CYR型蒸汽透平運行故障分析及處理

林萬洲，劉海泉，黃斌，侯開紅

(中國石油西南油氣田分公司，四川 成都 610000)

某公司天然氣凈化廠尾氣處理單元半貧砜胺液泵(以下簡稱半貧泵)將來自SCOT吸收塔的半貧砜胺液輸送返回脫硫單元吸收塔。每列裝置尾氣單元設置2臺半貧泵，“1開1備”，其中A泵采用電機驅動，B泵采用蒸汽透平驅動。該機泵體積流量為212 m3/h，揚程為800 m，電機額定功率為724 kW，蒸汽輪機額定功率為796 kW，轉速為2 980 r/min。設計初衷為日常裝置運行利用余熱鍋爐產生的4.0 MPa，360 ℃中壓過熱蒸汽驅動蒸汽透平帶動B泵運行，A泵處于備用狀態，對裝置產生的廢熱充分利用，達到節能降耗的目的。當B泵異常停車時，泵出口半貧液總管上流量計監測到低流量，控制系統將自動啟動A泵，減小給裝置生產帶來的波動影響。

1 蒸汽透平結構及故障現象

1.1 蒸汽透平結構

該公司尾氣處理單元采用CYR型單級蒸汽透平，結構如圖1所示。中壓過熱蒸汽經過透平的脫扣閥，調速器閥后，進入進汽側腔室；依次高速流過一系列環形配置的噴嘴和動葉柵而膨脹作功，將蒸汽的熱能轉變為推動透平轉子旋轉的機械功[1]；最后，蒸汽進入透平排汽側腔室，經出口匯入低壓蒸汽管線。該透平兩端各設置1套對開式徑向滑動軸承(以下簡稱軸瓦)，潤滑方式為雙油環潤滑。其中進汽側還設置1套定位軸承(又稱深溝球軸承)，對轉子起軸向定位作用。兩端還設置了4套碳環密封，防止蒸汽泄漏。另外，該透平還設有超速跳車系統、調速器系統、報警閥和附屬監測儀表設施等。

1.2 故障描述

該單元在運行一段時間后，發現該透平出現以下故障現象：

1)無論是停運還是運行過程中，該透平兩端汽封均存在嚴重泄漏，即便是在多次更換新碳環密封后，泄漏仍存在。

2)該透平啟機過程中，常出現失速聯鎖停車，控制盤上2個速度傳感器指示燈同時熄滅，檢查入口中壓過熱蒸汽各參數均滿足要求，且管道過濾器和蒸汽透平入口過濾網無堵塞，泵盤車靈活、無卡塞。

3)在該透平啟動逐漸升速的過程中，當轉速升至1 500～2 000 r/min時，常出現透平驅動端振動聯鎖，而此時透平非驅動端和泵的兩端軸承振動值均正常。

2 故障分析和處理

由于以上原因，導致該蒸汽透平無法正常投用，裝置余熱鍋爐產生的中壓蒸汽大量放空，造成資源浪費；半貧泵僅能運行A泵，增加了電耗和企業運行成本。針對上述故障現象，分析故障原因并采取了處理措施。

2.1 汽封泄漏原因分析及處理

碳環密封是依靠阻塞和節流作用進行工作的自緊式接觸型密封，為解決磨損后的補償問題，碳環密封采用分瓣式結構，在碳環外圓周上，用彈簧箍緊，對軸頸表面進一步壓緊貼合，建立密封狀態[2]。

一般情況下，蒸汽透平汽封泄漏都歸因于碳環密封的磨損、缺陷，或是主軸磨損導致的配合間隙增大。但通過檢查，碳環密封、主軸配合面外觀正常，并測定每組碳環密封于主軸的冷態徑向間隙，間隙值為0.43～0.45 mm，滿足標準值0.39～0.46 mm。即使更換碳環密封且間隙符合標準時，泄漏仍存在。

圖1 CYR型蒸汽透平結構示意

通過與其他國產品牌蒸汽透平對比發現，其中埃利奧特蒸汽透平在后期使用維護中要求，蒸汽透平首次投用或是每次更換完碳環密封后，須進行2～3次的碳環磨合，否則將造成碳環磨合不當，導致蒸汽泄漏。經調取歷史運轉記錄，該透平在檢修后，未按要求磨合，因此出現泄漏。

經過2次碳環磨合處理措施后，第1，2兩列半貧泵透平，汽封不再泄漏，設備運行平穩。通過幾次的碳環磨合，總結經驗如下： 碳環磨合僅需在DN20蒸汽旁通閥開度控制在50%時完成；透平在碳環磨合進行升降轉速操作時，盡量只通過操作面板控制，不通過開關蒸汽旁通閥控制，否則易引起透平失速聯鎖；磨合前，需對透平充分暖機[3]，確保脫扣閥處溫度達250 ℃，方能進行啟機操作；磨合初期，會有少量凝結水從汽封處隨主軸甩出，可通過微開3組排凝閥排出，一般轉速升至2 000 r/min時，不再有凝結水甩出；磨合前，汽封處可能會有蒸汽泄漏，一般經過2次磨合后，泄漏將消失。

2.2 失速聯鎖原因分析及處理

該蒸汽透平配備的現場就地控制盤，可實現邏輯控制和回路控制兩種控制功能[4]，顯示屏能顯示透平實時轉速，在透平聯鎖后，轉速和聯鎖代碼將交替顯示，便于用戶及時了解聯鎖原因。聯鎖代碼有以下幾個：

1)外部停機(EXTERNAL)。包括： 透平振動、溫度聯鎖，泵振動、出口流量和壓力等聯鎖。

2)2個MPU信號喪失(NO SPEED)。位于透平非驅動端的2個轉速探頭信號喪失，以下簡稱失速聯鎖。

3)超速跳閘(OVERSPEED)。透平轉速達到電子超速和機械超速而跳閘[5]。

4)面板上操作停機(FRONT PANEL)。按動面板上緊急停車按鈕，關停透平。

5)通信停機(MODBUS)。通信故障。

失速聯鎖常發生在透平啟機過程中，也有發生在正常運行時。通過對失速現象的判斷，失速有真失速和假失速兩種。真失速包括： 泵或透平卡塞、抱死，運行負載大；或是作為透平動力源的中壓過熱蒸汽參數不合格，供給存在問題等。假失速指透平實際轉速正常，而因速度傳感器探頭或齒輪故障等問題導致控制盤認為透平掉速，觸發聯鎖。

2.2.1 真失速

以3列透平為例，在2019年12月就曾出現失速聯鎖。經盤車檢查，發現盤車不動，脫開聯軸器，單獨對泵、透平盤車檢查，發現透平端能靈活轉動，而泵端已抱死。通過對該泵拆卸檢查，發現泵中間節流襯套與主軸摩擦抱死，經維修復位后恢復正常。

導致透平出現真失速聯鎖的另一原因是蒸汽供應存在問題。該單元1列蒸汽透平在正常停機例行維護保養后，重新啟動，當轉速達到該透平臨界轉速區間時，多次出現失速聯鎖。檢查入口蒸汽管道上Y型過濾器和該透平入口濾網，均未發現堵塞，且蒸汽參數滿足要求。通過對多次的失速聯鎖分析可知，每次聯鎖時，在釋放桿電磁閥未動作的情況下，脫扣閥先動作關閉，蒸汽切斷，之后控制盤顯示失速聯鎖代碼，該透平失速停機。而正常的聯鎖順序應為聯鎖觸發釋放桿電磁閥動作敲擊脫扣閥的手動跳閘桿，脫扣閥關閉，蒸汽切斷，同時控制盤顯示聯鎖代碼，透平失速停機。原因為脫扣閥是在未接收到聯鎖信號的情況下脫落關閉，造成蒸汽被切斷。脫扣閥結構如圖2所示，觀察脫扣閥上復位桿端部刀邊，以及手動跳閘桿鎖扣刀邊，發現復位桿刀邊已磨損呈圓弧型，鎖扣刀邊無磨損，兩者正常應為90° 角，使得復位桿刀邊與鎖扣刀邊的重疊寬度無法達到要求的3 mm，在閉合彈簧拉力的作用下，復位桿易從手動跳閘桿上滑落。加之當該透平轉速升至臨界轉速時，會產生一定的共振使得復位桿更易滑落。通過旋轉刀邊180°，更換新配合面，使得兩者重疊寬度要求值恢復到3 mm。重新啟動透平，失速聯鎖消失恢復正常運行。

圖2 脫扣閥結構示意

2.2.2 假失速

該透平速度傳感器為磁電式位于非驅動端，共4個，用于監測主軸轉速，速度傳感器安裝位置如圖3所示。其中傳感器C2-1位于正上方，信號接入就地轉速顯示器，不參與控制。傳感器C2-2，C2-3，C22，其中的2個傳感器探頭信號接入現場調速控制器和中心控制室，“2oo2”聯鎖，另1個傳感器備用。

圖3 速度傳感器安裝位置示意

當該透平啟動時，調速器面板上沒有速度顯示，但實際在運轉，造成假失速，調速器在有限時間內無法獲得傳感器的速度值，觸發聯鎖停車。此時，應從以下幾個方面進行檢查：

1)檢查速度傳感器的連接線是否牢固可靠，確保信號通道良好。

2)拆檢速度傳感器安裝是否到位。該透平使用的磁電式速度傳感器探頭與被測齒輪齒間隙要求為1 mm，其輸出電壓會受以下因素影響： 電壓隨著被測磁性材料表面速度的增加而增加；當傳感器與齒輪齒面之間的氣隙增大時，電壓減小；電壓波形是由齒輪齒的尺寸、形狀，傳感器探頭桿件的尺寸、形狀所決定的。

3)清潔磁電式速度傳感器探頭、被測齒輪上的污垢，確保檢測面的清潔。

4)當檢查發現磁電式速度傳感器探頭的磁性較弱時，則需更換新的探頭。

5)測量速度傳感器是否有交流電壓值輸出，有輸出說明傳感器工作正常。

2.3 振動聯鎖

透平振動聯鎖發生在啟動過程中，當轉速升至臨界轉速區間時，該透平驅動端振動值超標，觸發聯鎖。該透平使用電渦流振動探頭，電渦流傳感器測量被測物體(須為金屬導體)與探頭端面的相對位置[7]，即軸位移量。振動探頭共4個，驅動端和非驅動各2個，互成90°安裝，用于測定軸位移量，報警值為64 μm，聯鎖值為100 μm，“2oo2”聯鎖，即某一端2個振動探頭同時測得振動值超出100 μm時聯鎖。

2.3.1 振動監測系統

振動監測系統由探頭、前置器、延伸電纜、變送器組成，為排除振動監測系統誤報引起聯鎖的可能，需對振動監測系統做以下檢查和調整：

1)調整振動探頭與軸表面的間距。電渦流振動探頭與被測金屬導體的間距線性范圍為0.25～1.75 mm，對應直流電壓約為-13～-1 V，實際應用中間距一般控制為1 mm,通過微調傳感器使直流電壓為-10～-9.5 V。

2)檢測傳感器的直流阻抗值。可以通過查詢供應商提供的數據參數表來判斷不同長度傳感器的好壞。

2.3.2 機械檢查

由于振動值偏高發生在透平驅動端，需首先檢查泵和透平的對中情況。經測量，冷態下透平端聯軸器低0.10 mm，暖機后熱態下透平端熱膨脹，復測對中數據，偏差在0.07 mm以內，符合標準。若對中不佳，泵驅動端振動值將偏高，而實際振動值小于2.0 mm/s，這進一步說明透平驅動端振動高并非對中引起；排查透平轉子動平衡測試記錄，測試結果合格，所以由轉子不平衡引起振動值偏高的可能性較小。

根據分析以上現象，認為驅動端軸瓦故障的可能性較大。經拆卸檢查，發現上軸瓦、下軸瓦瓦面磨損均勻，未發現明顯缺陷或燒瓦的痕跡。測定軸頸直徑74.46 mm，略小于標準值74.47～74.48 mm，即軸頸有0.01 mm的磨損，因此軸瓦間隙的偏大非軸頸磨損引起。

按照該透平供應商的要求，透平上軸瓦壓蓋對軸瓦擠壓量標準值為0.040～0.066 mm。通過以下方法測定軸瓦擠壓量[8]： 在上軸瓦背面放置鉛絲，軸承座與軸瓦壓蓋間放置0.40 mm的剛性墊片，回裝軸瓦壓蓋并擰緊螺栓。拆除軸瓦壓蓋，取下鉛絲測量厚度為0.35 mm，可得軸瓦擠壓量0.05 mm，符合標準。

排除軸頸磨損和軸瓦擠壓量兩個可能導致軸瓦間隙偏大的因素后，基本斷定是由軸瓦磨損造成間隙超標，因此需更換新軸瓦。正常啟動，當轉速升至臨界轉速區間時，驅動端振動值最高為50 μm，未達到聯鎖值100 μm，透平成功啟動。

2.3.3 振動分析

轉動系統中轉子各段的質心不可能嚴格處于回轉軸上。因此，所有的軸或轉子即使在無載荷作用的情況下，旋轉時會出現橫向干擾，產生彎曲變形。

按供應商關于CYR型蒸汽透平說明，設備出廠時臨界轉速區間為1 500～1 800 r/min，而通過實測透平的臨界轉速區間為1 500～2 000 r/min， 轉速為1 800～1 900 r/min 時，振動達到最高，超過100 μm。實際調試中，在使用間隙超標的軸瓦時，為觀察透平啟動過程中的振動變化趨勢，防止因振動聯鎖，將驅動端振動探頭C和D聯鎖功能暫時屏蔽，但仍能觀察和記錄到實時振動值。如圖4所示，當轉速上升通過臨界轉速區間后，超過2 000 r/min時，振動值出現陡降，轉速繼續上升，振動值繼續下降，當轉速達額定轉速2 980 r/min時，振動值降至20～23 μm，符合過臨界轉速的振動特征。這說明該型號蒸汽透平出廠時所給的臨界轉速區間在長期運行后存在一定偏離，當裝配間隙超標的軸瓦啟運，通過臨界轉速區間時，共振效應會被顯著放大，所以當一端的2個振動探頭測得振動值均超過100 μm時，將觸發振動聯鎖。

圖4 透平啟運時驅動端振動趨勢示意

3 結束語

從現場對CYR型蒸汽透平的調試和檢修來看，良好的碳環磨合對汽封的正常使用至關重要；失速聯鎖需重點檢查泵和透平的盤車情況，速關閥復位桿和手動跳閘桿刀邊有無磨損，速度傳感器是否正常；振動聯鎖需檢測振動監測系統是否正常，核實聯軸器對中和軸瓦安裝數據，測量軸瓦和軸的磨損。采取以上措施后，蒸汽透平未再發生同類型故障，保障了設備的穩定運行。單臺蒸汽透平的投用，每年可節約電耗5.21×106(kW·h)，節約電費約人民幣323萬余元，節能降耗的同時，經濟效益顯著。