基于振動與油液監測的煙氣輪機綜合分析

張 婷，李 磊，馬海余，毛文江

（1.蘭州石化公司研究院，甘肅蘭州 730060；2.蘭州石化公司機電儀運維中心 甘肅蘭州，730060；3.廣州機械科學研究院有限公司，廣東廣州 510535）

1 設備概述

煙氣輪機是石油化工行業重油催化裂化裝置中的關鍵性設備，同時也是該裝置主要的節能設備，通過再生器出來的煙氣壓力和熱能進行膨脹做功，拖動軸流壓縮機運行及發電，其運行情況直接影響到裝置的運行周期和能耗水平。故保證煙氣輪機的平穩運行，關系到整個生產裝置的正常生產。

2 故障現象

2019 年12 月至2020 年2 月期間，煙氣輪機振動出現2 次上漲，通頻值振動趨勢如圖1 所示，最高測點振值70.2 μm，但由于機組整體趨勢平穩，振動未到報警值，機組繼續運行，2020 年6 月1 日凌晨，煙機振動突然上漲至80.4 μm，在煙機各測點振動上升期間，軸流壓縮機、齒輪箱總體振動趨勢均比較平穩。

圖1 第1 次、第2 次煙機振動趨勢（通頻值）

3 故障分析

3.1 振動分析

通過監測數據圖譜分析，前兩次振動上升時，1×振動幅值緩慢上升，且在一定區間（約7～11 d）后振幅稍有回落，之后振動趨勢較為平穩，相位無變化，表明煙機出現均勻結垢故障，無垢層脫落。前2 次上漲過程中軸心軌跡圖中重復性比較好，未發現反進動現象，排除動靜部件碰磨的可能。

同理，通過監測數據可知，煙機振動值第3 次上漲（超報警值）時，頻率成分主要以1×成分為主，高次諧波和低頻分量很少，煙機各測點2×和0.5×成分振幅趨勢相對穩定，1×振動趨勢（圖2）顯示，煙機第3 次振動上升時振動幅值快速上升，沒有回落的趨勢，且相位發生約90°的變化，工頻振動和相位同時發生變化，1×相位的改變說明轉子的重心在發生變化，即工頻振動增大引起的轉子動不平衡加劇，表明此時轉子輪盤結垢可能已經惡化。另外，觀察第3 次振動上漲過程中的軸心軌跡圖，重復性比較好，未發現反進動現象。

圖2 第3 次振動上漲1X 振動趨勢

3.2 油液監測結果

在線監測整體數據穩定，黏度中位值為43.1 Cst，誤差處于離線數據黏度10%以內。黏度傳感器運行穩定，符合準確性80%以上的要求（圖3）。

圖3 黏度診斷結果

在線監測整體數據穩定，水活性中位值為25×10-6，整體未超過離線檢測數值。水分傳感器運行穩定，符合準確性80%以上的要求（圖4）。

圖4 水分診斷結果

在線監測整體數據穩定，污染度中位值為9級，與離線檢測相符。污染度傳感器運行穩定，符合準確性80%以上的要求（圖5）。

圖5 污染度診斷結果

3.3 煙機粉塵監測數據

通過調查，2019 年12 月至2020 年2 月利用SP-20 型高溫煙氣采樣儀，對煙機三旋入口粉塵濃度進行3 次監測，粉塵濃度呈增大趨勢。

3.4 分析結論

由振動分析判斷，煙機振動增大的主要原因是轉子的動平衡發生變化。煙機在運行過程中，引發轉子不平衡的主要原因有以下4 種情況：①轉子受熱不均產生局部的熱彎曲；②轉子的動葉片可能被沖刷磨損或磨損斷裂；③轉子輪盤的拉緊螺栓有松動或斷裂的情況；④轉子上有催化劑沉積結垢或脫落。

通過煙機的振動變化過程，結合粉塵監測數據來分析，判斷煙機轉子上催化劑粉末附著結垢的可能性更大。煙機前兩次振動值上漲，主要是1×幅值增長，但是1×相位保持穩定，說明隨著煙氣粉塵濃度上升，轉子輪盤附著的催化劑粉塵不斷增多，但附著層相對均勻，只是附著結垢導致不平衡量增加，不平衡造成的振動上漲；當煙機振動值第3 次上漲時，仍然是1×幅值增長，與前兩次不同的是，1×相位發生了突變（約90°），說明轉子輪盤附著的催化劑垢層逐漸變厚變多，增加至一定的厚度后，垢層易發生局部脫落，導致輪盤結垢不再均勻，轉子的重心發生改變，動平衡瞬間被破壞，進而引起機組振動突變。

4 結論

（1）從煙機的振動趨勢看，煙機振動前2 次出現緩慢上升，頻率成分以1×為主，是由于煙機動靜葉片有催化劑垢層緩慢吸附引起，使得煙機轉子的平衡緩慢上升，但未達到報警值，因生產需要，故機組繼續運行。第3 次振動值突增且超過報警值，煙機結垢已惡化或局部脫落。根據該機組特點和以上相關圖譜分析，造成該機組振動持續上升的主要原因應為催化劑先沉積結垢，而后局部脫落，從而破壞煙機轉子動平衡，引發機組振動。

（2）從煙氣粉塵監測分析結果看出，三旋入口煙氣粉塵濃度呈上升趨勢，導致煙氣中粉塵不斷被帶入煙機并粘結到動靜葉片上，使得煙機轉子的平衡被破壞。

結合以上二點確定煙機振動2019 年12 月至2020 年2 月開始緩慢上漲的原因為轉子均勻結垢；6 月1 日煙機振動值突變且持續上升，原因為垢層局部脫落。建議停機檢修進行清垢或更換轉子，以保證煙機的長周期運行，最大限度的發揮煙機節能降耗的作用。

5 現場驗證及處理

5.1 現場驗證

2020 年6 月3 日，機組停車后，檢修人員緊急開展設備拆檢，將煙機入口導流錐打開后發現動葉上有1～2 mm 的垢層，靜葉上結垢更為嚴重，垢層厚度7 mm 左右，可見造成煙機振動持續上升的主要原因是葉片先結垢，后發生局部脫落，與診斷結論一致。

5.2 處理措施

根據拆檢的情況，轉子輪盤結垢比較嚴重，為了有助于分析機組異常振動的原因，將未清理的轉子進行動平衡測試，測試結果顯示轉子不平衡量為5837.8 g·mm，其中轉子（自由端）不平衡量較大，約為4664 g·mm，依據不平衡量計算公式：

其中，G 為動平衡等級，M 為轉子質量，n 為工作轉速。反算得動平衡等級G：

而渤海裝備蘭州石化化工機械廠標準要求為：平衡等級不低于GB/T 9239.1—2006《機械振動恒態（剛性）轉子平衡品質要求》標準中的G1.0 級。

6 改進措施

煙氣輪機是煉廠重油催化裂化裝置的核心設備，其運行狀況直接影響到裝置的安、穩、長、滿、優及企業的經濟效益，從2019 年12 月至2020 年6 月煙機的運行狀況及結垢情況分析，緩解煙機結垢應做好以下3 點：①充分利用SG-8000 系統，及時監控煙機運行參數，異常情況及時處理，確保機組的各項運行參數嚴格控制在指標范圍內；②密切關注煙機入口粉塵濃度、催化劑粒度的變化，重點監控0～20 μm 催化劑的含量；③逐步完善煙機故障數據庫，在已有動力參數基礎上，重點添加煙機工藝參數（煙氣含量、煙氣粉塵濃度、粒度、催化劑型號、蒸汽溫度壓力等），并協同裝置對煙機運行狀態進行監控，通過監控大數據累計，掌握煙機故障發生規律及高頻故障種類，為煙機故障分析做數據儲備，提升煙機故障分析能力。