基于振动与油液监测的烟气轮机综合分析

张 婷，李 磊，马海余，毛文江

（1.兰州石化公司研究院，甘肃兰州 730060；2.兰州石化公司机电仪运维中心 甘肃兰州，730060；3.广州机械科学研究院有限公司，广东广州 510535）

1 设备概述

烟气轮机是石油化工行业重油催化裂化装置中的关键性设备，同时也是该装置主要的节能设备，通过再生器出来的烟气压力和热能进行膨胀做功，拖动轴流压缩机运行及发电，其运行情况直接影响到装置的运行周期和能耗水平。故保证烟气轮机的平稳运行，关系到整个生产装置的正常生产。

2 故障现象

2019 年12 月至2020 年2 月期间，烟气轮机振动出现2 次上涨，通频值振动趋势如图1 所示，最高测点振值70.2 μm，但由于机组整体趋势平稳，振动未到报警值，机组继续运行，2020 年6 月1 日凌晨，烟机振动突然上涨至80.4 μm，在烟机各测点振动上升期间，轴流压缩机、齿轮箱总体振动趋势均比较平稳。

图1 第1 次、第2 次烟机振动趋势（通频值）

3 故障分析

3.1 振动分析

通过监测数据图谱分析，前两次振动上升时，1×振动幅值缓慢上升，且在一定区间（约7～11 d）后振幅稍有回落，之后振动趋势较为平稳，相位无变化，表明烟机出现均匀结垢故障，无垢层脱落。前2 次上涨过程中轴心轨迹图中重复性比较好，未发现反进动现象，排除动静部件碰磨的可能。

同理，通过监测数据可知，烟机振动值第3 次上涨（超报警值）时，频率成分主要以1×成分为主，高次谐波和低频分量很少，烟机各测点2×和0.5×成分振幅趋势相对稳定，1×振动趋势（图2）显示，烟机第3 次振动上升时振动幅值快速上升，没有回落的趋势，且相位发生约90°的变化，工频振动和相位同时发生变化，1×相位的改变说明转子的重心在发生变化，即工频振动增大引起的转子动不平衡加剧，表明此时转子轮盘结垢可能已经恶化。另外，观察第3 次振动上涨过程中的轴心轨迹图，重复性比较好，未发现反进动现象。

图2 第3 次振动上涨1X 振动趋势

3.2 油液监测结果

在线监测整体数据稳定，黏度中位值为43.1 Cst，误差处于离线数据黏度10%以内。黏度传感器运行稳定，符合准确性80%以上的要求（图3）。

图3 黏度诊断结果

在线监测整体数据稳定，水活性中位值为25×10-6，整体未超过离线检测数值。水分传感器运行稳定，符合准确性80%以上的要求（图4）。

图4 水分诊断结果

在线监测整体数据稳定，污染度中位值为9级，与离线检测相符。污染度传感器运行稳定，符合准确性80%以上的要求（图5）。

图5 污染度诊断结果

3.3 烟机粉尘监测数据

通过调查，2019 年12 月至2020 年2 月利用SP-20 型高温烟气采样仪，对烟机三旋入口粉尘浓度进行3 次监测，粉尘浓度呈增大趋势。

3.4 分析结论

由振动分析判断，烟机振动增大的主要原因是转子的动平衡发生变化。烟机在运行过程中，引发转子不平衡的主要原因有以下4 种情况：①转子受热不均产生局部的热弯曲；②转子的动叶片可能被冲刷磨损或磨损断裂；③转子轮盘的拉紧螺栓有松动或断裂的情况；④转子上有催化剂沉积结垢或脱落。

通过烟机的振动变化过程，结合粉尘监测数据来分析，判断烟机转子上催化剂粉末附着结垢的可能性更大。烟机前两次振动值上涨，主要是1×幅值增长，但是1×相位保持稳定，说明随着烟气粉尘浓度上升，转子轮盘附着的催化剂粉尘不断增多，但附着层相对均匀，只是附着结垢导致不平衡量增加，不平衡造成的振动上涨；当烟机振动值第3 次上涨时，仍然是1×幅值增长，与前两次不同的是，1×相位发生了突变（约90°），说明转子轮盘附着的催化剂垢层逐渐变厚变多，增加至一定的厚度后，垢层易发生局部脱落，导致轮盘结垢不再均匀，转子的重心发生改变，动平衡瞬间被破坏，进而引起机组振动突变。

4 结论

（1）从烟机的振动趋势看，烟机振动前2 次出现缓慢上升，频率成分以1×为主，是由于烟机动静叶片有催化剂垢层缓慢吸附引起，使得烟机转子的平衡缓慢上升，但未达到报警值，因生产需要，故机组继续运行。第3 次振动值突增且超过报警值，烟机结垢已恶化或局部脱落。根据该机组特点和以上相关图谱分析，造成该机组振动持续上升的主要原因应为催化剂先沉积结垢，而后局部脱落，从而破坏烟机转子动平衡，引发机组振动。

（2）从烟气粉尘监测分析结果看出，三旋入口烟气粉尘浓度呈上升趋势，导致烟气中粉尘不断被带入烟机并粘结到动静叶片上，使得烟机转子的平衡被破坏。

结合以上二点确定烟机振动2019 年12 月至2020 年2 月开始缓慢上涨的原因为转子均匀结垢；6 月1 日烟机振动值突变且持续上升，原因为垢层局部脱落。建议停机检修进行清垢或更换转子，以保证烟机的长周期运行，最大限度的发挥烟机节能降耗的作用。

5 现场验证及处理

5.1 现场验证

2020 年6 月3 日，机组停车后，检修人员紧急开展设备拆检，将烟机入口导流锥打开后发现动叶上有1～2 mm 的垢层，静叶上结垢更为严重，垢层厚度7 mm 左右，可见造成烟机振动持续上升的主要原因是叶片先结垢，后发生局部脱落，与诊断结论一致。

5.2 处理措施

根据拆检的情况，转子轮盘结垢比较严重，为了有助于分析机组异常振动的原因，将未清理的转子进行动平衡测试，测试结果显示转子不平衡量为5837.8 g·mm，其中转子（自由端）不平衡量较大，约为4664 g·mm，依据不平衡量计算公式：

其中，G 为动平衡等级，M 为转子质量，n 为工作转速。反算得动平衡等级G：

而渤海装备兰州石化化工机械厂标准要求为：平衡等级不低于GB/T 9239.1—2006《机械振动恒态（刚性）转子平衡品质要求》标准中的G1.0 级。

6 改进措施

烟气轮机是炼厂重油催化裂化装置的核心设备，其运行状况直接影响到装置的安、稳、长、满、优及企业的经济效益，从2019 年12 月至2020 年6 月烟机的运行状况及结垢情况分析，缓解烟机结垢应做好以下3 点：①充分利用SG-8000 系统，及时监控烟机运行参数，异常情况及时处理，确保机组的各项运行参数严格控制在指标范围内；②密切关注烟机入口粉尘浓度、催化剂粒度的变化，重点监控0～20 μm 催化剂的含量；③逐步完善烟机故障数据库，在已有动力参数基础上，重点添加烟机工艺参数（烟气含量、烟气粉尘浓度、粒度、催化剂型号、蒸汽温度压力等），并协同装置对烟机运行状态进行监控，通过监控大数据累计，掌握烟机故障发生规律及高频故障种类，为烟机故障分析做数据储备，提升烟机故障分析能力。