至48 μm、34 μm，烟机壳体在水平方向的振速下降至3.8 mm·s-1，烟机切除系统。烟机振动趋势如图1 所示。

图1 烟机振动趋势图

2022 年2 月24 日01：27，烟机非联轴端振动测量点V401X、V401Y 的振动值、联轴端振动测量点V402X、V402Y 的振动值突升至联锁值，主风机联锁停机。联锁时的频谱变化如图2 所示。手动盘车无异常后将电动盘车开启，发现烟机轴承箱侧有轻微异响，拆除烟风联轴器，然后开启主风机，装置恢复正常生产。将烟机与风机脱开进行检查，检查情况如下：第一，烟机动叶轮盘榫槽冲刷磨损严重；第二，烟机拉杆断裂；第三，烟机叶片有轻微结垢；第四，烟机径向瓦块和推力瓦块无磨损或损坏情况。在检修期间，根据装置实际加工负荷，对烟机进行重新核算、设计、整体更新，以满足装置的实际生产需求。

图2 联锁时频谱变化

3 振动值升高原因分析

3.1 内部零件损坏

二催化装置烟机于1997 年投用使用，目前已连续运行二十余年，运行期间其烟机拉杆未进行更新改造，仍为原始进口设备。随着时间的推移，烟机拉杆经过长时间的振动，容易出现疲劳断裂现象。对主风机组进行联锁停机检查发现，烟机轴承箱侧有异响。拆除烟风联轴器时，未发现联轴器有异常情况。对烟机进行解体检修，径向轴瓦和推力轴瓦外观检查无磨损，着色探伤无裂纹等损坏情况，各汽封片检查完好，无碰撞、磨损等情况，由此判定烟机在运行期间不存在机械碰磨现象。轴承箱内有脱落的半截拉杆，由此判断烟机拉杆断裂后，脱落的拉杆迅速甩出导致振动值瞬间上升，是导致此次联锁停机的主要原因。

3.2 转子不平衡

因原料中铁、镍、钒等重金属含量超标，造成催化剂多次微量跑损，在0.16 MPa 携带高温催化剂的烟气作用下，烟机动叶轮盘榫槽冲刷磨损严重。在烟机振动出现波动期间，烟机轮盘冷却蒸汽、密封蒸汽、轮盘吹扫蒸汽的温度和压强均在控制指标内，不存在带水等异常情况，但1 倍频同步出现变化，1 倍频相位角也发生变化，0.5 倍频及2 倍频未发生明显变化，说明烟机转子不平衡量发生变化。检查转子时发现，动叶片摆动量较大，最大幅度可达到4.50 mm，超过烟机检修标准值0.38 ～1.77 mm。同时，动叶片在轮盘榫槽中存在较大的轴向窜动量，最大幅度为3 mm。经过多次动平衡试验，发现每次动平衡时不平衡量的相位和大小均不同，无法找到烟机转子的初始不平衡点。用绳索将动叶片固定后反复进行动平衡实验，很容易找到转子的不平衡点，由此判断烟气轮机动叶轮盘榫槽冲刷磨损严重，使动叶片摆动量增大及动叶片在轮盘榫槽中存在较大的轴向窜动量，造成烟机转子在运转过程中始终处于不平衡状态，烟机振动升高。

3.3 粉尘结垢

在烟机使用过程中，高温烟气通过混有较低温度的蒸汽时，在水分凝结作用下，烟气粉尘会大量附着在烟机流道及叶片上，直接影响转子的动平衡，从而造成烟机振动增大。经查验三旋烟气的分析结果，发现水蒸气含量、干基粉尘含量、湿基粉尘含量等指标均在控制范围内，但粒径小于10.48 μm 的粉尘含量多次超标。经分析，该机组本次开机时间较短，而烟机叶轮材质均为耐高温合金且最外侧喷涂有耐磨涂层[3]，因而短时间内粉尘含量超标不会导致叶轮磨损，由此判断是烟机叶片上沾有高温烟气携带的催化剂导致轮盘有轻微结垢引起振动，而且运行时间越长烟机叶片上粉尘结垢越多，导致平衡破坏更加厉害，振动值一直上升。

3.4 油膜振荡

油膜振荡是指旋转的轴颈在滑动的轴承中带动润滑油高速流动，在一定条件下，高速油流反过来激励轴颈，产生一种强烈的自激振动现象。该现象一般发生在转子启动升速过程中。二催化主风机组润滑油压强不低于130 kPa，润滑油温度控制在40 ℃，均属于自动控制，趋势平稳，未出现大幅波动情况。机组转速恒定，为5 500 r·min-1，不存在轴承在轴转速上升时油膜出现波动而产生油膜振荡的现象[4]。

4 解决措施及运行建议

4.1 解决措施

根据检查结果，利用装置5 月停工检修时机，将进口德莱赛兰E-138 型烟机更换为渤海装备兰州石油化工机械厂生产的YL-11000R 型烟机，原后抽式转子改为前抽式转子。新烟机安装完毕后，于2023 年7 月12 日进行电机+主风机+烟机试运，振动、瓦温、位移等参数良好，烟机各测点的振动值均在理想范围内，说明该措施解决了影响烟机的振动问题，保证了主风机组的安全平稳运行[5]。

4.2 运行建议

4.2.1 优化工艺操作

烟机入口小粒径粉尘浓度高是烟机叶片结垢的根本原因，因此在操作过程中，要严格控制催化进料中铁、镍、钒、钙、硫等元素的含量不超工艺指标。若存在超标的情况应及时加样分析，并联系调度调整原料性质。同时，要优化再生器操作，使再生系统压力平稳及催化剂线速恒定，否则主风量大幅波动容易引起烟气粉尘含量超标、再生器催化剂跑损、动静叶片结垢等一系列问题。如果出现跑损情况，应及时将烟机切除系统，待三旋出口烟气连续3 次分析合格后，重新投用。

4.2.2 制定操作指南及建立台账

及时制定烟机操作指南，规范和指导烟机操作过程，确保操作步骤的准确性和一致性，同时对相关操作人员进行培训和指导，提高其工作效率和质量。建立烟机入口催化剂浓度和筛分分析台账，及时分析烟机入口粉尘含量和筛分成分，了解烟气轮机结垢机理，开展烟机结垢预防工作[6]。

4.2.3 严控主风机组关键参数

根据机组实际运行工况，定期核算烟机、主风机负荷，确保机组负荷不超过设计负荷。严格控制三旋出口温度不超过700 ℃、烟机入口温度不超过680 ℃，保证设备不超温、超压。控制润滑油温度、压力平稳，定期进行润滑油分析，根据润滑油分析结果，及时补充或更换润滑油。定期分析三旋出口烟气，确保指标在控制范围内。若出现不合格指标，应尽快调整再生器操作，并对烟气进行加样分析。控制好烟机轮盘冷却蒸汽、密封蒸汽温度和压强，保证蒸汽品质。确保烟机阻尼风压强、流量在正常范围内，定期对风罐进行脱水作业，防止阻尼风出现带水的情况。

4.2.4 做好设备维护保养

定期保养主风机组可以有效延长使用期限。迷宫密封、推力轴瓦、紧定螺钉、热电偶等配件都有其预期的使用寿命。根据设备制造厂家提供的建议，定期检查配件的工作状态和磨损程度，并在达到预期使用寿命时进行更换。根据维护计划，定期更换易损配件，如过滤器滤布、润滑油滤芯、过滤器切换阀等，以使设备保持良好的运行状态。通过定期巡检或故障排除，监测主风机组各个配件的磨损程度，如果发现配件出现过度磨损、裂纹、变形等情况，需及时更换，以防发生故障[7]。

5 结语

通过多重措施，烟机振动得到了有效解决。目前，烟机联轴端振动V401X、V401Y 的振动值控制在25 μm 左右，最大值为36 μm。为了保证烟机长周期、安全、平稳运行，在烟机不超温、不超压、不超负荷的前提下，需控制好烟机轮盘冷却蒸汽、密封蒸汽的温度和压强，确保蒸汽品质。同时，定期进行三旋出口烟气、润滑油分析，做好设备运行的过程把控，为装置安全平稳运行提供坚实保障。