汽輪機葉片結垢故障診斷與運行過程中的處理

山 崧

(中國石油化工股份有限公司 天津分公司裝備研究院，天津 300271)

工業汽輪機具有運行平穩，連續運行時間長，可以提供較高的工作轉速和較大的功率范圍，并可實現相對平穩的變運行轉速、變功率輸出操作，在現代工業企業中得到廣泛的應用。汽輪機運行過程中通流部分結垢是影響機組穩定連續運行的常見問題，如果能夠盡早發現、診斷此類問題，采取相應措施是可以降低甚至消除結垢的影響。

造成結垢的主要原因是蒸汽鍋爐水污染，蒸汽鍋爐用水由于設備防腐蝕要求，需要保證其pH值呈堿性，數值控制范圍隨蒸汽壓力不同要求不同，通常采用向爐水中添加磷酸根鹽(磷酸三鈉)的方式來調整pH值，有時需要補充添加藥劑確保PH值合格。因此，進入汽輪機的新蒸汽中總會含有一定量鹽分，蒸汽在汽輪機內膨脹做功時參數降低，攜帶鹽分的能力逐漸減弱，分離出來的鹽分在蒸汽通流部位表面形成鹽垢，但這樣的鹽垢質地松軟可以被之后的蒸汽帶走，正常情況下不會造成持續堆積。當蒸汽中鹽含量超標或鍋爐水受污染時，汽輪機通流部位表面附著鹽垢增加不能被及時帶走，且隨附著時間加長其質地逐漸堅硬形成結垢，結垢通常在中、低壓各級葉輪最嚴重。

汽輪機轉子結垢可以通過振動監測和運行參數變化等信息加以診斷。結垢會造成轉子質量不平衡，但與其它不平衡類故障的特征也存在一些差別。在振動監測數據信息中，結垢造成的轉子不平衡故障通常體現為振動值緩慢增長，且過程中往往會存在小幅回落再上升現象，這是由于不平衡質量來自于不均勻粘結部分，且存在部分脫落造成。振動譜圖中轉子工頻成分幅值在全頻值中占很高比例，工頻相位存在緩慢變化。另外，汽輪機轉子軸位移會產生變化。在機組運行參數中，會出現汽輪機輪室壓力升高，蒸汽進、排氣溫度溫差減小，汽輪機輸出功率降低等情況。

1 案例介紹及故障診斷

1.1 設備及故障介紹

圖1 煙氣能量回收四機組結構簡圖

圖2 汽輪機各測點軸振動趨勢圖

圖3 汽輪機各測點1倍頻幅值趨勢圖

某石化企業煉油廠催化裂化裝置煙氣能量回收四機組由煙氣透平、軸流壓縮機、汽輪機、變速箱和同步電動/發電機組成。煙氣輪機將催化劑再生燃燒后產生的具有一定壓力能和熱能的煙氣轉換為機械能，同汽輪機一起驅動軸流壓縮機，為反再系統提供燃燒用風；同步電動/發電機回收驅動機富余的能量，并為機組提供電熱平衡調節手段。其結構簡圖如圖1。

機組于2018年7月中旬開始汽輪機軸流風機側測點1X軸振動值緩慢升高，至8月中下旬振值從15 μm升至23 μm，汽輪機其它三個測點振動值沒有明顯變化。在這一階段，汽輪機輸出功率可以滿足生產工藝高負荷要求。8月底至9月中下旬，測點1X振動值呈現加速上升趨勢，振動值最大達到53 μm，振值上升過程中隨機出現小幅回落再上升現象，同位置另一測點1Y和汽輪機變速箱側測點2Y振動值也出現一定幅度的同步上升。汽輪機兩端支撐位置各測點軸振動趨勢如圖2。對汽輪機各測點頻域譜圖分析，各測點振動全頻值中工頻分量幅值占比達到80%至95%。汽輪機各測點1倍頻趨勢圖如圖3，圖中觀察到在1倍頻振動幅值上升的過程中其相位也隨之發生變化。在此階段，汽輪機輸出功率明顯降低，輪室壓力由正常時的2.4 MPa至2.5 MPa升高到2.9 MPa，進、排汽溫度差由正常時的124℃下降至89℃。綜合分析、診斷，基本可以認定汽輪機轉子葉片存在結垢問題。

1.2 故障原因分析

分析汽輪機結垢問題的成因，主要方向是鍋爐水和蒸汽的品質。這臺汽輪機的蒸汽來源分別是余熱鍋爐容1、外取熱發汽容2和油漿發汽容3。從對應時間段的水、汽檢測報告看，鍋爐水pH值在9～11之間、磷酸根值在5～15 mg/L之間、硅元素≤2 mg/L，均在合格范圍內；容1、2飽和蒸汽及容3余熱過熱蒸汽按標準要求硅≤20 μg/L、鈉≤15 μg/L，而日常檢測工作中藥劑廠家只化驗爐水，不化驗蒸汽。為此，9月18日起安排對過熱蒸汽品質檢測，并由鍋爐專業人員和化驗專業人員對汽輪器的影響進行評估。對過熱蒸汽品質檢測發現過熱蒸汽硅含量偏高，而且在本次容2爐水檢測中磷酸根也出現超標情況，經過專業人員分析、評估不排除蒸汽品質不合格造成結垢產生的可能，污染物來源需要進一步查找。

2 故障成因和故障消除

基本確定汽輪機軸振動增大的原因后，首先采取減少汽輪機進氣量，調整加藥劑量，置換容2爐水，加大、加密爐水排污等措施以控制軸振動值上升趨勢，為徹底查找污染物來源爭取時間。采取以上措施后汽輪機軸振動開始下降，汽輪機進、排氣溫差增加5℃左右，汽輪機運行情況有所好轉。

徹查三個汽包的排污流程發現容1和容2排污采取定排、聯排方式，而容1安裝位置高于容2接近20 m，定排、聯排時容污水完全有倒灌如容2，導致容2沒有有效排污的可能。此后采取容1、容2分別定排，容1排污時關閉容2排污出口閥的措施，汽輪機軸流風機側軸振動有了大幅降低，至10月10日汽輪機測點1X、1Y兩方向軸振動值分別降至6.5 μm和9.7 μm，機組恢復正常運行狀態。

3 結束語

汽輪機轉子葉片結垢會造成轉子不平衡類故障，但與其它不平衡類故障的特征也存在一些差別。盡早發現，并結合設備運行參數變化情況進行診斷，采取相應措施，可以降低甚至消除結垢問題對設備連續運行的影響。