合成氣壓縮機長周期運行問題原因及處理方法分析

王芝明，王凱，徐鑫金

（1.煙臺萬華華東建設工程有限公司；2.萬華化學集團設備運維管理有限公司，山東 煙臺 264002）

1 概況

某合成氨裝置是上世紀70 年代引進美國凱洛格生產技術，2005 年進行了擴能改造，日產合成氨1500t。合成氣壓縮機組（103J）是隨裝置引進美國DELAVAL 的關鍵設備之一，其作用是將溫度7.5℃、壓力2.5MPa 的合成氣加壓至14.1MPa 送至合成塔進行氨合成反應。機組由高壓背壓式汽輪機（103JAT）、中壓凝汽式汽輪機（103JBT）、低壓缸和高壓缸組成；高壓汽輪機額定功率14914kW，中壓汽輪機額定功率5593kW，機組額定工作轉速為10850r/min。

機組油系統包含潤滑油、調速油、密封油3 部分，其中主、輔潤滑油泵為單級離心泵，主、輔密封油泵為齒輪泵，一臺汽輪機軸伸兩端分別連接主潤滑油泵與主密封油泵；一臺電機軸伸兩端分別連接輔潤滑油泵與輔密封油泵；主輔密封油泵的入口為潤滑油泵出口的一個分支。機組原采用機械液壓式調速器進行調速控制，2008年9 月進行了電子調速改造，取消原飛錘式超速保護系統，選用3 取2 電子超速保護系統實現超速保護，新增了1臺速關組件和2 臺伺服機構。

2 影響機組長周期運行問題原因及處理分析

2.1 高壓汽輪機轉子葉片斷裂

2016 年6 月3 日，高壓汽輪機（103JAT）轉子振動聯鎖跳車，通過在線監測系統查看汽輪機的運行趨勢、波形、相位變化及頻譜圖、軸心軌跡，發現在汽輪機振動增大時，以一倍頻為主，存在低頻成分，相位改變，分析轉子動平衡發生改變，并出現了碰磨現象，解體檢修發現第三級一葉片從根部斷裂，與隔板發生碰磨，斷裂葉片前后對比如圖1 所示。

圖1 高壓汽輪機轉子末級葉片斷裂前后對比照片

該轉子是由國內某化工機械廠完全按照Delaval 原設計加工、生產制造的二級改三級國產化節能轉子，斷裂的第三級葉片為自帶圍帶并在頂部整圈裝配內置拉筋，葉片材質為AISI422 不銹鋼，拉筋材質為TC4 鈦合金，分析該轉子葉片發生斷裂的主要原因如下：

（1）對斷裂葉片進行金相組織分析，葉片中非金屬雜物超標，葉片的承載能力降低導致斷裂。葉片金相組織中非金屬夾雜物如圖2 所示。

圖2 斷裂葉片金相組織照片

（2）葉片內置拉筋安裝工藝的影響。該轉子第2、3 級葉片是內置拉筋結構，拉筋的制造和安裝都是有間隙的松裝，然后冷滾壓成型，如圖3 所示，安裝后內置拉筋與葉輪槽存在間隙，運行時間長拉筋振動摩擦發生斷裂，導致葉片振動發生斷裂。

圖3 松拉筋安裝示意圖

2016 年對發生葉片斷裂的轉子進行了修復和改造：葉片和拉筋材質不變，更換了第二、三級所有葉片及葉頂內置拉筋，嚴格控制葉片中非金屬夾雜物在標準范圍內，并對葉片結構進行了優化，委托專業拉筋廠加工，保證尺寸誤差，并將原來的直拉筋加工成圓弧狀，由原來的冷滾壓改成熱滾壓安裝，改造后未發生葉片斷裂。

2.2 中壓汽輪機推力瓦靜電腐蝕磨損

2013 年9 月，中壓汽輪機（103JBT）軸位移突然上升，2013 年12 月，軸位移上升至聯鎖值。檢修時發現103JBT 止推軸承瓦塊（金斯博雷軸承）和轉子推力盤主推力面嚴重磨損，最大磨損處已經接近1mm。檢修更換轉子及新的推力瓦塊后，運行幾天后103JBT 軸位移再次出現增長的趨勢，裝置停車對止推軸承進行了檢查，止推軸承瓦塊出現磨損。推力盤和止推瓦塊磨損如圖4 所示。

圖4 止推盤和止推瓦塊磨損情況

圖5 放電裝置

從圖4 中可以看出推力盤表面全部呈麻狀面，瓦塊磨損部位的表面也出現了麻點，表明呈銀灰色，類似經過噴砂一樣，而且磨損區域與未磨損區域出現了一條明細的分界線。

中壓汽輪機（103JBT）為凝汽式汽輪機，隨著蒸汽的做功，在轉子的末級和次末級會出現蒸汽冷凝的液滴，轉子高速旋轉葉片與液滴摩擦會產生靜電，通常這個靜電不會對轉子運行造成影響，但隨著靜電聚集超過一定電壓，就會擊穿軸承與軸間的油膜，在瓦塊上產生凹坑，導致靜電腐蝕，油楔被破壞，瓦塊磨損，軸位移增加。一般認為，足以引起軸承電流損傷的電壓在20V 以上，典型的軸承損傷電壓在30 ～100V。另外該設備之前從來沒有出現過這樣的故障，此次變動是把原來的潤滑油牌號進行了更換，更改潤滑油后，軸承油楔中的油膜減薄使得油膜更容易被擊穿。根據103JBT 止推軸承磨損的特征，磨損面存在麻點的情況，結合各類資料可以判定磨損的現象為靜電腐蝕。為了解決該問題采取了以下措施：

（1）對機組潤滑油進行更換，將某牌潤滑油換成以前使用的長城牌SH46 合成抗氨汽輪機油。

（2）API612 要求“凝汽式汽輪機應在軸的同一端安裝兩只接地電刷”，在汽輪機軸端安裝了導靜電刷，安裝后使用萬用表測量轉子運行時對地電壓，從不安裝電刷的36V 降低到0.5V。該裝置安裝以后，運行至今未發生推力瓦磨損的故障。

2.3 主輔油泵切換機組聯鎖跳車

合成氣壓縮機從2008 年電子調速的改造后，始終存在主、輔油泵切換，主油泵打閘停機，機組發生跳車的問題，嚴重影響機組的平穩運行。

現象為主、輔油泵切換，主油泵打閘停機或緩慢降低轉速停機，或者主油泵因故障停機，輔油泵聯鎖啟動后調速油壓波動，調速油壓最低下降至470～480kPa 時，機組轉速開始快速下降，直至200r/min，機組失速聯鎖動作跳車。電子調速改造主要增加了1 臺速關組件和2臺伺服機構，速關組件內部控制原理圖見圖6 所示，電液轉換器供油切換閥2050 的動作原理為：圖中P 為調速油進油，當開啟手輪閥1830 建立起速關油后，速關油作用到切換閥2050 頂部，速關油克服彈簧力將2050 閥打開，使得調速油P 進入到電液轉換器內，電液轉換器接收4～20mA 信號將調速油轉換成0.15～0.45MPa 二次油作用到伺服機構上來調節汽輪機氣閥控制轉速。

圖6 103J 速關組件控制原理圖

2017 年12 月，將拆下的速關組件送至廠家進行試驗，發現切換閥2050 的動作值為0.57MPA，遠遠高于標準值0.30～0.35MPA，即當調速油壓力低于0.57MPA 時就會造成切換閥2050 閥關閉，電液轉換器供油被切除，二次油壓全都降至0，汽輪機調汽閥關閉，轉速低于200r/min 時系統判斷為失速而跳車。主輔油泵切換機組跳車原因是2008 年機組進行電子調速改造后，速關組件和伺服機構的用油量增大，潤滑油泵流量不能滿足需要，調速油壓力下降至 0.67MPA，而切換閥2050 的動作值為0.57MPA，設定過高，在主輔油泵切換過程中，油壓波動，調速油壓低于0.57MPA 而造成2050 閥關閉，造成機組跳車。為了解決問題，采取以下改進措施：（1）對主、輔泵的潤滑油泵進行擴能，增大葉輪尺寸，提高總油量。更換新葉輪后，調速油壓力由0.67MPA 提高到0.87MPA。（2）將油系統中的膠囊式預充氣蓄能器改為氣液直接接觸式蓄能器。該氣液直接接觸式蓄能器為專門研制，提高了供油量和蓄能時間。（3）將速關組件中切換閥2050的動作壓力值由0.57MPa 調整至0.32MPa( 標準值為：0.3～0.35MPa)。采取以上措施后，徹底解決切換跳車問題。

2.4 電液轉換器卡澀故障

2019 年1 月4 日，合成氣壓縮機高壓透平（103JAT）提板閥PRC12 突然關小造成蒸汽和油系統波動，1 月4 日至10 日期間，一直存在緩慢波動的情況。具體現象為控制提板閥PRC12 開度的二次油壓力不穩定，隨著調速油壓力波動，造成PRC12 閥位開度波動，因PRC12 控制的是高壓蒸汽，PRC12 閥關小后造成汽輪機出口蒸汽壓力降低，從而影響到主潤滑油泵驅動汽輪機的進汽壓力，進汽壓力降低造成主潤滑油汽輪機轉速下降，調速油壓力降低，PRC12 電液轉換器輸出二次油壓隨調速油壓力降低而減小，PRC12 再次關小，造成蒸汽系統和油系統波動。且在調整PRC12 閥位時存在不動作或嚴重滯后的情況，經排查和分析，最終判斷為機組速關組件上的電液轉換器內部錯油門發生卡澀。

卡澀的原因分析有以下2 點：（1）PRC12 長期閥位不調整，造成電液轉換器錯油門與殼體間形成氧化物或粘稠物造成卡澀。（2）潤滑油使用后氧化產生漆膜和油泥，造成電液轉換器錯油門卡澀。該機組潤滑油在2018 年12月7 日進行了清潔度分析，按油品潔凈標準NAS1638 判定為9 級，而電液轉換器要求的油品清潔度NAS1638 為7 級，而103J 調速油過濾器過濾精度為10μ，無法達到NAS1638 為7 級標準。

為了解決電液轉換器卡澀的問題，采取了以下不停機處理方法：

（1）使用2 臺螺旋千斤頂將PRC12 汽閥頂住，斷開PRC12 汽閥與油動機拉桿，然后在60%～100%閥位范圍內以最大20%閥位變化調整PRC12 開度。

（2）對機組潤滑油進行部分置換，減少油系統中雜質。同時使用平衡電荷凈化濾油機對潤滑油進行過濾。過濾15 天后，潤滑油清潔度達到了NAS1638 為8 級標準。

（3）將油動機滑閥底部振幅調整頂絲開大，提高二次油的回油量，增加對電液轉換器的干擾，避免卡澀。

（4）對PRC12 定期地改變開度進行擾動，增加調速油的流動，防止油中析出的氧化物或粘稠物在縫隙處聚集。

經過以上處理后，電液轉換器卡澀故障基本已解決，避免了裝置停車。另外為了徹底避免電液轉換器卡澀故障再次發生，在停機的時候采取以下改進措施：

（1）在調速油上油管線上增設1 組5μ 高效過濾器，增強調速油系統抗污染能力。

（2）在每個大修期間由專業廠家對所有電液轉換器進行清洗和調試。

（3）改進電液轉換器安裝模塊，增設二次油切除閥門，可實現不停機更換電液轉換器。

2.5 高壓汽輪機油封積碳摩擦振動問題

2019 年9 月28 日05∶43，高壓汽輪機103JAT 入口側 3H-3V 振值同時從13um 上漲達到47.71um，05∶48 恢復正常，持續時間5min42s，出口側4H-4V 都同時有相應變化，振值上升時相位從37°變化成246°，軸心軌跡也有變化，振值變化和持續時間如圖7 所示。

圖7 103JAT 振動波動趨勢

運行幾天后，10 月1 日、10 月6 日、10 月12 日、10 月15 日、10 月18 日、10 月21 日、10 月22 日再次出現類似振值，最高振值達到58.8um，處于黃燈報警，發生時間由間隔5～6 天減少為2～3 天發生1 次，每次持續時間5～7min 后恢復正常，經分析判斷為103JAT 出口側油封內積碳碳化，碳化物累計以后與轉子發生碰磨，瞬間轉子的固有頻率值就會上升，當剝離飛散后，峰值恢復原值，振動下降，之后再次出現堆積、接觸、飛散的過程，為了不停機解決該問題，在103JAT 汽封和油封間隙處安裝1 個銅板+石棉板的復合板，保證汽封漏氣不會對油封進行加熱，導致潤滑油碳化，同時對103JAT汽封和油封間增加氮氣吹掃，采取以上措施后，振動波動明顯好轉，波動時間從2～3 天延長至8～10 天，波動時振值也下降至報警值。裝置檢修時檢查兩端油封，發現排氣端氣封中潤滑油進入碳環嚴重，導致摩擦，如圖8所示，檢修對油封進行了更換，并在氣封和油封間增加了氮氣吹掃，運行至今未出現以上故障。

圖8 103JAT 排氣側氣封內進油積碳照片

3 結語

通過采取以上措施，解決了影響合成氣壓縮機機組穩定運行的瓶頸問題，保障了合成氨裝置的長周期運行。