离心压缩机振动故障分析与诊断案例

2016-08-26文定良WENDingliang神华包头煤化工有限责任公司包头014010

制造业自动化 2016年6期

文定良WEN Ding-liang（神华包头煤化工有限责任公司，包头 014010）

离心压缩机振动故障分析与诊断案例

文定良
WEN Ding-liang
（神华包头煤化工有限责任公司，包头 014010）

针对某煤化工厂甲醇装置合成气压缩机运行中存在振动异常的实际情况，利用大机组在线监测系统，从产生异常的机理分析入手，对合成气压缩机组振动异常波动故障进行了分析，提出了在机组不停机检修情况下排除故障的有效措施。生产实践表明该项措施对降低振动幅值、减少振值波动、保证机组的稳定运行具有指导意义。

合成气压缩机；结蜡；振动；故障诊断；气流扰动；摩擦

0　引言

离心式压缩机在国民经济和工业生产中的许多领域占据着非常重要的地位［1］，特别是在石油、化工、冶金等行业，保证离心式压缩机的安、稳、长、满、优的运行意义重大。从离心式压缩机的运行及发展史来看，由于其产生故障导致机组停车影响生产、甚至机毁人亡的案例频频发生［2～3］。在离心式压缩机的各种故障异常中，最常见的故障是振动异常，引起振动异常的原因又是多样性的，甚至很多时候是需要停机查找故障原因，而停车造成的损失往往难以估计。因此在保证机组正常运行的情况下，准确分析出引起故障的原因并给出可行的解决方案需求迫切。本文尝试在现场复杂环境且保证机组不停机的状态下，利用大机组在线监测系统，对其振动异常进行分析与诊断，确定引起机组故障的原因，提出机组在不停机状态下的处理方法，以保障离心式压缩机的稳定运行。

1　甲醇合成装置及机组概况

甲醇装置是煤化工生产装置之一，一般由国外某公司提供工艺包设计。甲醇装置利用上游净化装置提供的合格合成气为下游MTO装置生产出合格的生产原料MTO级甲醇，同时也可根据实际生产需要抽出部分粗甲醇生产精甲醇。合成气及循环气压缩机是装置的关键设备，因此对设备的稳定运行有着较高的要求。该机组的工艺流程简图如图1所示。

甲醇合成气压缩机组属于离心机，采用垂直剖分结构，叶轮级5+2。驱动机为四冲动四反动凝汽式汽轮机。甲醇合成气压缩机轴承振动测点布置如图2所示。压缩机主要运行参数如表1所示。

图1　甲醇工艺流程图

图2　甲醇合成气压缩机轴承振动测点布置图

表1　压缩机主要运行参数

合成气压缩机组采用的平衡盘为国外某公司设计生产，在平衡盘的外缘安装防旋绕的气封，可以消除不稳定的振动因素，同时减少气体的泄漏量。该机组增加防止扰动设计，目的是随着压缩机转速的增加，气体出口压力的提高，逆转向切向力不断增强，逐步抑制由于涡流带来的激振力，使振动不断递减，能够有效的抑制压缩机的振动。防旋扰式平衡盘设计如图3所示。

2　故障及原因分析

图3　防旋扰式平衡盘设计图

2.1故障描述

甲醇合成气压缩机组在大修停机前压缩机振动多次出现波动，随后恢复正常，但压缩机泄漏量增大，机组的效率和流量都没有达到设计要求。开盖发现平衡盘密封全部磨损，内部出现结蜡现象，检修图片如图4所示。完成检修后按照正常程序启动机组。启机后发现压缩机非联端振动出现小幅度波动，持续一段时间后振值趋于平稳，机组保持稳定运行。但在一次提负荷操作后，压缩机非驱动端振动监测点152VI2304B出现波动，正常运行时，该通道振值为17um左右，此时到达84.76um，波动结束，该通道振值瞬间恢复到16.5um左右，同时压缩机驱动端振动值也出现波动现象，但振幅与152VI2304相比较小。距离压缩机振值首次波动71分钟后，其振动值再次出现瞬间波动，振值波动至89um左右，达到联锁值，压缩机联锁跳车，合成系统切气停车。重新启机后，压缩机振动随负荷增加而上升，由于振值升高，现场机组不能加载到满负荷运行，机组转速一直维持在4900rpm左右运行，并且在工艺参数稳定的情况下，压缩机经常出现振动向上波动的情况，如图5所示。

图4　检修图片

图5　设备运行参数

2.2原因分析

在机组振动异常期间，工厂设备管理人员利用现有的振动数据进行分析、排查，但一直无法有效解决问题。为了找到改机组振动故障的原因，工厂决定在不停机的情况下在线安装状态监测系统，对机组进行实时监测，采集机组的原始振动数据，利用专业图谱进行分析、诊断。

2.2.1振动特征

监测得到的振动趋势数据如图6所示，压缩机四个通道振值均出现不同程度波动。振值出现异常波动时刻的时域和频域图谱如图7和图8所示，振动成分主要为0.47～0.56倍频。以上振值波动、上升都是由低频成分引起，在压缩机振动异常时，其前后轴承的轴心轨迹也非常杂乱，不规则，如图9所示。同时压缩机振动幅值随负荷的增加而升高，如表2所示。参考各年大修记录，密封磨损，间隙增大，波动消失。压缩机检修前后振动数据如表3所示。

图6　压缩机振动趋势图-通频值

图7　压缩机波形频谱图-联端

图8　压缩机波形频谱图-非联端图

图9　压缩机轴心轨迹图

2.2.2故障原因初步分析

工作转速下压缩机轴振0.47～0.56倍频占主导，引起此频段异常波动的因素主要有：压缩机喘振、油膜、气流。机组在高负荷运行时，压缩机喘振曲线可能发生改变，高负荷运行时的调整裕量小，在负荷调整过程中操作没有跟上，出现转速上升，循环量下降的工况，导致压缩机进入旋转分离状态运行，可能短时产生了喘振。检查压缩机振值异常波动时间段控制系统防喘振阀动作，发现防喘振阀无动作。同时将压缩机振值异常波动时刻性能曲线及喘振曲线进行对比，发现二者相离很远，如图10所示。说明防喘振阀未出现故障、喘振曲线未发生改变，压缩机未进入喘振区。从频谱图可知，低频成分虽占主导，但远超过油膜振荡的特征频率，且现场改变润滑油油压及粘度，压缩机振值依旧出现波动情况。由此，更倾向于认为压缩机振值异常波动是和气流有关。

表2　压缩机振动-负荷表

表3　压缩机振动数据表

图10　压缩机运行期间放喘振曲线图

2.2.3故障原因的认定

结合合成气压缩机停机大修情况及实际运行状态，压缩机一段入口处结蜡频繁，并伴随着介质一同进入密封，会使防旋扰式平衡盘外缘的气封通孔堵塞，当气体以一定的速度进入密封时会随着转子的旋转产生一定的周向速度，导致气体在密封腔中形成了不均匀的压力分布，分布压力的合力形成了一个与位移相垂直的切向合力，引起转子的失稳振动［4］。故判定压缩机振动幅值不定期且无规则波动是由压缩机内气流扰动影响压缩机转子状态造成。这种扰动随着转速的增加会被逐级放大，最后导致压缩机振值联锁停车。

经现场检查，压缩机出口密封器有液体排出。当压缩机运行时，干气密封运转，静环和动环之间形成了间隙很小的气膜，此时如果有液体进入密封面的间隙内，就会改变干气密封的工作条件，密封面就会发热，由于密封面的温度差，导致密封面产生热变形，就会造成密封的动、静环端面粘合，从而改变气膜的刚度。现场对压缩机入口分离器进行检查，怀疑其分离效果不佳造成此现象。

对合成气压缩机组进行持续监测，监测图谱如图11～图14所示，压缩机振值再一次出现不定期、无规律轻微波动，1倍频幅值较平稳，无波动，幅值主要以0.5倍频占主导，时域波形略带毛刺尖角，压缩机两端的轴心轨迹不规则，发散，但未出现反进动的情况。分析压缩机出现轻微碰摩情况，机压缩机发生碰摩现象时的转速在一阶临界转速之上，振动点与产生碰摩的不平衡力之间的滞后角小于90°，振动幅值会相对变小，不会出现严重碰摩现象。

当动静部件发生碰摩时，轴表面会受到摩擦力冲击，此力为非连续、非稳态冲击力，在此作用下，振动波形将会畸变，轴心轨迹变得紊乱。当发生摩擦的时候，摩擦部位会产生高温，由于摩擦不均匀，会导致转子表面温度分布不均匀，引起热变形，产生热冲击，且危害比冲击更大。特别是离心压缩机刚启动时就会发生碰摩，由于摩擦产生的热平衡量与转子残余不平衡量叠加后大于残余不平衡量，所以摩擦会进一步加剧，转子新的不平衡量再增大，当机组继续运行时，转子会出现越来越弯曲的情况，导致摩擦更加剧烈，当运行一段时间后，导致摩擦的不平衡量消失，进而动静部件分离，碰摩现象就会随之消失。当发生碰摩时，转子的振动将取决于其热不平衡量与残余不平衡量的矢量之和，因转子高速旋转，矢量大小和方向会发生不断的变化，进而导致振动幅值和相位发生不断的变化，会出现不同的特征［5］。

图11　压缩机振动趋势图-通频值

图12　压缩机波形频谱图-压缩机联端

图13　压缩机波形频谱图-压缩机非联端

图14　压缩机轴心轨迹图

3　现场采取措施

综合分析，为了保证工厂核心设备稳定生产，现场决定加大对甲醇合成水冷却器在线除蜡密度、加强对合成段密封器系统的排液，确保连续排液并尽量减少排放腔体内的液体，每次需要改变运行状态时缓慢操作，并在升减负荷的时候缓慢进行。

现场处理反馈：装置除蜡后，合成气压缩机的振动幅值没有异常的波动，经过2次升降转速后，压缩机振动幅值最高不超过35微米，现在压缩机的振动幅值小于20微米，如图15所示。再一次除蜡后，压缩机的振动出现振动缓慢上升的情况，压缩机振动幅值最高不超过30微米，最低高于15微米，如图16所示。到目前为止，机组在未停机的状态通过以上处理，机组已可满负荷运行，保证生产。

4　结束语

通过监测系统及现场实际情况对合成气压缩机组振动异常波动故障进行了分析，通过对转子振值不同波动程度和机组不同负荷下频域特征的分析，判明该压缩机振值异常波动是由于气流扰动引起压缩机转子状态失稳造成的。在不停机的情况下，通过加大对压缩机一段入口处除蜡密度，改善了压缩机组振值异常波动的情况。同时加强对合成段密封器系统的排液，确保连续排液并尽量减少排放腔体内的液体。通过长期监测该机组的振值情况，验证表明压缩机振动异常波动故障原因正确。在保证了机组不停机的前提下，找到了故障的原因是平衡盘气流扰动所致，并提出了现场切实可行的解决方案，保证了工厂的稳定生产、使企业的积极效益达到了最大化。

大机组在线监测系统已在石油、化工、电力、冶金等行业得到应用，为企业实现“安、稳、长、满、优”的可靠运行提供保障和技术手段。实施应用大机组在线监测系统，可有效帮助企业提升设备管理水平，提高经济效益。