3K 氯氣透平機故障診斷與分析

馬 斌，馮 斌，劉占山，任明艷，龐智強，楊順瑩

（新疆中泰化學（集團）股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830019）

德國3K 氯氣透平機是一種精密的離心式壓縮機，機組設置了溫度、振動、位移、壓力、壓差、電流、氯氣濕度、水中含氯等多個控制參數，旨在提高機組運行的安全性。當機組運行過程中出現故障時，相應的控制參數也會發生偏離，影響裝置的穩定運行。新疆華泰重化工先后于2007 年、2010 年裝備了3 臺3K 氯氣透平機，最早的設備至今已連續運行15 年，下面將機組運行期間的故障診斷分析和處理方法進行闡述和討論。

1 3K 氯氣透平機的主要結構及工藝流程

3K 氯氣透平機主要構成包括級間冷卻器、后冷卻器、壓縮機主機、渦輪行星齒輪增速器、驅動電機、基礎框架、 油潤滑系統、 密封氣系統以及測量儀表等。VRZ250/430-12G 型氯氣透平機是二級離心式壓縮機，1 根高速旋轉軸上裝有2 個葉輪，與缸蓋形成2 個壓縮室。 系統運轉時，高壓電機驅動增速器，增速器將電機的1 500 r/min 低轉速增至10 000 r/min高轉速輸出，并通過聯軸器與壓縮機的旋轉軸相連，從而帶動固定在壓縮機軸上的2 個葉輪高速旋轉。在2 個壓縮室內，葉輪高速旋轉提高了氯氣的壓力，同時透平機各級壓縮室出口的高溫氯氣都要進入各級汽提冷卻器進行冷卻。經兩級壓縮后，達到設定壓力的氯氣被輸送到氯氣用戶裝置。 透平機組的油站分別向壓縮機前后軸瓦和增速器內部星星齒輪供給潤滑油。 透平機結構示意圖見圖1。

圖1 透平機機組結構示意圖

2 3K 氯氣透平機運行時故障診斷和分析

2.1 透平機進口氯氣濕度超標

透平機進口氯氣濕度要求<200×10-6， 高報值240×10-6，聯鎖值 480×10-6，日常運行過程中氯氣濕度值會出現波動上漲的情況。 在初始波動的時候，先要排除濕度檢測儀失真的問題，具體可解除濕度聯鎖，由儀表工程師將氯氣濕度探頭拆出來，采用丙酮清洗探頭，清洗干凈后，使用5%五氧化二磷試劑進行標定，復位后濕度自檢正常，表明隱患已排除。 如果仍然存在數值高的情況，需要對氯氣干燥工序使用的濃硫酸干燥機濃度進行檢測分析，必要時提升硫酸循環量，確保一次干燥的循環硫酸濃度達到75%以上，確保二次干燥的循環硫酸濃度達到97%以上。 最后需要注意的是，在裝置負荷不變的情況下， 通過提升硫酸加入量控制了氯氣濕度，后續需要分析硫酸消耗是否上升，如果存在上升等情況，需要在裝置機組停車時對氯氣水霧捕集器濾芯進行檢查，氯氣水霧捕集器濾芯種類有玻璃鋼骨架和鈦骨架， 早期裝置安裝的大多為玻璃鋼骨架濾芯，長期運行玻璃鋼骨架會出現老化，濾棉會發生破損脫落，可采取更換濾芯的方式對氯氣水霧捕集器進行修復。

2.2 透平機冷卻器泄漏

氯氣透平機級間和機后安裝有氯氣冷卻器，冷卻器出口冷卻水要求不能含游離氯，日常運行過程中查看水中含氯ORP 分析儀數據曲線， 發現ORP分析儀數據有持續上漲趨勢時，要考慮冷卻器列管泄漏故障，此時要立即在冷卻水取樣口取樣檢測冷卻水內是否含有氯，如果明顯含有氯，則可確定冷卻器換熱管泄漏。 雖然3K 氯氣透平機冷卻器大多采用無壓回水工藝，但發現冷卻器泄漏必須立即停機處理，因為冷卻器換熱管少量泄漏時冷卻水一般不會進入氣相系統，冷卻器換熱管從少量泄漏發展到大量泄漏的時間都比較短， 當泄漏量較大時，冷卻水會與氯氣一起由氣相管路進入透平機機殼內腐蝕轉子，造成設備事故。確定冷卻器泄漏后，可采取更換冷卻器的方法消除故障。在日常運行中應注重冷卻器的維護保養，如在裝置停車檢修時對冷卻器列管進行定檢清洗，冷卻器列管做重防腐處理等措施來延長冷卻器的運行周期，提高機組運行的穩定性。

2.3 透平機供油壓力低

3K 氯氣透平機供油壓力是非常重要的一個參數， 供油壓力直接關系到透平機主機和增速器運行安全，供油壓力低可能的原因有：（1）主油路壓力調節閥開度過大， 此問題可以將油站出口供油總壓力與進主機供油壓力對比確定， 并采取關小調節閥開度的方法解決。 （2）油過濾器濾芯堵塞，此問題可以根據雙油過濾器壓差色盤進行確定， 色盤正常為藍色，當紅色超過1/2 即可確定油過濾器濾芯堵塞，3K氯氣透平機設置有雙油過濾器， 當發生油過濾器濾芯堵塞時，可以采取切換油過濾器，更換濾芯的方法解決。需要注意的是，油過濾器濾芯更換后需要對檢修后的過濾器實施充油排氣操作， 避免后續油過濾器在切換時油路中有氣泡，出現供油不連續的隱患。（3）油冷卻器泄漏，具體確定方法可以通過檢查冷卻水中是否含有潤滑油、油站液位是否有降低來確定，3K 進口氯氣透平機設置有雙油冷卻器，油冷卻器泄漏解決措施可以采取切換冷卻器， 對泄漏的冷卻器換熱管進行消漏， 緊急情況在油冷卻器換熱管泄漏根數較少的情況下可以采取對泄漏的換熱管采用銅堵頭盲堵的方式暫時修復管束， 后期再整體更換新管束。 （4）油站內部油泵進口管口過濾器堵塞、止回閥卡頓，此問題需要停機對過濾器清理，對止回閥閥桿進行研磨修復。（5）主油泵磨損，3K 氯氣透平機主油泵采用螺桿泵，發生磨損的概率相對較低，對前面的問題排查確定后再考慮油泵的問題， 確定后需要停機拆檢修復主油泵。

2.4 透平機供油溫度高

3K 氯氣透平機供油溫度也是非常重要的一個參數，供油溫度正常值一般45 ℃以下，高于55 ℃報警，油溫過高會造成機組油路結焦，供油溫度高的原因通常有：（1）冷卻水供水壓力不足或冷卻水水溫過高， 通過檢測或查閱冷卻水進水溫度曲線以及供水壓力趨勢進行對比，可判斷出水溫和水壓問題，確定后可以采取提高冷卻水壓力、 降低冷卻水溫度的措施解決。 （2）油冷卻器管程堵塞，此問題會造成冷卻水循環量小， 較少的冷卻水對潤滑油進行冷卻會出現油冷卻器冷卻水進出口溫差大，3K 氯氣透平機通暢設置有雙油冷卻器， 此問題需要對切換油冷卻器進行切換，疏通清洗堵塞的管路。 （3）油路溫控閥失效， 此問題可以通過實際測量油冷卻器冷卻水進出口管路溫差確定，發生這種情況時冷卻水溫差小，潤滑油不經過油冷卻器大量走旁路， 通過提高油冷卻水供水壓力或降低冷卻水溫度對降低油溫作用不明顯，有效措施是采取停機更換溫控閥閥芯，修復溫控閥的方法解決。 （4）軸瓦磨損，軸瓦磨損造成徑向軸瓦和軸徑之間、推力瓦和推力盤之間間隙過大、過小不能形成油膜，磨損發熱。這種情況通常伴隨有軸振動、位移異常，一般只能采取停機修復軸瓦的方法徹底解決。

2.5 透平機氮氯壓差低或高

3K 氯氣透平機軸端安裝有三腔迷宮密封，同時以一定壓力氮氣密封氯氣保證15~35 kPa 的壓差實現氯氣不外溢。 氮氯壓差過大氮氣可能進入氯氣系統，影響氯氣純度，壓差過小則會發生氯氣外溢。 根據運行經驗總結，氮氯壓差低的原因有：（1）系統氮氣壓力低， 此問題可以調取氮氣壓力數值曲線進行確定，通過提高系統氮氣壓力的方式排除。 （2）透平機軸端三腔迷宮密封磨損， 此問題造成氮氣與氯氣不能形成有效的密封，一起進入尾氯系統，通常的外在表現有尾氯系統次鈉吸收負荷增加， 此問題短時間可采取提高氮氣壓力的方式維持運行， 后期必須停機修復密封。 （3）氮氣管路氣動閥故障，開度不足或閥芯堵塞。 此問題的排查確定可以通過觀察氮氣總管壓力趨勢， 通過調節氣動調節閥閥位觀察氮氯壓差的變化的方法進行，通過氮氣走旁路，對主路氣動閥拆檢，檢查氣動閥氣缸膜片、閥芯等排除故障。壓差過高的原因可對照過低的原因對比分析排除。

2.6 透平機IGV 進口先導閥不能調節

3K 氯氣透平機在日常運行時，如果長期處于一種穩定工況，IGV 進口先導閥長期不動作有可能發生傳動齒圈與先導閥外圓輪轂銹蝕卡澀， 再次調節時可能出現氣動閥閥桿在氣缸的強制動作下將閥桿頭部與IGV 齒圈相連的傳動銷剪斷，IGV 先導閥動作失效無法調節。 此問題發生后操作人員會發現日常運行時給定IGV 閥位，透平機進口壓力不發生變化，在初始開車時透平機進口負壓大，啟動電流高。根據拆檢經驗，IGV 進口導向葉輪發生卡澀的主要原因是IGV 齒圈與輪轂初始配合間隙過小，發生銹蝕或輕微形變時動作不靈活。 由于IGV 先導閥的拆檢需要將透平機主機的大蓋拆開、 將轉子整體吊出后才可實施， 所以前期可以考慮變更操作的方式運行機組， 啟機時提升進口充氮壓力至20 kPa 以上，正常運行時通過回流控制進口壓力-5~+5 kPa。在具備條件時對透平機進行拆檢，拆下IGV 先導閥對齒圈進行研磨修復，確保動作靈活，IGV 先導閥連接傳動示意圖見圖2。

圖2 IGV先導閥連接傳動示意圖

2.7 透平機軸振動、位移異常

3K 氯氣透平機軸振動值對應著徑向軸瓦運行狀態、軸位移值對應著推力瓦運行狀態，參數發生異常時，觀察數據變化趨勢，采用離線振動檢測儀檢測對比，同時結合對應點軸瓦溫度確定是軸瓦問題、傳感器問題、機組找正對中問題還是轉子動平衡問題。（1）傳感器問題一般有探頭松動、線路接觸不良，同時由于透平機所處環境為涉氯環境， 還存在傳感器接線端子腐蝕老化。 排除方法主要是停機更換傳感器探頭、對線路進行檢測重新接線，緊固更換接線端子。 （2）軸瓦問題主要是推力瓦或徑向瓦磨損，透平機軸瓦正常運行時磨損量非常小， 數年內幾乎檢測不出磨損量，但是當出現磨損后，將是一個急劇惡化的過程，兩年內軸瓦與軸徑配合間隙不斷增大，軸振動、軸位移、軸瓦溫度在大趨勢上呈現不斷抬升的過程，只能停機更換軸瓦。（3）機組對中找正問題。透平機組的對中找正就是主機與增速器、 增速器與驅動電機轉子達到統一軸線的調整過程。 校準順序通常是主機與增速器對中、增速器與驅動電機對中。由于主機轉子的轉速為10 000 r/min 以上， 機組的對中找正要求非常高， 通常可以采用百分表測量校準對中度或采用紅外對中儀測量校準對中度。（4）透平機主機轉子動平衡失衡。 透平機工作時， 轉子高速運轉。當轉子運行存在初期不平衡離心力時，會引起轉子的振動造成軸振動異常。 發生轉子動平衡失衡的主要原因是轉子流道或葉片部位結酸泥， 透平機在運行過程中，轉子不平衡量偏差較小時，振動值在規定范圍內不影響機組的正常工作， 但當轉子運行的不平衡力增大到一定值后， 轉子將產生較大的橫向振動，引起軸位移異常，這不僅會影響機組的正常工作，還會引發一系列嚴重后果。 當排除透平機組對中問題、儀表傳感器問題、軸瓦問題，確定是轉子問題引起的軸振動軸位移異常時， 需要及時停機對轉子檢查清理， 對透平機進口濾網及氯氣干燥工序的酸霧捕集器濾芯進行檢查[1]。

2.8 透平電機溫度異常

3K 氯氣透平機通常配套同步轉速1 500 r/min高壓電機，電機日常需要監測驅動端軸承溫度，非驅動端軸承溫度、 線圈溫度。 正常運轉時軸承溫度在45~75 ℃，線圈溫度根據環境溫度不同在70~100 ℃。電機溫度高的原因主要有：（1）傳感器故障，也就是電機軸或線圈實際溫度不高， 但是由于傳感器探頭損壞、線路破損引起顯示值過高，超過設定聯鎖值造成透平機停機，裝置停車。在透平機運行過程中曾遇到傳感器故障引起的裝置停車， 通過對傳感器拆檢發現傳感器探頭腐蝕， 分析原因是由于透平機處涉氯環境，長時間運行探頭被氯氣腐蝕老化。避免傳感器故障造成主機停機問題可以在裝置停車大檢修時對電機軸承及繞組上的探頭進行檢查更換。 （2）軸承潤滑不良或潤滑脂加注過量。3K 氯氣透平機電機軸承溫度設置有高溫聯鎖一般為110 ℃，根據電機使用維護要求需要大約2 個月對前后端軸承補加45~90 g潤滑脂， 運行初期運維人員在對電機軸承補加潤滑脂時，電機軸承溫度會出現上漲的情況，考慮到溫度聯鎖問題，潤滑脂注入量往往達不到要求量，久而久之電機軸承出現欠潤滑狀態， 運行時出現溫度升高的問題。根據運行經驗，在運行過程中可以采取暫時解除軸承溫度高聯鎖值、保留高報警值，特護狀態下對電機前后端軸承加注潤滑脂， 確保加注量達到45~90 g，加注完畢，觀察72 h，溫度趨于正常保持穩定后恢復聯鎖。 如果潤滑脂加注后電機軸承持續高溫，需要及時清理排油孔的堵塞的廢油，同時現場可架設軸流風機強制降溫。 （3）電機軸承磨損，電機軸承磨損后也會引起軸承溫度高的問題， 軸承磨損通常伴隨有電機運轉聲音異常，振動值上升，需要停機對電機檢修更換軸承。

3 結語

3K 氯氣透平機前期運行過程中在工況穩定的情況下性能是比較穩定的， 一般不易出現機械或電氣儀表方面故障， 前期運行過程中應關注好透平機機前氯氣水霧捕集器、 酸霧捕集器以及透平機級間冷卻器運行狀況， 避免氯氣將水分帶入主機造成轉子和密封腐蝕。 透平機運行至后期應關注尾氯量及軸振動、 軸位移的變化， 以此來分析判斷透平機軸瓦、密封及轉子平衡狀態，為主機預測性維修做好準備， 避免過早維修或延遲維修造成經濟損失或發生設備安全事故。