TP9-90型煙機故障原因分析及改造

劉 瑛，熊慧英

（1.湖南石油化工職業技術學院機電工程學院，湖南 岳陽 414000；2.廣西農業職業技術學院信息與機電工程系，廣西 南寧 530007）

某廠改造更新前的煙機因為長期運行在高速高溫、易腐蝕粉塵多等非常惡劣的環境下，且結構復雜、易損件多，經常出現故障，造成停工檢修。

1 改造前煙機結構和使用

1.1 改造前煙機構成

改造前煙機采用柔性的雙級渦輪轉子，進氣方式是常規的軸流式，垂直向上排氣。它由進氣段、2級動靜葉環的組件、轉子的支承系統、轉子組件、排氣段及底座6部分組成，此外還有潤滑冷卻、密封和檢測3大輔助系統，結構非常復雜［1~4］。

1.2 故障分析

煙機長期在極端惡劣（高溫、高速、易腐蝕）條件下運行，尤其轉子上的動葉片在熱應力及腐蝕環境下疊加離心力和氣動力，極易產生變形、裂紋等缺陷；此外，轉子結構中雙級渦輪在長期運行中，催化劑粉塵在動葉片的表面及2級渦輪盤間易聚集結垢，使轉子動平衡被破壞；柔性轉子的1階臨界轉速n1較低，非常容易產生油膜渦動［5］。

雖然改造前的煙機渦輪轉子采用的雙級結構設計可提高2%~3%的熱效率，但催化劑粉塵在長期運行過程中慢慢沉積，在動葉片表面和渦輪盤間最后形成了結垢，煙機轉子的動平衡被破壞，從而使其工作穩定性變差、振動大、使易磨損零部件的磨損加速［6］。

此外，由于采用雙級渦輪轉子，使動葉片等易損件增多。綜合分析可知，渦輪轉子采用雙級比采用單級結構設計，故障率會更高。

1.3 磨損情況分析

煙機從投入使用至改造更新為止，運行時間接近9 a。長期受到高速煙氣流沖蝕，由于氣流速度非常高，在動葉片根部產生強2次流動，煙氣流又富含了催化劑粉塵，因此會造成特別嚴重的腐蝕和磨損。同時因為轉子是柔性的，1階臨界轉速n1低，穩定性差、振動較大，加速了零部件磨損［7］。

1.4 TP9-90機組的振動情況分析

雖然改造前TP9-90型煙機機組在新安裝或檢修后，其動平衡都能達到要求。但由于磨損不均勻，疊加不均勻積垢，運行一段時間后，都會造成轉子的動平衡被破壞，使振動增大。

此外，由于是柔性轉子會導致工作穩定性不好，煙機額定轉速n（5 785 rpm）約為轉子n1（約2 900 rpm）的2倍，造成油膜的半渦動頻率約等于轉子n1所對應頻率，容易激起軸承的油膜震蕩，引起機組共振［8］。

1.5 腐蝕造成機組受損嚴重

石油催化裂化生產過程產生富含H2S的高溫煙氣，讓長期運行此環境下的煙機關鍵零部件非常容易產生裂紋缺陷，甚至導致產生重大事故。例如，改造前大檢修時在煙機的導流錐體處發現了多處腐蝕性裂紋［9］。

例如，某公司煙機發生了1起因動葉片斷裂造成的惡性事故。搶修后，操作員在未經檢查的情況下冷態啟動試車，儀表顯示最大振動為35μm，運行68 min以后，聯軸器螺栓突然斷裂，短接直接被甩出，煙機被迫停機。

分解煙機進行檢查，發現軸承已損壞，動、靜葉片幾乎全部斷裂；進氣錐體遍布裂紋；煙道嚴重受損；軸承箱與機座底板聯接已經松動；機殼多處受損。

對葉片斷口進行宏觀、微觀電鏡檢查結合力學分析后發現，是動葉片產生了裂紋缺陷，在冷開機試車的運行過程中，動葉片的原始裂紋在氣動力和離心力的共同作用下迅速擴展，最后突然斷裂，導致動靜葉片幾乎都被連根打斷，造成了煙機堵轉運行，進一步引起了聯軸器螺栓的過力剪斷。

2 煙機的技術改造措施和依據

煙機進行改造更新的措施是先將原煙機從基座上拆卸下來，再將新型煙機安裝在原有的基座上，冷卻密封、控制及潤滑等輔助系統都保持不變，節約了大量的基建時間和設備投入資金［10］。

2.1 改造后煙機概況

新型機組為剛性轉子的單級懸臂結構，排氣方向垂直向下（與原機相反）軸向進氣的煙氣輪機，改造后的新型煙氣輪機總體結構除了轉子采用了單級結構與改造前的煙機不同外，其余結構基本相同。

2.2 改造后煙機結構與性能參數

改造后煙機的主要結構參數見表1。

表1 新型煙機主要結構參數

改造后新型煙機渦輪轉子采用單級結構設計方案，外形尺寸為1 500×1 460×1 460（mm）。

改造后新型煙機的n是5 785 rpm，N軸輸出為8 286 kW，氣動效率η>82%，流量有（2 200、2 350、2 500）/（m3·min-3）檔，入口壓力為0.26 MPa，出口壓力是0.116 MPa，入口溫度達640~670℃，從進氣端處由外向里看轉子的旋轉方向是逆時針方向；該煙機最大工作轉速為5 900 rpm，報警跳閘轉速值為6 074 rpm，1階臨界轉速n1為8 306 rpm，2階臨界轉速n2>10 000 rpm。

2.3 技術參數對比

改造前的TP9-90型煙機采用了柔性雙級渦輪的轉子結構設計進行布局，而改造后的新型煙機采用的則是用剛性單極渦輪轉子結構設計進行布局；額定運行時，改造前煙機熱效率η不低于84%，而新型煙機熱效率不低于82%，具體對比見表2。

表2 主要技術參數對比

由表2可知，改造前后煙機的旋轉方向不變，最大工作轉速、設計轉速和跳閘轉速保持一致，但額定輸出功率改造后的下降了約2.52%，熱效率下降了2%左右，總質量下降了12.87%、最大維修件的質量降低了7%，轉子質量下降21.81%，轉子飛輪力矩下降了約38.57%，動葉片數減少59片、靜葉片數減為58片，而渦輪盤直徑增加10 mm，n1提高了將近2倍，n2提高了29%。

雖然煙機改造后熱效率降低了2%~3%，但并沒降低總效益。主要原因有2方面。

（1）由于此前煙機故障率較高，停產所造成的經濟損失及維修費用超過了2%~3%熱效率的經濟效益；

（2）改造前煙機的1、2級靜葉環在變形后，為了避免動葉與相應的靜葉碰摩，必須增大2級動葉與靜葉間葉頂間隙，此方法實際上降低了煙機運行的熱效率。

改造前煙機為柔性2級轉子，動靜葉片等易損件較多。在長期運行中容易在渦輪盤間及動葉片表面產生催化劑粉塵不均勻聚集后結垢，且轉子的1、2階臨界轉速較低，易引起轉子的動不平衡；導致出現振動大、穩定性差、故障率高等問題。

改造后的新煙機轉子改為剛性單級轉子，機器尺寸減小、結構相對簡單、質量減輕、易損件減少，且增高了臨界轉速，因此振動小、穩定性改善、故障率變低。

3 機組的運行對比

4月21日，改造后煙氣輪機進行首次試車，振動明顯降低。煙機前軸承振動由改造前的52μm下降至22μm，后軸承振動由改造前的48μm下降至14μm左右；軸流式主風機前軸承的振動下降了5~7μm，后軸承振動則下降了4~5μm；但齒輪箱振動前后變化不大，前軸承振動僅下降了1μm左右，后軸承振動下降了3~4μm。

改造后煙機運行良好，軸輸出功率與改造前相比下降較少，維持在8 700~9 100 kW/h以內，輪盤冷卻蒸汽消耗量由改造前的4 300 kg/h下降到了1 810 kg/h，如果蒸汽按蒸汽按100元/t計算，則可節約215萬元/a。機組運行平穩，煙機同步率達100%，完全滿足了生產要求，提高了經濟效益。

4 結束語

煙氣輪機由雙級改單級，轉子由柔性改剛性，有效解決了運行中雙級煙氣輪機2級輪盤之間催化劑粉末的不均勻聚集結塊從而引起轉子的動不平衡，輪盤臺階和榫槽因煙氣2次流沖刷容易磨損和油膜振蕩等問題，減少易損件，極大降低了振動和故障率，節省了維修成本，提高了生產效率。