TP9-90型烟机故障原因分析及改造

2021-12-23熊慧英

炼油与化工 2021年6期

关键词：烟机热效率涡轮

刘瑛，熊慧英

（1.湖南石油化工职业技术学院机电工程学院，湖南岳阳 414000；2.广西农业职业技术学院信息与机电工程系，广西南宁 530007）

某厂改造更新前的烟机因为长期运行在高速高温、易腐蚀粉尘多等非常恶劣的环境下，且结构复杂、易损件多，经常出现故障，造成停工检修。

1 改造前烟机结构和使用

1.1 改造前烟机构成

改造前烟机采用柔性的双级涡轮转子，进气方式是常规的轴流式，垂直向上排气。它由进气段、2级动静叶环的组件、转子的支承系统、转子组件、排气段及底座6部分组成，此外还有润滑冷却、密封和检测3大辅助系统，结构非常复杂［1~4］。

1.2 故障分析

烟机长期在极端恶劣（高温、高速、易腐蚀）条件下运行，尤其转子上的动叶片在热应力及腐蚀环境下叠加离心力和气动力，极易产生变形、裂纹等缺陷；此外，转子结构中双级涡轮在长期运行中，催化剂粉尘在动叶片的表面及2级涡轮盘间易聚集结垢，使转子动平衡被破坏；柔性转子的1阶临界转速n1较低，非常容易产生油膜涡动［5］。

虽然改造前的烟机涡轮转子采用的双级结构设计可提高2%~3%的热效率，但催化剂粉尘在长期运行过程中慢慢沉积，在动叶片表面和涡轮盘间最后形成了结垢，烟机转子的动平衡被破坏，从而使其工作稳定性变差、振动大、使易磨损零部件的磨损加速［6］。

此外，由于采用双级涡轮转子，使动叶片等易损件增多。综合分析可知，涡轮转子采用双级比采用单级结构设计，故障率会更高。

1.3 磨损情况分析

烟机从投入使用至改造更新为止，运行时间接近9 a。长期受到高速烟气流冲蚀，由于气流速度非常高，在动叶片根部产生强2次流动，烟气流又富含了催化剂粉尘，因此会造成特别严重的腐蚀和磨损。同时因为转子是柔性的，1阶临界转速n1低，稳定性差、振动较大，加速了零部件磨损［7］。

1.4 TP9-90机组的振动情况分析

虽然改造前TP9-90型烟机机组在新安装或检修后，其动平衡都能达到要求。但由于磨损不均匀，叠加不均匀积垢，运行一段时间后，都会造成转子的动平衡被破坏，使振动增大。

此外，由于是柔性转子会导致工作稳定性不好，烟机额定转速n（5 785 rpm）约为转子n1（约2 900 rpm）的2倍，造成油膜的半涡动频率约等于转子n1所对应频率，容易激起轴承的油膜震荡，引起机组共振［8］。

1.5 腐蚀造成机组受损严重

石油催化裂化生产过程产生富含H2S的高温烟气，让长期运行此环境下的烟机关键零部件非常容易产生裂纹缺陷，甚至导致产生重大事故。例如，改造前大检修时在烟机的导流锥体处发现了多处腐蚀性裂纹［9］。

例如，某公司烟机发生了1起因动叶片断裂造成的恶性事故。抢修后，操作员在未经检查的情况下冷态启动试车，仪表显示最大振动为35μm，运行68 min以后，联轴器螺栓突然断裂，短接直接被甩出，烟机被迫停机。

分解烟机进行检查，发现轴承已损坏，动、静叶片几乎全部断裂；进气锥体遍布裂纹；烟道严重受损；轴承箱与机座底板联接已经松动；机壳多处受损。

对叶片断口进行宏观、微观电镜检查结合力学分析后发现，是动叶片产生了裂纹缺陷，在冷开机试车的运行过程中，动叶片的原始裂纹在气动力和离心力的共同作用下迅速扩展，最后突然断裂，导致动静叶片几乎都被连根打断，造成了烟机堵转运行，进一步引起了联轴器螺栓的过力剪断。

2 烟机的技术改造措施和依据

烟机进行改造更新的措施是先将原烟机从基座上拆卸下来，再将新型烟机安装在原有的基座上，冷却密封、控制及润滑等辅助系统都保持不变，节约了大量的基建时间和设备投入资金［10］。

2.1 改造后烟机概况

新型机组为刚性转子的单级悬臂结构，排气方向垂直向下（与原机相反）轴向进气的烟气轮机，改造后的新型烟气轮机总体结构除了转子采用了单级结构与改造前的烟机不同外，其余结构基本相同。

2.2 改造后烟机结构与性能参数

改造后烟机的主要结构参数见表1。

表1 新型烟机主要结构参数

改造后新型烟机涡轮转子采用单级结构设计方案，外形尺寸为1 500×1 460×1 460（mm）。

改造后新型烟机的n是5 785 rpm，N轴输出为8 286 kW，气动效率η>82%，流量有（2 200、2 350、2 500）/（m3·min-3）档，入口压力为0.26 MPa，出口压力是0.116 MPa，入口温度达640~670℃，从进气端处由外向里看转子的旋转方向是逆时针方向；该烟机最大工作转速为5 900 rpm，报警跳闸转速值为6 074 rpm，1阶临界转速n1为8 306 rpm，2阶临界转速n2>10 000 rpm。

2.3 技术参数对比

改造前的TP9-90型烟机采用了柔性双级涡轮的转子结构设计进行布局，而改造后的新型烟机采用的则是用刚性单极涡轮转子结构设计进行布局；额定运行时，改造前烟机热效率η不低于84%，而新型烟机热效率不低于82%，具体对比见表2。

表2 主要技术参数对比

由表2可知，改造前后烟机的旋转方向不变，最大工作转速、设计转速和跳闸转速保持一致，但额定输出功率改造后的下降了约2.52%，热效率下降了2%左右，总质量下降了12.87%、最大维修件的质量降低了7%，转子质量下降21.81%，转子飞轮力矩下降了约38.57%，动叶片数减少59片、静叶片数减为58片，而涡轮盘直径增加10 mm，n1提高了将近2倍，n2提高了29%。

虽然烟机改造后热效率降低了2%~3%，但并没降低总效益。主要原因有2方面。

（1）由于此前烟机故障率较高，停产所造成的经济损失及维修费用超过了2%~3%热效率的经济效益；

（2）改造前烟机的1、2级静叶环在变形后，为了避免动叶与相应的静叶碰摩，必须增大2级动叶与静叶间叶顶间隙，此方法实际上降低了烟机运行的热效率。

改造前烟机为柔性2级转子，动静叶片等易损件较多。在长期运行中容易在涡轮盘间及动叶片表面产生催化剂粉尘不均匀聚集后结垢，且转子的1、2阶临界转速较低，易引起转子的动不平衡；导致出现振动大、稳定性差、故障率高等问题。

改造后的新烟机转子改为刚性单级转子，机器尺寸减小、结构相对简单、质量减轻、易损件减少，且增高了临界转速，因此振动小、稳定性改善、故障率变低。

3 机组的运行对比

4月21日，改造后烟气轮机进行首次试车，振动明显降低。烟机前轴承振动由改造前的52μm下降至22μm，后轴承振动由改造前的48μm下降至14μm左右；轴流式主风机前轴承的振动下降了5~7μm，后轴承振动则下降了4~5μm；但齿轮箱振动前后变化不大，前轴承振动仅下降了1μm左右，后轴承振动下降了3~4μm。

改造后烟机运行良好，轴输出功率与改造前相比下降较少，维持在8 700~9 100 kW/h以内，轮盘冷却蒸汽消耗量由改造前的4 300 kg/h下降到了1 810 kg/h，如果蒸汽按蒸汽按100元/t计算，则可节约215万元/a。机组运行平稳，烟机同步率达100%，完全满足了生产要求，提高了经济效益。