延遲焦化富氣壓縮機組開機過程中停機原因分析與處理

董 飚

(中國石化上海石油化工股份有限公司,上海 金山 200540)

中國石化上海石油化工股份有限公司2號延遲焦化裝置(120萬t/a)的富氣壓縮機K-9201是由沈陽鼓風機廠生產的單缸、2段、7級、水平剖分式、汽輪機驅動的離心壓縮機，型號為2MCL607。其作用是提高焦化富氣的壓力，以回收其中的液化氣組分(C3、C4及其他)。汽輪機KT-9201是由杭州汽輪機廠生產的凝汽式汽輪機，型號為NK32/36/32。該機組是2號延遲焦化裝置最關鍵的動力設備，其運行的可靠與否關系到裝置的正常運行。

對于汽輪機來講，無論是背壓式還是凝汽式，氣缸的死點都在后端(前端為非驅動端，后端為驅動端)，氣缸受熱膨脹沿軸向向前伸長，并通過2根拉桿螺栓，將前軸承座推向前方，汽輪機的推力軸承也隨之前移，將轉子也拉向前方。當轉子受熱膨脹時，則以推力軸承為死點，沿軸向向后伸長。因而轉子后端的聯軸器相對于氣缸的死點，便有盡可能小的相對位移，保證動、靜部件間軸線的一致性和各級間汽道間隙最小的變動量。

汽輪機是高速旋轉的設備，必須設置超速保護裝置，以使汽輪機在達到一定轉速時，迅速切斷進汽，進而停機。汽輪機超速保護裝置包括電子跳閘和機械跳閘2種。電子跳閘的作用方式是：當汽輪機達到一定轉速(如額定轉速的108%)時，安裝在保安系統壓力油管路上的電磁閥接收到停機信號，立即切斷速關油路，使速關閥迅速關閉，切斷進汽，汽輪機停機。機械跳閘的作用方式是：在汽輪機轉子上安裝有離心飛錘式危急遮斷器，偏心飛錘被彈簧壓在端蓋一端，在工作轉速下，彈簧力大于離心力，飛錘保持不動；當汽輪機達到一定轉速(如額定轉速的110%)時，飛錘的離心力增加，超過彈簧力，飛錘飛出，撞擊安裝在軸承箱上的危急遮斷油門的拉鉤，使危急遮斷油門脫扣，切斷速關油路，使速關閥迅速關閉，切斷進汽，汽輪機停機。

1 開機過程中停機分析

在汽輪機完成解體檢修、靜態調試后，對汽輪機進行了單機試車，在低轉速下，分別進行了危急保安裝置動作、現場緊急停機、操作室緊急停機等試驗。在進行電子跳閘試驗和機械跳閘試驗時，轉速在分別達到10 266、10 254 r/min時，汽輪機發生跳閘停機。該跳閘轉速低于設計的電子跳閘轉速(10 278 r/min)，更低于設計的機械跳閘轉速(10 372 r/min)，可以認為汽輪機發生了機械跳閘。當時以為發生這種情況的原因是轉子經過長時間的運轉，危急遮斷器的彈簧彈性下降，導致機械跳閘轉速下降，認為這是正常的。特別是，在安裝聯軸器后，對機組進行了聯動試車，在轉速3 000 r/min下運轉了一段時間，運轉平穩正常。因此，也就沒再深究其中的原因。

在后來的裝置開車、富氣壓縮機組開機過程中，前后共發生了4次沒有任何征兆的停機，轉速分別在7 500、3 800、6 000、5 100 r/min。4次發生停機的特征都是沒有任何聯鎖停機的記錄或信號，都是速關閥突然關閉，汽輪機停機。初步判斷，機組突然停機的原因是：危急保安裝置存在故障，在開機過程中，達到一定負荷后，速關油路會泄壓，導致速關閥關閉而停機。第5次開機時，將危急保安裝置手柄予以固定，相當于解除了機械跳閘功能(見圖1)，開機正常，順利投產。整個開機過程轉速的變化情況見圖2。

圖1 危急保安裝置手柄予以固定

圖2 開機過程轉速的變化

在檢修過程中測量危急保安裝置的相關間隙(見圖3)，測量數據見表1。數據顯示危急保安裝置的安裝間隙符合設計要求。

圖3 危急保安裝置相關間隙的測量

為了找到汽輪機跳閘停機的真正原因，在機組運行投產后，對現場進行了認真觀察，終于發現前端軸承座(見圖4)的左側拉桿螺栓背帽有一個間隙(見圖5)，經過塞尺測量，間隙有1.85 mm。出廠資料要求該處的間隙為0.07～0.09 mm。測量部位見圖6。

表1 危急保安裝置的間隙數據

圖4 非驅動端軸承座

圖5 拉桿螺栓背帽的間隙

圖6 前軸承座拉桿螺栓

2 拉桿螺栓間隙的產生與影響

1) 拉桿螺栓間隙的產生

大部分汽輪機的軸承箱結果如圖7所示，拉桿螺栓在軸承箱里，軸承座兩側的耳朵的前后各有兩個背帽銷緊，背帽之間有防松墊片。而汽輪機KT-9201的軸承箱結構與上述結構不同(見圖8)，拉桿螺栓在軸承箱外，軸承座兩側的耳朵的前后各有兩個背帽鎖緊，但是背帽之間沒有防松墊片，只是在背帽銷緊后相互之間點焊固定(見圖9)。兩種背帽防松方式的差別在于：前者的防松墊片(見圖10)，內徑側的凸邊插入拉桿螺栓的槽中，兩個背帽鎖緊后，墊片外徑的2～3個齒邊向背帽翻邊，這樣在汽輪機運轉過程中，不可能發生背帽松動的情況；后者兩個背帽鎖緊后點焊固定在一起，背帽之間不會松動，但是它們與螺栓之間沒有防松手段，對于新安裝的汽輪機，短時間內由于背帽之間有預緊力可能不會松動，但是汽輪機運轉一定時間后，由于存在一定的振動，背帽與螺栓的絲扣之間會產生磨損、變形，預緊力會逐漸變弱，一旦預緊力消失，兩個背帽就會與螺栓一起發生松動。

圖7 大部分汽輪機軸承箱結構

圖8 KT-9201軸承箱結構

圖9 KT-9201拉桿螺栓的背帽

圖10 防松墊片

拉桿螺栓的作用是隨著汽輪機的熱膨脹將軸承座推向前方，因此，汽輪機在運轉過程中，軸承座會隨殼體的熱膨脹向外膨脹，耳朵的內側背帽會推動軸承座向外移動，此時若背帽與拉桿螺栓發生松動，就會使外側的背帽與耳朵之間產生間隙。通過測量軸承座耳朵與殼體的距離可以判斷，圖9中右側螺栓的內側背帽與螺栓之間發生了松動。

2) 拉桿螺栓間隙的影響

a) 拉桿螺栓間隙對危急保安裝置的影響。

單側拉桿螺栓存在這么大的間隙，會導致軸承座相對轉子發生傾斜。危急保安裝置安裝在前端軸承箱體上，與轉子的相對位置見圖11，轉子在危急保安裝置拉鉤兩側的對應位置上有軸位移凸肩(見圖12)。軸凸肩的作用是：當汽輪機轉子軸位移超過拉鉤與軸凸肩的軸向間隙時，軸凸肩撞擊拉鉤，使速關油泄壓，速關閥關閉，汽輪機停機。

圖11 危急保安裝置與轉子的位置

圖12 轉子軸端示意

因此，拉桿螺栓間隙對危急保安裝置的影響就要分以下兩個方面考慮。

① 拉桿螺栓間隙對拉鉤與軸凸肩的軸向間隙的影響：

汽輪機非驅動端軸承箱結構見圖13。

軸承箱右側螺栓連接體處有間隙，經測量，該間隙值達到1.85 mm，而左側位置沒有間隙，處于完好狀態。兩拉桿螺栓的間距有510 mm，轉子凸耳直徑約φ90 mm。以軸承箱左側拉桿螺栓為起始點，該點到拉鉤的橫向距離約為210 mm。如不考慮汽輪機前端徑向軸瓦與推力軸瓦對軸承箱和轉子的約束，拉鉤軸向偏移量計算如下：

圖13 軸承箱結構

X=1.85÷510×210=0.76 mm。

但實際上，拉鉤與軸凸肩軸向間隙的變化是受支撐軸承、推力軸承的限制的，汽輪機總的軸向竄量也只有0.30 mm左右，故而該偏移量絕不會達到0.76 mm。況且原始的拉鉤與軸凸肩的軸向間隙有1 mm以上(見表1與圖3)。因此，危急保安裝置的拉鉤和轉子的軸位移凸肩是不會發生接觸的。

② 拉桿螺栓間隙對拉鉤與軸頸的徑向間隙的影響：

在計算拉桿螺栓間隙對拉鉤與軸頸的徑向間隙的影響時，軸承箱是以左側拉桿螺栓為圓心旋轉的，而拉鉤是以支撐軸承為圓心的。拉鉤到支撐軸承的軸向距離約為204 mm。拉鉤徑向偏移量計算如下：

Y=1.85÷510×204=0.74 mm。

危急保安裝置的拉鉤和轉子軸頸的原始徑向間隙為0.90 mm(見表1與圖3)，而因為拉桿螺栓間隙的存在，使得拉鉤徑向偏移量達到0.74 mm，因此，危急保安裝置的拉鉤和轉子軸頸的實際徑向間隙只有0.16 mm了。但這只是理論計算的結果，在實際運行狀態下，很有可能發生了危急保安裝置的拉鉤與轉子軸頸的接觸。

b) 檢驗拉桿螺栓間隙的影響。

后來利用汽輪機停機的機會，通過人為地調整其中一根拉桿螺栓的間隙，檢驗其對拉鉤在轉子相應位置的徑向、軸向間隙的影響。首先將兩根拉桿螺栓調整至相同狀態，即初始的安裝狀態，測量拉鉤在轉子相應位置的徑向、軸向間隙；再將左側拉桿螺栓背帽向后背緊1.85 mm，即汽輪機故障運行狀態，測量拉鉤在轉子相應位置的徑向、軸向的間隙，結果見表2。

表2 徑向、軸向的間隙數據

3) 軸承座傾斜對推力軸瓦的影響

汽輪機非驅動端軸承座發生傾斜在推力軸瓦上也有反映。該汽輪機有主、副推力瓦塊各8塊，共有4塊瓦塊有高溫、偏磨現象，見圖14和圖15。

圖14 發生偏磨的瓦塊表面

從瓦塊的磨痕也能看出，軸承座確實發生了傾斜。并且，4塊高溫瓦塊分別是主推力瓦塊的右側中分面上、下兩塊和副推力瓦塊的左側中分面上、下兩塊，與軸承座傾斜的方向也相互對應。

圖15 發生偏磨的瓦塊在推力軸承中的位置

3 汽輪機停機原因與應對措施

從表2的數據可以看出，拉桿螺栓間隙對拉鉤與軸凸肩的軸向、徑向間隙都有影響。但是其對拉鉤在轉子相應位置的軸向間隙的影響遠小于計算值，只有0.30 mm。這是由于推力軸承的限制作用，使得拉鉤與軸凸肩的軸向間隙還是比較大，足以保證二者軸向不會發生接觸。而其對拉鉤在轉子相應位置的徑向間隙的影響比較大，達到0.69 mm，導致最終間隙只有0.21 mm；同時還測得，圖16所示的飛錘頭部高出軸頸0.12 mm，也就是說，在故障運行狀態下，拉鉤與飛錘頭部的徑向間隙只有0.09 mm，而這可是汽輪機在冷態、靜止狀態下測量的間隙，在實際運行中汽輪機轉子高速旋轉的情況下，存在負荷波動、熱膨脹、振動等不確定因素，難免發生拉鉤和飛錘頭部徑向接觸的情況。

從前軸承座解體情況看，拉鉤和飛錘頭部確實發生了徑向接觸，見圖16和圖17。由圖16和圖17可以看出，由于長時間接觸，二者的痕跡均比較明顯。

圖16 轉子危急遮斷器飛錘的接觸痕跡

圖17 拉鉤的接觸痕跡

通過計算、檢驗拉桿螺栓間隙對拉鉤與軸凸肩的軸向、徑向間隙的影響，分析推力軸瓦的磨痕、拉鉤與飛錘的接觸痕跡，可以確定汽輪機發生跳閘停機的原因是：單側拉桿螺栓背帽松動，前軸承座膨脹不均勻，導致危急保安裝置的拉鉤與危急遮斷器飛錘頭部發生徑向接觸，引起速關油泄壓，速關閥關閉，汽輪機停機。

針對上述跳閘停機原因制定了如下整改措施：調整好拉桿螺栓的位置及其相關間隙；將鐵絲做成弓形，焊在拉桿螺栓上(見圖18)；通過鐵絲將軸承座耳朵兩邊的背帽連接在一起，并與螺栓端部焊接在一起，這樣，只要焊接不脫開、鐵絲不斷裂，背帽就不會發生松動。

圖18 拉桿螺栓防松措施

4 結論

1) KT-9201汽輪機拉桿螺栓與背帽只是靠兩個背帽的預緊力達到防松的目的，經過長時間運行后，背帽與螺栓之間由于振動、磨損、變形而發生松動，導致背帽與軸承座之間產生間隙。

2) 拉桿螺栓的作用是隨著汽輪機殼體的熱膨脹將前軸承座推向前方，但是拉桿螺栓產生間隙后，使得軸承座熱膨脹不均勻，發生了傾斜。

3) 軸承座傾斜后，使得危急保安裝置的拉鉤與轉子軸頸之間的徑向間隙變小、二者發生接觸，導致汽輪機達到一定負荷和膨脹量后，發生跳閘、停機。

4) 消除了拉桿螺栓間隙，并采取有效的拉桿螺栓背帽防松措施，消除了機組突然停機的故障，恢復了汽輪機機械跳閘的功能，保證了機組的安穩運行。