除漆膜过滤技术解决PTA透平膨胀机运行异常问题

龚天寿

中国石化仪征化纤有限责任公司设备管理部 211900

1 概述

仪征化纤有限责任公司60t/aPTA装置空压机组采用的是德国曼透平公司的设备。该机组为三合一机组，其中空压机组为多轴五级透平机组，凝汽式蒸汽透平机作为空压机组的主驱动机为，透平式膨胀机作为空压机的辅助驱动机。透平膨胀机采用高、低二级膨胀，各有一个吸入口和排气口，叶轮采用三元叶轮（见图1）

透平膨胀机的主要性能参数如下：

高压侧转速为16583 r/min，低压侧转速为9045 r/min；膨胀机额定总功率为7990 KW，流量为12700～150450kg/h；进口压为1.3MPa，排气压力为0.003MPa，高压侧的进气温度为175℃，排气温度为80℃；低压侧的进气温度为175℃，排气温度为45℃；高、低压侧齿轮轴的两端均采用一组可倾瓦轴承，各带有5个瓦块，进油管路可两路进油，每个轴承上各有一路进油孔，通过3组共15个喷油嘴进油，进油喷嘴孔径为1.8mm，轴承回油孔由9个，正常情况下采用5通4堵。本三合一机组采用润滑油站集中供油的强制润滑方式。

2 机组存在的问题

2018年，为满足VOC排放要求，该装置新增了VOC单元，对氧化反应器的尾气进行处理，将处理后的尾气仍注入膨胀机。由于原尾气中的溴盐经高温氧化有溴离子的存在，为防止尾气中在膨胀机中膨胀做功时有溴离子冷凝析出，对膨胀机及后续设备造成点蚀，因此，需提高膨胀机组高压侧、低压侧的进气温度和排气温度（见表1）。

VOC改造前，低压端非叶轮侧轴承温度一直稳定在80℃左右（该处轴承的报警温度为110℃，高报温度为120℃）。2019年1月6日VOC改造开车后，膨胀机低压端的非叶轮侧轴承温度缓慢上升，最高温度接近高报温度120℃，但其间振动参数没有明显变化（见图2）。

图2 膨胀机流量及非驱动侧轴振、温度图

3 原因分析及处理方法

经过排查和分析汽轮机轴承温度波动趋势，排除现场仪表显示问题、工艺波动、汽轮机电刷磨损静电传递、设备转速波动、配件质量等原因，导致轴承温度波动的原因主要是：

（1）膨胀机低压端非叶轮侧轴承温度上升原因。

（2）解体检查发现轴承与轴之间的间隔，以及齿轮轮齿的啮合间隙正常，除发现膨胀机低压端的非叶轮侧轴承表面有疑似漆膜（见图3），其它轴承均未发现异常。

图3 膨胀机非驱动端轴承及运动副实物图

（3）因该润滑油更换不到一年，油品质量在开车前检测合格，为消除疑虑，该公司将润滑油外送专业公司进行检测分析。专业公司确认轴承表面附着物为早期漆膜，MPC（漆膜倾向指数）（见图4）

图4 油液监测专业技术出具的油液监测技术分析报告

（4）本膨胀机机所用润滑油为壳牌多宝46号透平油（矿物油）。矿物油当在温度较高时，润滑油品氧化，氧化产物聚集在轴瓦表面形成漆膜。矿物润滑油主要由烃类物质组成，烃类物质在常温和较低的温度下性质比较稳定。但如果在高温情况下，某些（哪怕数量极少）烃分子会发生氧化反应，其他烃分子也就会跟着发生链锁反应，这是烃类链锁反应的特点。

（5）设备技术人员围绕设备本体支撑、进出口管道管道冷态应力、油路系统查漏、温度探头的完好情况进行了排查。并更换了膨胀机低压侧非驱动端的一套轴承，但开车一个月后，温度仍达到110℃，随后振动及温度出现较大的波动，虽然工艺方面对膨胀机低压侧的流量、压力、温度进行了多次调试，以期接近改造前工况，但几乎没有任何效果（见图5）。

图5 2月13日至3月29日相关指标趋势图

通过对实际工况再次进行核算，可发现在膨胀机现有工况点下，如进气量稳定在120t/h时，其输出功率为8000kw，与原设计正常工况下输出功率7990kw比较接近；如进气量为130t/h时，其输出功率为8680kw；如进气量为146t/h时，其输出功率为9660kw。由于低压侧所做的功占膨胀机的三分之二，因此膨胀机低压侧存在过载可能。当温度超过110℃时，振动值发生剧烈的变化，表明该时段轴与轴瓦表面新产生的漆膜可能发生刮擦现象（见图6）。

图6 膨胀机组功率平衡表

3.2 存在问题的机理分析

（1）如图7可以看出：坐标系下瓦块支点微幅振动方向与水平坐标线的夹角为β、瓦块摆角为φ，5块瓦组成的可倾瓦轴承系统，当瓦块承受油膜压力时，由于瓦块支点不是绝对刚体，受压变形后瓦块支点位置由于支点刚度作用会沿几何预载荷方向产生小位移，进而改变了轴承间隙及油膜厚度[1]。

图7 可倾瓦轴承单块瓦坐标系

（2）从图1中可知，该转子为悬臂梁结构，叶轮是主要做功元件。由于叶轮侧是驱动侧，在气体膨胀做功时，由于气体阻尼的作用，使得叶轮侧的转轴在轴瓦中处于一个理想的状态，油隙保持正常。大小齿轮啮合传递扭矩在的过程中，以此为支点，非叶轮侧轴在过载状态下的径向自由移动将受限，其润滑膜压力高于其它轴承处的润滑膜压力，使得该处润滑膜刚度变大，油膜更新速度下降，摩擦热增大，可能产生漆膜。

（3）油液中的漆膜主要由以三种形式产生：油品氧化、油液“微燃烧”、局部高温放电。该漆膜应是油液“微燃烧”所致。其机理如下：润滑油中多少会溶解一定量的空气（一般小于8%），当超过溶解极限后，进入油液的空气以悬浮形式的气泡存在油液中。进入该处轴承后，高压使这些气泡经历快速绝热压缩，流体温度迅速升高造成油液绝热“微燃烧”，生成极小尺寸的不溶物。这些不溶物有极性，易粘附到金属表面从而形成漆膜。压力越大，不溶物的溶解度越低，就越容易析出沉降生成漆膜。

（4）随着漆膜的形成，处于非自由状态下的油膜厚度被漆膜侵占，同时油膜的更新速度降低，温度逐步上升增加了轴瓦表面与轴之间的摩擦，同时沉积的漆膜导致散热不良、油温上升，导致轴瓦温度升高。最终轴颈与漆膜碰擦，表现在轴振出现剧烈波动。

（5）虽然检测该膨胀机油品的MPC值不高，但当润滑油系统中存在漆膜时，由于润滑油对漆膜粒子的溶解能力是有限的，漆膜粒子在油中的溶解与析出是一个动态平衡系统，当达到饱和状态时，漆膜就会挂在轴承或轴瓦上，造成轴瓦温度波动，是影响安全运行的重大隐患。但由于它粘附在轴瓦上，是造成轴瓦温度上升的原因之一。

4 措施与对策

清除轴承处漆膜的聚积，可以保证机组轴承在可控的温度下运行。通过调研，经与多家除漆膜设备厂商进行交流，我们选择了使用效果、市场口碑比较好的昆山威胜达生产WVD-II型静电吸附+树脂吸附这种复合的除漆膜设备消除漆膜。

WVD-II系列净油机有效结合了静电吸附净化技术和离子交换技术，通过树脂吸附解决溶解态漆膜，通过静电吸附解决析出态漆膜，该技术可在短时间内最大限度减少油泥的含量，使原来含有大量油泥/漆膜的润滑系统恢复最佳运行状态，解决因漆膜而引起的止推轴承温度缓慢上涨问题。能有效地去除和预防汽轮机在正常运行过程中产生的溶解性和非溶解性油泥。

其主要原理如下：

4.1 离子交换树脂去除溶解态漆膜

离子交换树脂主要由高分子骨架和离子交换基团两个部分组成。吸附原理如图8所示，

图8 离子交互树脂吸附原理

交换基团分为固定部分和活动部分，固定部分被束缚在高分子基体上，不能自由移动，成为固定离子；活动部分与固定部分以离子键的方式结合在一起，成为可交换离子。固定离子和活动离子分别带相反电荷，在轴瓦处，活动部分分解成自由移动的离子，与其他带同种电荷的降解产物发生交换，使之与固定离子相结合，被牢牢吸附在交换基团上，从而被油液带走，溶解态的漆膜被离子交换树脂吸附去除。

4.2 静电吸附技术去除悬浮态漆膜

静电吸附技术主要利用高压发生器产生高压静电场，使油中污染颗粒物极化而分别显示正、负电性，带正、负电性的颗粒物在超高压电场的作用下各自向负、正电极方向游动，中性颗粒被带电颗粒物流挤着移动，最后将颗粒物都吸附并依附于收集器上（见图9）。

图9 静电吸附技术原理

静电净油技术可以去除所有不溶性污染物，包括颗粒杂质和油品降解产生的悬浮态漆膜。而传统的滤芯只能去除对应精度的大颗粒，亚微米级悬浮态漆膜难以去除。

该系统可彻底解决析出和沉积在轴瓦上的漆膜，从而彻底解决因漆膜而引起的轴瓦温度波及振动变化的影响，使得机组得以长周期稳定运行。

5 结束语

自从投用苏州威胜达WVD-II除漆膜净油机后，通过静电吸附和离子交换树脂相结合的技术手段，双管齐下，轴承的温度得到了稳定，通过2年的运行，轴承温度始终保持在90℃左右，机组运行保持正常，拆解后轴瓦表面及轴颈部位基本没有发现漆膜。

6 产生的效益

通过除漆膜滤油机的安装运行，从而解决了PTA装置透平膨胀机低压端的非叶轮侧轴承温度缓慢上升问题，避免了机组停机造成的巨大损失（机组开停机，至少3天，损失至少400万元；更换轴承，时间1天，损失100万），以及轴承温度缓慢增加后对转动及密封部件造成的备件损失（损失在50～800万元之间）。

该机组共充填160桶油品，通过除漆膜高精过滤后油品完全达到合格指标，节约了油品更换费用50万元。