合成气压缩机组汽轮机轴振值波动原因分析及优化

郭 涛，黄建国

（河南晋开化工投资控股集团有限责任公司，河南开封 475000）

河南晋开化工投资控股集团有限责任公司二分公司百万吨总氨项目有2套600kt／a合成氨装置，每套合成氨装置配套2台离心式合成气压缩机，由汽轮机拖动，4台合成气压缩机于2012年11月陆续试车投运。2016年以来，8＃合成气压缩机 （以下简称8＃机组）汽轮机轴振值频繁发生波动，波动时机组要经过大幅度减负荷降低汽轮机的转速其轴振值才逐步下降，这种无规律的波动给操作人员带来了很大的操作难度，也对合成氨装置的稳定运行造成了较大影响。

1 汽轮机简介

合成气压缩机组汽轮机为合成气压缩机的驱动机，汽轮机与合成气压缩机通过膜片式联轴节联接，由葫芦岛锦西化机透平制造有限责任公司设计生产，整体设计为双输出轴抽汽凝汽式，主要技术参数为：型号5EH-7BD，额定进汽压力8.83MPa，额定进汽温度520℃，抽汽压力3.8 MPa，抽汽温度427℃，额定进汽量77t／h（正常工作 72t／h），额定抽汽量 0～40t／h，正常功率11550kW，正常转速11870r／min，排汽压力0.012MPa（A），排汽温度49℃。

2 8＃机组运行中出现的问题

从2016年2月开始，8＃机组的汽轮机轴振值开始频繁波动，在机组稳定运行的状态下多次出现几分钟内轴振值从20μm左右快速上涨至接近跳车值50μm。轴振值上涨后，操作人员需大幅度减负荷和降低汽轮机转速才能使汽轮机轴振值逐步下降，然后机组缓慢加负荷，汽轮机轴振值随即恢复正常。由于汽轮机的轴振值不是持续偏离正常值，而是表现为无规律的突发性波动，如果操作人员在轴振值突然上涨时未及时发现，就有可能造成机组跳车。因此，这种异常情况给操作人员带来了很大的操作难度，增加了操作风险，也给合成氨装置的稳定运行带来了较大影响。

3 汽轮机轴振值波动的可能原因分析与排查

3.1 工艺系统波动

机组运行过程中，如果工艺系统出现大幅度加减负荷、防喘振阀动作、氢氮比失调等波动，就会对整个压缩机组的稳定运行造成一定的影响，可能造成汽轮机的轴振值突然升高。但我们经过对8＃机组汽轮机轴振动值波动前后相关工艺参数的变化趋势逐一排查，发现在汽轮机轴振值发生波动时系统负荷、防喘振阀开度、氢氮比等相关工艺参数基本稳定，没有发生大幅波动，由此可排除工艺系统波动对汽轮机轴振值造成影响的可能。

3.2 润滑油系统波动

润滑油量不足、润滑油压力和温度不在指标范围内、润滑油品质差，都会影响轴承的润滑效果，可能造成油膜不均匀，继而对转子的动平衡造成影响并波及汽轮机的轴振值。但经过对压缩机组油系统的详细排查，并没有发现油系统存在问题。为防止润滑油连续运行出现杂质增多这一问题，我们采取了2个措施：一是利用外置滤油机对油箱中的油定期进行循环过滤，以防止管道中残存的杂物带入轴承室中；二是定期检查供油管线上的油过滤器，视情况更换滤芯，以提高杂质过滤效果。但采取以上措施后汽轮机轴振值频繁波动现象并没有得到有效缓解，由此可排除润滑油系统波动对汽轮机轴振值造成影响的可能。

3.3 汽封辅助蒸汽带水

机组开车时汽封辅助蒸汽由1.5MPa蒸汽管网提供，正常运行时低压侧汽封蒸汽由高压侧汽封泄漏蒸汽提供，终端泄漏汽由汽封抽汽冷凝器抽负压回收。由于汽轮机汽封辅助蒸汽为外管网送来的1.5MPa蒸汽，该蒸汽的过热度较差，汽轮机附近蒸汽管道实测温度只有200℃左右，如果汽封辅助蒸汽携带冷凝水进入汽封，就可能引起汽轮机轴振值升高。该辅助蒸汽为开车时使用，正常情况下该辅助蒸汽阀处于关闭状态，但也不能排除汽封辅助蒸汽阀内漏的情况。为此，技术人员对现场汽封辅助蒸汽管道进行温度测量，发现该蒸汽管道温度达350℃，处于过热状态，因此汽封辅助蒸汽阀应该不存在内漏，即使存在少量内漏，在这么高的温度下也很难有冷凝水产生，由此基本上可排除汽封辅助蒸汽带水对汽轮机轴振值造成影响的可能。但为防止汽封辅助蒸汽阀内漏量过大对汽轮机轴振值造成影响，技术人员还是采取了在线监控汽封蒸汽温度和压力的对策。

3.4 蒸汽管道应力

蒸汽管道安装过程中操作不当或未按要求安装等，会使运行过程中管道移位、应力得不到合理释放，由此都会对汽轮机的平稳运行造成一定的影响。通过对8＃机组汽轮机发生轴振值波动时的工艺参数进行查看，发现轴振值波动大多数发生在其他合成气压缩机开停车或加减负荷过程中，进一步查看汽轮机主蒸汽温度和中抽蒸汽温度，发现汽轮机轴振值发生波动之前主蒸汽温度和中抽蒸汽温度都发生过较为明显的变化，主蒸汽温度最高时达525℃以上，且温度升高时轴振值升高、温度降低时轴振值降低。于是对现场蒸汽管道进行排查，发现正常运行时主蒸汽管线靠近8＃机汽轮机处的2个弹簧支架位移量不一致，1个＋10mm，1个＋5mm，而停车时2个支架位移基本上回落到零位。另外，8＃机组汽轮机中抽蒸汽管道因工艺方面的原因未投用，但中抽蒸汽管道温度显示偏高，最高达到390℃ （正常时在210～280℃），中抽蒸汽管道现场靠近蒸汽阀处弹簧支架位移量达到＋10mm（其他3台合成气压缩机位移量在开车和停车状态时基本上都维持在5mm以内），在8＃机组停车后，弹簧支架位移量逐步恢复到零位，且管道在8＃机组基础南侧有1个管托发生较为明显的位移。由此我们推断蒸汽管道应力应该是8＃机组汽轮机轴振值波动的主要原因之一。

3.5 动、静部件发生碰摩

8＃机组自2013年开车以来，已运行4a，期间汽轮机未进行过大修。于是我们对2013年和2016年汽轮机的重要运行参数进行对比，结果如下：2013年8＃机组汽轮机轮室压力、二级后压力、三级后压力分别为4.3MPa、3.5MPa、1.7MPa；2016年8＃机组汽轮机轮室压力、二级后压力、三级后压力分别为5.2MPa、4.2MPa、2.2MPa。从变化趋势来看，汽轮机前几级叶轮后的压力逐渐升高，表明汽轮机的转子及通流部分结垢趋势在加剧。而当汽轮机结垢不均匀时，就会影响汽轮机的轴振值，且结垢会造成动、静部件间隙变小，尤其是汽封和级间密封的间隙，一旦发生碰摩，就会造成轴振值波动明显。由此我们推断汽轮机动、静部件发生碰摩应该是8＃机组汽轮机轴振值波动的主要原因之一。

4 8＃机组汽轮机轴振值波动原因的综合判断

通过以上排查和分析，技术人员断定8＃机组汽轮机轴振值波动的主要原因如下：汽轮机叶轮及通流部分结垢加剧，造成动、静部件间隙变小，当主蒸汽、中抽蒸汽管道温度发生变化时，由于热应力加剧，汽缸位移受到影响，动、静部件间隙发生变化，当间隙逐步缩小至达到碰摩条件时，动、静部件发生碰摩，汽轮机轴振值快速上涨；而当采取汽轮机减负荷、降转速等处理措施后，蒸汽管道对汽缸产生的应力减小，动、静部件间隙逐步增大，碰摩现象消除，汽轮机轴振值随即恢复正常。

5 优化措施及检修建议

5.1 调整主蒸汽温度

汽轮机主蒸汽管道厂控压力9.0～9.5MPa、温度500～530℃，为减小主蒸汽管道热应力对汽缸的影响，经技术人员讨论，将主蒸汽温度由525℃降至510℃左右。

5.2 调整中抽蒸汽管道温度

经检查，确认8＃机组中抽蒸汽管道温度高的原因有二：一是为防止中抽蒸汽管道积液，其蒸汽导淋保留有一定的开度；二是中抽蒸汽导淋根部阀处焊缝有1个沙眼，蒸汽存在泄漏现象。据检查结果和综合判断，随即关闭中抽蒸汽管道导淋阀，并对根部阀处的漏点进行了补焊处理。处理后，中抽蒸汽管道温度由350℃降至230℃左右，中抽蒸汽管道现场靠近蒸汽阀处弹簧支架位移量由＋10mm降至＋6mm。

5.3 检修建议

采取上述两方面的优化措施后，8＃机组汽轮机轴振值近1a来未发生过大的波动，这也充分表明之前我们对8＃机组汽轮机轴振值波动原因的判断是准确的，所采取的优化措施也是有效的。但同时我们也认识到，8＃机组汽轮机轴振值异常波动的问题只是暂时得到缓解，其实并未从根本上消除机组存在的缺陷。依据汽轮机厂家提供的参考建议，一般情况下汽轮机3～5a需要大修1次，并且第1次大修时间应根据试车以及运行情况提前进行。为此，针对目前汽轮机的运行状况，技术人员给公司提出了对8＃机组汽轮机进行大修的建议，并且大修时要对相关蒸汽管道存在的热应力缺陷进行校正。目前这一检修建议已得到公司同意，已作出2018年对8＃机组汽轮机进行大修的计划。

6 结 语

针对8＃机汽轮机轴振值异常波动的问题，公司技术人员针对可能的原因逐一进行分析与排查，经过长期的跟踪，并对照汽轮机轴振值的变化趋势和现场设备、管道的实际运行情况，提出了汽轮机轴振值异常波动的主要原因和可能原因，并针对每一种原因采取了对应的优化调整措施，暂时解决了8＃机组汽轮机轴振值波动的问题，在一定程度上保证了合成气压缩机组的稳定运行。同时，为了给合成氨装置的长周期、稳定运行提供有力保障，技术人员提出了对8＃机组汽轮机进行大修的建议，这一建议已纳入公司2018年的检修计划。