催化裂化装置烟气轮机常见故障分析

张荫勋　李磊　魏杰

【摘 要】烟气轮机机组振动是制约机组平稳运行最常见的问题，本文通过状态监测，运用故障诊断分析方法，总结了烟气轮机常见故障特征机理，并结合机组历史状况，通过典型案例所采集的数据分析了烟气轮机的常见故障，并提出了处理故障的对应方案。

【关键词】烟气轮机；状态监测；故障诊断；频谱分析

Common Failure Analysis of Fume Gas Turbine in Catalytic Cracking Unit

ZHANG Yin-Xun LI Lei WEI Jie

（PetroChina Lanzhou Petrochemical Company，Lanzhou Gansu 730060，China）

【Abstract】The vibrations of fume gas turbine are the most common problems which limit stable operation of the unit.Using condition monitoring and fault diagnosis methods，the common faults and mechanisms of fume gas turbine are summarized.Combined with the historical condition of the unit，the common faults are analyzed by the typical cases data， and the corresponding solutions are put forward.

【Key words】Fume gas turbine；Condition monitoring；Fault diagnosis；Spectrum analysis

0 前言

烟气轮机是石油化工行业中常见的关键设备之一，它利用催化裂化装置生产过程中产生的高温再生烟气的余热驱动空气压缩机做功或给发电机提供动能，烟气轮机的工作状态对保证整个装置正常运行和节能降耗具有重要意义。

烟气轮机的工作环境极其恶劣，其转速为5000～7000r/min；工作介质为烟气，不仅温度高达600～700℃，并且其中还含有多种腐蚀性组分，大量的硬质催化剂例子，特别是烟气轮机工作时，这些因素均呈现出强烈的动态不稳定行，因此烟气轮机是催化裂化装置目前故障率最高的动力设备之一。据统计，烟气轮机平均无故障运行时间不超过280天，有的厂烟机一年停机修理2-3次是很普遍的现象。这与装置长周期运行的要求相差很远，频繁停机导致装置能耗上升，处理量下降，严重的使装置切断进料甚至非计划停工的现象时有发生，严重影响了企业的经济效益。因此，对烟气轮机常见的故障模式进行分析研究具有重要意义。

为保证烟气轮机长期安全、可靠、搞笑、经济运行，须对烟气轮机重点进行状态监测和故障诊断，及早识别故障早期征兆，对故障部位、程度及发展趋势做出准确判断，在烟气轮机故障将要发生之前主动实施维修，避免不必要的经济损失。

1 烟气轮机典型故障模式

由于烟气轮机工作在高温、高转速、粉尘等不利环境中，因此故障率高。烟气轮机常见故障主要有转子不平衡、转子不对中、转子缺陷、油膜涡动或油膜振荡、机组共振、碰摩以及机械松动等。

可以将这些故障模式做以下分类[1][2]：

1.1 不平衡及磨损

这一类故障的表象是一致的，就是烟机转子的动平衡被破坏，导致振动超标，甚至机组停机。

（1）磨损

催化裂化装置再生烟气中所含催化剂为主的烟气粉尘，随烟气一起高速通过烟机叶片，对烟机流道产生冲刷，在高温的作用下（通常烟气入口温度在620℃以上，我厂烟机入口温度为700℃），烟气粉尘对转子的磨损加剧，磨损严重的部位常发生在叶片、台肩、榫槽等部位，会出现刀刃状的划痕，冲蚀严重时会出现蜂窝状。

（2）叶片断裂

当叶片均匀冲刷时，磨损对烟机转子的平衡影响不大，而当出现不均匀磨损时，转子动平衡被破坏，机组振动值上升。当冲蚀现象日益加剧，叶片受损严重，同时机组振动逐渐加大，受损叶片在长期振动产生的交变应力作用下极易发生断裂，叶片突然断裂又会使烟机转子动平衡严重破坏，振动值巨幅上升。图1是烟气轮机叶片断裂实物图。

（3）粉尘堆积

烟机采用饱和蒸汽冷却、吹扫烟机轮盘。高温的烟气通过混有较低温度的蒸汽时，或者吹扫蒸汽本身带有不饱和蒸汽时，在水分凝结作用下，烟气粉尘会大量附着在烟机流道及叶片上。这些结焦物有时是均匀分布的，有时是不均匀的，这将直接影响转子的动平衡。特别是烟机高速旋转过程中烟气条件不断变化或结焦物增多、增重后，附着在叶片某部位的结焦物受离心力作用被甩脱，这样就严重破坏了转子的动平衡，引起机组振动突发性升高。而当结焦物大部分被甩脱后，烟机的振动又会降下来。图2是烟气轮机叶片上粉尘堆积的现场照片。

图2 粉尘堆积

绝大多数情况下，转子不平衡是引起烟气轮机振动大的主要原因。机组新安装或者检修后，动平衡都符合要求。但是，运行一段时间以后，由于轮盘或动叶片磨损、催化剂粉尘在叶片或者一、二级轮盘间不均匀堆积结块，造成转子动平衡破坏。由于烟气是气固两相流，烟气中含有催化剂粉尘不可避免，因此目前只能通过一定的措施减缓磨损和催化剂粉尘堆积结块。

1.2 动静碰摩

对于烟气轮机来说，由于高温变形，烟气粉尘堆积作用更容易发生碰摩故障。另外，分封间隙过小，同轴度偏差过大，油膜不稳，承载力减少等因素都会导致碰摩发生。

动静摩擦会产生切向摩擦力，使转子产生涡动，转子的强迫振动、碰摩自由振动和摩擦涡动叠加到一起，产生出复杂的、特有的振动响应，因为摩擦力表象具有明显的非线性特征。

1.3 转子不对中故障

造成机组转子不对中的原因有安装误差、管道应力影响、温度变化产生的热变形、基础沉降不均等。较高的温度导致烟机和风机的壳体及管线存在热膨胀，常常会导致壳体及管线的热分布不均匀，造成壳体变形、位移及承受较大的热应力。因此对烟机机组而言，热变形是导致对中状况恶化的主要原因。

1.4 油膜涡动

轴在轴颈中作偏心旋转时，轴颈从油楔中间隙较大的地方带入的油量大于从间隙小的地方带出的油量。由于液体的不可压缩性，多余的油就推动轴颈前进，形成与轴旋转方向相同的涡动。

轴承产生油膜涡动或油膜振荡的原因主要有：

a、轴承设计或制造不符合技术要求；

b、轴承间隙不当，轴承壳体配合过盈不足，轴瓦参数不当；

c、润滑油不良，油温或油压不当；

d、轴承磨损、疲劳损坏、腐蚀及气蚀等。

除上述几种典型故障外，机组热膨胀、热蠕变等因素造成的机械松动、动叶片锁片磨损导致叶片松动发生的碰摩、二级静叶环热变形造成的碰摩、异物进入导致的碰摩、烟气轮机入口管线安装误差导致的碰摩、烟气量不稳定而导致的流体涡流激振以及烟气轮机甩负荷时联轴器做功主从动关系改变而引起的强振等，在烟气轮机实际运行中都会出现。

2 烟气轮机诊断案例分析[3-4]

某石化公司一套催化裂化车间1#主风机组为三机组，即烟机-风机-电机结构，如图3。烟气轮机型号为YLII-1000H，轴功率可达12260kW，效率≥84%，双极悬臂梁结构，生产厂家为兰炼机械厂，表1为烟机详细参数。

2.1 烟机油膜涡动案例

2012年7月6日烟气轮机机组检修后正常开机，发现烟气轮机入口端振动高，接近报警值80um。再次停机检修所需成本较高，因此，试图通过状态监测系统分析寻找振动的原因，以期在不停机的状态下找到解决办法。

因为是检修后开机，经过复查，排除机械松动、转子不平衡等故障。

分析烟气轮机入口端振动频谱发现，主要的频率分量是1倍频（95HZ）分量，同时存在明显的0.5倍频分量和其余低频成分。从其振动趋势图中可以看出0.5倍频成分波动较大。频谱图上0.5倍频振动过大，且其轴心轨迹图呈现不规则、扩散形状，符合油膜涡动的基本特征，因此判断烟机发生了油膜涡动。

图6 烟气轮机入口端轴心轨迹图

油膜涡动的产生与润滑油各项品质及轴瓦间隙有着直接的关系。首先分析润滑油膜减振效果，表2是烟气轮机润滑油检验标准和结果报告；报告显示润滑油品质完全符合标准，因此排除润滑油减振效果差引起油膜涡动。

当轴瓦间隙较大时，油膜形成较厚并且形成较为困难，其减振效果较差，油膜受力不均就可能出现油膜涡动。

由于在之前的检修过程中，轴瓦间隙都为0.22mm左右，开机后润滑油温度平均在42℃，未发现有油膜涡动情况发生，而本次检修后轴瓦间隙为0.24mm；因此，轴瓦间隙变大可能是造成油膜涡动的原因。在开机后无法调整轴瓦间隙，因此只能通过调节润滑油油压和油温来进行控制。当轴瓦间隙变大，则应该降低润滑油温度，从而提高润滑油粘度，使得润滑油膜形成较为完整，从而降低或消除油膜涡动。

在采取了增大润滑油油压，并且降低润滑油温度后，烟气轮机油膜涡动成功消除，如图7。

2.2 烟机碰摩故障案例

2013年12月，烟气轮机因振动过大而停机检修，通过机组运行时采集到的数据进行频谱分析，从图8中可以看出：其波形图存在明显的“削波”现象；同时，存在丰富的高次谐波与低次谐波成分；轴心轨迹图中出现明显的“尖角”。以上是典型的转子出现轻微碰摩的故障特征。

车间对润滑油进行了铁谱分析，以下是铁谱分析结论：

该机检测部位：烟机瓦出口处

检测结果：该机在12月25日的图谱上存在片状和链状金属膜粒，有少量锡金磨粒，非金属颗粒和纤维，金属磨粒和非金属磨粒的数量较之前增多，金属磨粒最大尺寸约25μ左右，判断该机组存在轻微磨损。

由以上结论，我们就更可以肯定机组发生了轻度碰摩。在随后由于装置自报，烟机停机后打开检查发现轴瓦表面有磨损痕迹，如图11所示。

图中瓦块表面显出多道较深的轴向刮痕，从而证实了之前的诊断结论是正确的。

2.3 烟机不平衡故障案例

2012年12月17日，监测到烟机振动值升高，如图12。

取得了三旋出口处粉尘含量与烟气轮机振动的对比数据，如图16，发现烟机振动值随着烟气粉尘浓度的升高而增大。

图16 烟气粉尘含量与烟机振动对比

经现场检查烟机、轴承箱支架等地脚螺栓，未发现松动，故可排除此原因。判断机组振动主要原因为动平衡被破坏。在12月20日机组由于振动较大，而停机检修，通过拆出的转子，进一步得出了与之对应的结论。

图17为转子拆出时，催化剂粉尘黏附的情况，可以清楚看出催化剂附着较多，为均匀分布，说明烟机运行过程中存在有粉尘堆积引起的动不平衡。随着烟机转子的拆卸工作的进行，我们又得到了进一步的证实：图18为转子两级动叶之间的静叶拆出后经过用风吹扫后的照片，由图中可以看出存在已经烧结的大块催化剂硬块，呈不均匀分布，虽然这种粉尘堆积未分布在叶片上，但是其造成的动平衡破坏却不可忽视。

综合以上各种因素，得出最终诊断结论为：由于烟气中催化剂粉尘粘附及磨损叶片，从而造成转子动平衡被破坏，引起烟机振动过高。

为了降低该过程中烟机振动值，就应该尽量使得催化剂细粉在转子上粘附越少约好，这样在脱落过程中转子所受的不平衡力就会降低。或者使这粘附物尽量早的脱落下来，降低从黏附到脱落这一周期的时间，从而有效控制烟机振动值。

在烟机开机后可调整烟气量和轮盘冷却蒸汽量。车间选择了控制轮盘冷却蒸汽量，即将轮盘冷却蒸汽量在一定范围内提高，这样可以有效地降低烟机振动值。下面是改进操作方法前后的烟机叶片对比图：

4 总结

本文总结了烟气轮机常见故障形式、机理及其故障特征，并结合某石化公司140万吨/年重催装置烟气轮机具体故障实例进行了分析。通过实例分析发现，设备的故障诊断必然要经过信息收集——分析判断——推理——验证的循环反复的过程，对大型设备尤其像烟机机组这样复杂的多机组设备，它承受着机械、电气、热力等多种变化作用，且工况随生产需要经常变化，使用单一的分析办法很难判断异常所在。在监测时应采用多种方法进行综合分析，包括振动、铁谱分析、工艺参数的相互联系等，不断完善机组状态监测手段，提高故障诊断的精确的，确保机组的安全、长周期运行。

【参考文献】

[1]陈大禧，朱铁光.大型回转机械诊断现场实用技术[M].北京：机械工业出版社，2002：42-45.

[2]屈梁生.机械故障诊断学[M].上海：上海科学技术出版社，1986：25-30.

[3]王建军.催化裂化装置烟机机组2003年停机故障分析与改进措施[J].石油化工设备技术，2004，25（2）：24-26.

[4]方涛.烟气轮机机械故障的状态监测与诊断[J].设备管理与维修， 2005（1）：32-34.

[责任编辑：李书培]