汽轮机转子热弯曲及临界转速偏移故障分析及处理

米孜拉夫·麦麦提，秦 涛，陈 刚，刘 辉

（中国石油 独山子石化公司，新疆 独山子 833699）

中国石油独山子石化公司苯乙烯装置压缩机组（21-K-2471）输送介质为富氢尾气，额定质量流量为10 025 kg/h。压缩机组通过不断地从粗苯乙烯冷凝器E-2205中抽出脱氢尾气来降低并维持脱氢单元的压力，从而为1个或多个需要氢气原料的工艺单元提供进料。

按照工艺设计，若该压缩机组停机，苯乙烯装置只能维持50%的生产负荷，将严重影响苯乙烯装置的产能。因此，快速准确地处理压缩机组故障对于苯乙烯装置连续平稳生产及经济效益的实现至关重要。

1 压缩机组简介

压缩机组由RE3型3级离心式汽轮机、A35型变速箱及SKUEL816型双螺杆压缩机3个主要部分构成。汽轮机包括转子、轴承、气封、调速系统、速关阀和控制系统等，主要为压缩机提供驱动力，由美国DRESSER-RAND公司制造。减速箱的作用是降低汽轮机传递至压缩机的转速，其变速比为 3.689:1，采用人字齿轮，由 MAN TURBO AG公司制造。螺杆压缩机的阳转子共有4个齿，阴转子共有6个齿，使用碳环密封，密封气体则使用0.3 MPa、190℃的低压蒸汽。

压缩机组结构示意见图1。

图1 压缩机组结构示图

2 压缩机组故障描述

该压缩机组在2019-09装置检修开工时及之前几年均开机困难，开机过程中汽轮机、减速箱、压缩机振动值分别多次超过制造厂家提供的设防值，导致压缩机组开机过程中联锁停机。其中，汽轮机转速从500 r/min升至4 500 r/min时，汽轮机驱动端振动值上涨至联锁值76 μm，导致机组开机失败。正常运行时汽轮机驱动端振动值不大于10μm，报警值为38 μm。

汽轮机高速暖机转速设定值为5 181 r/min。实际运行中，汽轮机转速升至4 600～4 700 r/min时，汽轮机前后轴振动值开始波动上升，汽轮机转速达到5 150 r/min时振动值突然跳升超过联锁值152μm（联锁倍增），最大达到 158 μm，转速无法达到高速暖机转速即开机失败。

3 压缩机组故障分析

3.1 汽轮机转子热弯曲

分析发现，汽轮机转子联轴器端VT24861和非联轴器端VT24862振动值同时上升，对应关系良好，压缩机和增速箱振动值也同步变化。检查仪表回路，未发现检测系统故障，说明振动值真实、准确。通过沈鼓状态监测系统SG8000查看机组波形频谱图，汽轮机转子联轴器端和非联轴器端波形光滑、稳定且重复性好，均为等幅正弦波，只有一倍频振动幅值异常增大，其它倍频无明显异常，最大幅值均小于5μm。

常见的引起一倍频振动幅值异常增大的原因有［1］：①转子不平衡故障，如转子损伤、结垢、初始不平衡及转子热弯曲等［2-3］。②轴承偏心类故障，如轴瓦间隙超标、轴颈与轴瓦安装偏心等［4］。③支撑刚度异常，如支座、基础的松动、变形等引起共振［5］。④运行转速接近临界转速。

对以上4种原因进行排查：①压缩机及汽轮机转子在检修时都进行了清理，并且更换了压缩机阴、阳转子，汽轮机和压缩机转子没有明显损伤，动平衡试验均正常。②检修时测量的压缩机和汽轮机转子轴径及轴瓦内径均合格，安装时同心度均在厂家要求的指标范围内。③经检查，基础牢靠。用力矩扳手将紧固螺栓力矩值控制在要求范围内，现场敲击试验得到的固有频率和2015年检修前的数值基本一致。④汽轮机转子第一临界转速在3 000～4 000 r/min，升速过程中振动值与转速接近正比例增长，期间相位也未发生明显的变化。

通过逐项筛查，只有汽轮机转子热弯曲原因无法排除。查看SG8000状态监测系统Bode图［6］，转子转速和一倍频振动幅值同步增长［7］，但相位未发生变化，表明很可能是转子因热膨胀受阻或受热不均匀而产生热弯曲［8-9］。此外，压缩机组开车失败之后将低速暖机时间由20 min延长至40 min，再次开机汽轮机转子联轴器端VT24861和非联轴器端VT24862振幅最大值均不大于10μm，振动幅值在开机过程中未出现跳变。实际开机过程验证了汽轮机暖机升速过程中振动值持续增大的原因系转子热弯曲［10］，与图谱分析的结果是一致的。

3.2 汽轮机临界转速变化

汽轮机和压缩机的转子虽然经过动平衡试验均合格，但是仍无法实现质量中心和物理中心的完全重合［11］。安装后转子中心和轴承中心只是控制在可接受的范围内，无法保证完全同心，这样转子旋转时会产生一个和转速关联的周期性变化的离心力［12］。离心力变化频率和转子固有频率或基础频率接近时会产生共振，并导致振动值异常增大［13］，此时对应的转速称为临界转速。机组运行时需快速通过临界转速，避免由于振动增大导致设备损坏［14］。

该压缩机原设计的临界转速值为6 200～6 800 r/min，因此将高速暖机的转速设定为5 181 r/min，以避开压缩机在临界转速附近长时间运行。但该压缩机2009年投用后已运行11 a，期间更换了汽轮机联轴器、轴瓦等部件，改造了压缩机浮环密封，2019年还更换了压缩机阴、阳转子，并对压缩机支撑基础重新进行了定力矩值紧固，这样导致汽轮机临界转速与设计值偏离［15］，按照原设计升速曲线已无法实现机组顺利开机。

2019-09机组检修完毕开机时，汽轮机在高速暖机设定转速下，振动值无法稳定，并造成压缩机振动值跳变，压缩机非驱动端振动峰值达到联锁值而停机。

状态监测系统中汽轮机驱动端Bode图见图2，Nyquist图见图3。Nyquist图主要反映开停机过程中转速与振动幅值的对应关系，显示的是实际轴心在圆周方向偏离物理中心的位置，圆的半径为振动幅值，标注数据为转速，横坐标和纵坐标显示了在该转速下轴心的实际位置。查看图2和图3可知，汽轮机在转速5 150～6 700 r/min时振动幅值跳变，同时相位变化约100°，与汽轮机原设计临界转速已发生明显变化，原设计高速暖机转速已经在临界转速范围内，在此转速下压缩机振动明显［16］。

图2 汽轮机驱动端Bode图

图3 汽轮机驱动端Nyquist图

4 压缩机组故障处理

4.1 汽轮机转子热弯曲

汽轮机暖机时间不够是造成汽轮机转子临时热弯曲的直接原因。针对此问题，保持暖机转速500 r/min不变，将生产厂家原设定的汽轮机冷态暖机时间由30 min延长至40 min，热态暖机时间由10 min延长至20 min。同时，在暖机过程中将汽轮机各处排放阀门开度增大，以保证汽轮机转子受热均匀，汽轮机排气温度不低于350℃。采取以上措施后，再次开机顺利完成。

4.2 临界转速偏移

将高速暖机转速由原设计的5 181 r/min变更为4 450 r/min，避免汽轮机及压缩机在临界转速状态长时间运行。转速由4 450 r/min上升至7 772 r/min时，除转速在5 500～6 500 r/min区间内的升速曲率100 r/s保持不变外，其余阶段转速的升速曲率由10 r/s提升至25 r/s。依据临界转速的变化调整了汽轮机升速曲线，调整后汽轮机轴瓦振动峰值最大为26μm，远小于联锁值76 μm；压缩机轴瓦振动峰值最大为42μm，也远小于联锁值125μm。

5 结语

针对独山子石化公司乙烯装置尾气压缩机组（21-K-2471）发生的开机失败故障，采用排除法对故障原因进行排查，利用状态监测分析软件，通过图谱分析找到了故障根本原因。采取针对性的处理措施后，压缩机组顺利开机，可为同类故障处理提供借鉴。