汽轮机振动高的运行优化及处理

楚永利，张麦真

(河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

河南龙宇煤化工有限公司(以下简称龙宇煤化工)二期净化工段设置4台离心式压缩机，其中2台为CO压缩机，1台为氨制冷压缩机，1台为CO2压缩机，4台压缩机的原动机均由背压式汽轮机驱动，为40万t/a煤制乙酸及20万t/a乙二醇项目配套使用。

1 工艺流程

来自前系统161 000Nm3/h的煤气在低温甲醇洗单元进行低温净化，产出127 000Nm3/h的合成气，合成气进入深冷分离单元进行低温分离，提纯出54 000Nm3/h一氧化碳气体，气体经低压一氧化碳压缩机加压至0.85MPa后，分两股外送，一股送至乙二醇单元，一股送至高压一氧化碳压缩机经加压至3.8MPa后送至乙酸单元。

高压一氧化碳压缩机组的结构如下：该机组汽轮机设计三级叶轮，设计功率2 411kW，设计过热蒸汽量25t，蒸汽压力8.8MPa，蒸汽温度540℃，汽轮机排汽压力0.8MPa，额定转速11 822r/min。汽轮机支撑轴承采用可倾瓦轴承，止推轴承采用米歇尔轴承。支撑轴承、止推轴承温度95℃报警，110℃停机。轴振动85μm报警，120μm停机。压缩机采用6级叶轮分三段压缩，各段之间设置有段间冷却器。设计工艺气量26 500Nm3/h，最终出口压力为3.8MPa。压缩机组流程见图1。

图1 CO压缩机组流程注：1.一段冷却器；2.二段冷却器；3.三段冷却器；4.入口分离器

2 汽轮机出现振动后的现象及危害

2.1 出现振动波动的现象

2017年9月12日，在汽轮机运行过程中，前、后轴承振动测量点出现无规则波动。第一次波动情况如下：汽轮机前轴承1号振动测量点由5μm上涨至11μm，2号振动测量点由8μm上涨至9μm，后轴承箱3号振动测量点由7μm上涨至14μm，4号振动测量点由6μm上涨至10μm，振动从上涨到下降的时间为13min。汽轮机振动从开始波动至2018年3月20日停机，汽轮机振动共波动27次，振动波动最高数值分别如下：1号为39μm，2号为52μm，3号为84μm，4号为68μm。期间，振动波动上涨至下降时间逐渐延长，最长时间1.2h。同时，随着汽轮机振动上涨，支撑轴承温度最高由54℃上涨至79℃，止推轴承测温点最高由61℃上涨至87℃，汽轮机位移最高波动±0.16mm。

2.2 出现振动后的危害

(1)当汽轮机振动出现波动时，转子的振幅逐渐增加，导致支撑轴承和止推轴承运行中形成的油膜不稳定，造成轴承瓦块因局部受力而磨损。

(2)汽轮机轴承箱轴端密封采用梳齿密封，材质为较软的铝合金，当汽轮机出现振动波动时，转子与轴端梳齿密封接触过量，造成汽轮机前后轴端梳齿密封磨损，润滑油外漏。

(3)因汽轮机出现振动，致测量仪表松动，造成仪表测量显示波动、测量失真。

(4)破坏汽轮机与压缩机对中，导致联轴器固定螺栓松动，造成机组振动加剧。

3 汽轮机振动原因分析

(1)该机组在4台汽轮机尾端，过热蒸汽压力偏低，且过热蒸汽管网压力控制不稳定，设计过热蒸汽压力8.8MPa，实际过热蒸汽压力在8.4～8.8MPa之间波动，当过热蒸汽压力出现快速上涨或下降时，汽轮机负荷快速变化，造成转子振动波动、轴承温度上涨。

(2)润滑油中机械杂质高，该汽轮机自2015年4月开始试车至2017年9月，在运行期间虽有停机检修，但未对润滑油箱进行清理，润滑油中机械杂质偏高，机械杂质进入汽轮机支撑轴承和止推轴承，造成汽轮机轴振动上涨。

(3)运行中使用专业仪器对转子运行中的状态、位置进行检测，从振动趋势和检测频谱结果来看，汽轮机转子在运行中存在不平衡，转子未在中心线位置，致使汽轮机转子与定子之间有轻微的摩擦，导致转子振动波动。

(4)机组运行后期，汽轮机使用蒸汽量逐渐上涨，判断汽轮机叶轮存在结垢现象，立即对所使用的过热蒸汽进行分析，发现蒸汽中钠含量12.6μg/L，SiO2含量19μg/L，钠含量超过设计值≤10μg/L，SiO2接近设计值20μg/L。由于汽轮机所使用过热蒸汽品质不高，长时间运行导致汽轮机蒸汽通流部件及叶轮表面结垢，随时间增加，结垢的厚度不断增加，当结垢厚度达到一定程度后，会导致汽轮机工作效率下降、动静部分出现摩擦，造成机组振动波动。

(5)汽轮机支撑轴承、止推轴承温度上涨，判断为汽轮机止推轴承、支撑轴承在振动波动期间有磨损现象，导致部分润滑油泄漏，轴承内形成的润滑油膜承载能力下降，当汽轮机出现振动时，轴承有轻微磨损，造成轴承温度上涨。

4 汽轮机出现振动的处理措施

4.1 采取优化措施保证机组运行

(1)将过热蒸汽压力由8.4MPa提高至8.9MPa，进入汽轮机过热蒸汽压力、温度提升后，同负荷下汽轮机使用的过热蒸汽量减小。降低汽轮机排气压力由0.8MPa降至0.6MPa，在配合汽轮机进汽的同时调整减轻汽轮机负荷，防止汽轮机因负荷波动而造成的振动波动。

(2)对汽轮机油系统过滤器进行切换，切换出的过滤器更换滤芯备用。使用在线滤油机对汽轮机润滑油中的机械杂质进行过滤，并在汽轮机停机后对润滑油路油箱进行清理。

(3)稳定前系统工艺气量及氢碳比，禁止工艺气量大幅度波动，致使汽轮机负荷频繁变化。稳定后系统乙酸单元CO使用量，使后系统保持在110%负荷运行，压缩机和汽轮机配合调整后使机组进入最佳运行状态。

(4)机组运行后期，汽轮机前、后轴承箱轴端密封出现漏油现象，漏油位置距离汽轮机本体及汽轮机排气管线较近，为了防止泄漏出的润滑油接触高温着火，制作漏油收集盒，把泄漏出的润滑油收集到盒内，统一回收清理。另外，在汽轮机两端使用低压氮气吹扫，降低漏油点氧含量，防止润滑油接触高温着火。

4.2 汽轮机停机检修

机组运行至2018年3月20日，汽轮机停机检查维修，消除运行中存在的隐患。

汽轮机降温4天后进行拆检，并对汽轮机运行期间所判断的原因进行验证，对存在的问题作如下处理。

4.2.1 汽轮机止推轴承磨损

机组拆检过程中发现，汽轮机前轴承箱止推轴承瓦块出现磨损积碳，挡油环出现严重磨损，挡油环磨损后止推轴承内润滑油量、油压下降，汽轮机运行中形成的油膜逐渐减薄，当机组振动出现波动时，由于止推轴承挡油环磨损润滑油外漏，造成油膜承载能力下降，轴承温度上涨。

4.2.2 瓦块、挡油环磨损处理

针对汽轮机前轴承止推瓦块和挡油环磨损，分别作出不同的处理，对止推瓦块的磨损程度进行测量，并使用专业工具对瓦块进行刮瓦修复，最终确保所有轴瓦测量合格。由于挡油环磨损严重，考虑修复后不能达到预期效果，决定更换前轴承挡油环。

4.2.3 汽轮机前后轴端密封漏油

汽轮机前后轴承箱经拆检后发现，前后轴端梳齿密封出现磨损，由于轴端梳齿密封材质为铝合金，材质硬度不高，在汽轮机出现振动后，前、后两端梳齿密封出现磨损，造成密封失效漏油。

4.2.4 前后轴端梳齿密封处理

根据汽轮机前、后轴承箱的轴端梳齿密封磨损情况分别进行处理，前轴承箱的轴端梳齿密封磨损情况较轻，对其进行修复，后轴承箱的轴端梳齿密封磨损比较严重，则进行更换。同时，对前后轴端密封进行技术改造，在轴端密封外侧钻出φ10的圆孔，与氮气管线连接，使用减压后30kPa的低压氮气向轴承箱内吹氮气，并在轴端密封最内侧两个梳齿下部钻出3个φ5圆孔作为回油，其密封原理类似于干气密封后置隔离气。经过改造后，汽轮机前、后轴承箱的轴端密封处漏油消失。

4.2.5 汽轮机转子结垢

汽轮机开缸后发现主汽门阀前过滤器(见图2)、叶轮、级间密封、汽轮机前、后汽封出现严重结垢(见图3)。汽轮机前、后汽封块部分弹簧卡死，无上下活动量。汽轮机转子、定子结垢致使汽轮机工作效率下降，使用蒸汽量增大。在运行中，随着汽轮机叶轮结垢厚度不断增加，转子的动平衡逐渐破坏，动静部分有轻微摩擦，致使汽轮机转子振动频繁波动，随转子、定子结垢厚度增加，转子振动频率、峰值逐渐上涨。

图2 主汽门阀前过滤器

图3 转子结垢照片

4.2.6 汽轮机转子结垢处理

(1)由于汽轮机转子动平衡受到破坏，需对汽轮机转子返厂做动平衡实验，在转子做动平衡前需清理转子表面结垢，并对转子做着色检查，未发现缺陷。转子在动平衡试验机上转动后发现，首级叶轮及二级叶轮相位不平衡量在13～57g左右，标准为30g，随后对转子进行不同转速下的调试，调试后对首级、二级叶轮进行打磨、加平衡块调整。由于转子存在较大问题，调试后转子的相位不平衡量接近标准数值。

(2)对汽轮机主汽门前过滤器、叶轮机级间密封、汽轮机前、后气封结垢进行清理，部分梳齿密封块进行更换，转子动平衡调试完成后，回装转子，调试各动、静之间间隙在指标要求内。

(3)针对过热蒸汽品质差的问题，采取调整药剂的措施，将原使用的药剂磷酸三钠改为化学药剂W800，更换后高压蒸汽品质明显好转，经分析，蒸汽中的钠含量≤2.56μg/kg，二氧化硅含量≤4.26μg/kg。当汽轮机再次拆检时，发现汽轮机通流部分及转子表面干净无结垢。

5 运行调整、检修后达到的效果

5.1 运行调整后达到的效果

在对汽轮机运行进行调整后，汽轮机之间每次振动、波动间隔逐渐延长，由原2～4d波动1次延长至10～13d波动1次，振动的峰值逐渐减小，其中，汽轮机1号振动测量点由最高的39μm降至16μm，2号振动测量点由最高52μm降至38μm，3号振动测量点由最高84μm降至61μm，4号振动测量点由最高68μm降至49μm。

5.2 检修后达到的效果

该汽轮机再次启机时，在升速过程中发现汽轮机临界转速由原临界转速下降600r/min，分析原因发现是因转子做动平衡增、减平衡块及一二级叶轮打磨所致。汽轮机在过临界过程中相较以往振动偏大，接近报警值，原因为该转子虽经过返厂处理，但转子的相位不平衡量未达到合格标准(30g以内)，转子还存在转动不平衡状态。进入运行区后，汽轮机轴温、位移正常，与2017年9月未出现振动、波动前对比，前轴承箱振动数值偏大，其中，汽轮机前轴承1号测量点20μm，2号测量点33μm，后轴承箱3号测量点5μm，4号测量点10μm。汽轮机支撑、止推轴承温度最高为68℃，整体运行稳定。

考虑到转子动平衡仍然达不到合格标准，决定重新制作一根转子，制作周期为两个月，在2018年10月大修期间更换为新转子，更换后汽轮机1号测振点4μm，2号测振点6μm，后轴承箱3号测振点9μm，4号测振点5μm。机组其他参数均稳定正常。

6 结语

通过对汽轮机运行过程中出现的问题进行分析总结，及时判断汽轮机振动高的原因，并结合实际情况进行调整优化，及时有效地解决了汽轮机振动高的问题，为汽轮机长期运行积累了宝贵的经验，从而确保机组长周期稳定运行。