催化煙機振動值上升原因分析與處理措施研究

高 翔

（中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，洛陽 471000）

煙氣輪機（以下簡稱煙機）是催化裂化裝置再生煙氣能量回收的專用動力回收透平機，其發(fā)出的功率用于驅(qū)動軸流式壓縮機（即主風機）和發(fā)電，從而達到能量回收的目的[1]。煙機是原料油催化裂化過程中重要的節(jié)能設(shè)備，其運行狀況影響著設(shè)備的整體能耗水平，對設(shè)備機組的安全運行發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，為提高設(shè)備的運行效率和質(zhì)量，要分析造成催化煙機振動的影響因素，針對不同影響因素采取不同的應對措施，以確保煙機的平穩(wěn)運行。

1 機組介紹

中國石油化工股份有限公司洛陽分公司的二號催化裂化裝置（以下簡稱二催化裝置）的煙氣輪機-主風機三機組于1994 年從美國德萊塞蘭公司引進，由煙氣輪機、軸流式主風機、齒輪箱、電動／發(fā)電機、控制儀表以及特殊閥門等組成。德萊賽蘭E-138 型煙機作為二催化裝置的關(guān)鍵節(jié)能設(shè)備，作用是將帶有壓強（約0.164 MPa）的高溫煙氣（約670 ℃）經(jīng)過進氣室、導流錐和靜葉整流，推動動葉膨脹做功。煙機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)通過聯(lián)軸器將煙機實際回收的壓力能和熱能傳遞給風機和電動／發(fā)電機。該煙機的運行效率及裝置同步運行率直接影響了裝置的能耗[2]。

2 煙機振動值上升經(jīng)過

二催化主風機組分別于2022 年9 月28 日和2023 年1 月31 日進行試運。煙機非聯(lián)軸端振動測量點V401X、V401Y 的振動值分別為34.5 μm、26.1 μm，煙機聯(lián)軸端振動測量點V402X、V402Y 的振動值分別為44.6 μm、31.2 μm，煙機殼體在水平方向的振速為3.5 mm·s-1。根據(jù)統(tǒng)籌安排二催化主風機組于2023年2 月3 日17：16 一次開車成功，機組振動、瓦溫等各項指標良好。煙機于2023 年2 月14 日開始預熱投用，高溫蝶閥由全關(guān)開至10%。在投用期間，V401X、V401Y 的測量值由35 μm、26 μm 緩慢上升至49 μm、36 μm。現(xiàn)場測量煙氣輪機振動、振幅、振速等指標發(fā)現(xiàn)，煙機殼體水平振速隨著煙機振動的升高緩慢升高，由初始值3.5 mm·s-1提高至4.4 mm·s-1。2023 年2 月17 日，V401X、V401Y 的振動值出現(xiàn)波動，由49 μm、36 μm 階梯式上升至52 μm、38 μm。現(xiàn)場將煙機輪盤吹掃蒸汽壓強由0.15 MPa 提至0.3 MPa，隨后V401X、V401Y 的振動值由52 μm、38 μm 下降至48 μm、34 μm。2023 年2 月18 日12：20，煙機的振動值再次出現(xiàn)波動階梯式上升，V401X 的振動值最高上升至61 μm，此時煙機殼體在水平方向的振速為7.9 mm·s-1。將高溫蝶閥由10%緩慢關(guān)至0%，V401X、V401Y 的振動值恢復至48 μm、34 μm，煙機殼體在水平方向的振速下降至3.8 mm·s-1，煙機切除系統(tǒng)。煙機振動趨勢如圖1 所示。

圖1 煙機振動趨勢圖

2022 年2 月24 日01：27，煙機非聯(lián)軸端振動測量點V401X、V401Y 的振動值、聯(lián)軸端振動測量點V402X、V402Y 的振動值突升至聯(lián)鎖值，主風機聯(lián)鎖停機。聯(lián)鎖時的頻譜變化如圖2 所示。手動盤車無異常后將電動盤車開啟，發(fā)現(xiàn)煙機軸承箱側(cè)有輕微異響，拆除煙風聯(lián)軸器，然后開啟主風機，裝置恢復正常生產(chǎn)。將煙機與風機脫開進行檢查，檢查情況如下：第一，煙機動葉輪盤榫槽沖刷磨損嚴重；第二，煙機拉桿斷裂；第三，煙機葉片有輕微結(jié)垢；第四，煙機徑向瓦塊和推力瓦塊無磨損或損壞情況。在檢修期間，根據(jù)裝置實際加工負荷，對煙機進行重新核算、設(shè)計、整體更新，以滿足裝置的實際生產(chǎn)需求。

圖2 聯(lián)鎖時頻譜變化

3 振動值升高原因分析

3.1 內(nèi)部零件損壞

二催化裝置煙機于1997 年投用使用，目前已連續(xù)運行二十余年，運行期間其煙機拉桿未進行更新改造，仍為原始進口設(shè)備。隨著時間的推移，煙機拉桿經(jīng)過長時間的振動，容易出現(xiàn)疲勞斷裂現(xiàn)象。對主風機組進行聯(lián)鎖停機檢查發(fā)現(xiàn)，煙機軸承箱側(cè)有異響。拆除煙風聯(lián)軸器時，未發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器有異常情況。對煙機進行解體檢修，徑向軸瓦和推力軸瓦外觀檢查無磨損，著色探傷無裂紋等損壞情況，各汽封片檢查完好，無碰撞、磨損等情況，由此判定煙機在運行期間不存在機械碰磨現(xiàn)象。軸承箱內(nèi)有脫落的半截拉桿，由此判斷煙機拉桿斷裂后，脫落的拉桿迅速甩出導致振動值瞬間上升，是導致此次聯(lián)鎖停機的主要原因。

3.2 轉(zhuǎn)子不平衡

因原料中鐵、鎳、釩等重金屬含量超標，造成催化劑多次微量跑損，在0.16 MPa 攜帶高溫催化劑的煙氣作用下，煙機動葉輪盤榫槽沖刷磨損嚴重。在煙機振動出現(xiàn)波動期間，煙機輪盤冷卻蒸汽、密封蒸汽、輪盤吹掃蒸汽的溫度和壓強均在控制指標內(nèi)，不存在帶水等異常情況，但1 倍頻同步出現(xiàn)變化，1 倍頻相位角也發(fā)生變化，0.5 倍頻及2 倍頻未發(fā)生明顯變化，說明煙機轉(zhuǎn)子不平衡量發(fā)生變化。檢查轉(zhuǎn)子時發(fā)現(xiàn)，動葉片擺動量較大，最大幅度可達到4.50 mm，超過煙機檢修標準值0.38 ～1.77 mm。同時，動葉片在輪盤榫槽中存在較大的軸向竄動量，最大幅度為3 mm。經(jīng)過多次動平衡試驗，發(fā)現(xiàn)每次動平衡時不平衡量的相位和大小均不同，無法找到煙機轉(zhuǎn)子的初始不平衡點。用繩索將動葉片固定后反復進行動平衡實驗，很容易找到轉(zhuǎn)子的不平衡點，由此判斷煙氣輪機動葉輪盤榫槽沖刷磨損嚴重，使動葉片擺動量增大及動葉片在輪盤榫槽中存在較大的軸向竄動量，造成煙機轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)過程中始終處于不平衡狀態(tài)，煙機振動升高。

3.3 粉塵結(jié)垢

在煙機使用過程中，高溫煙氣通過混有較低溫度的蒸汽時，在水分凝結(jié)作用下，煙氣粉塵會大量附著在煙機流道及葉片上，直接影響轉(zhuǎn)子的動平衡，從而造成煙機振動增大。經(jīng)查驗三旋煙氣的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水蒸氣含量、干基粉塵含量、濕基粉塵含量等指標均在控制范圍內(nèi)，但粒徑小于10.48 μm 的粉塵含量多次超標。經(jīng)分析，該機組本次開機時間較短，而煙機葉輪材質(zhì)均為耐高溫合金且最外側(cè)噴涂有耐磨涂層[3]，因而短時間內(nèi)粉塵含量超標不會導致葉輪磨損，由此判斷是煙機葉片上沾有高溫煙氣攜帶的催化劑導致輪盤有輕微結(jié)垢引起振動，而且運行時間越長煙機葉片上粉塵結(jié)垢越多，導致平衡破壞更加厲害，振動值一直上升。

3.4 油膜振蕩

油膜振蕩是指旋轉(zhuǎn)的軸頸在滑動的軸承中帶動潤滑油高速流動，在一定條件下，高速油流反過來激勵軸頸，產(chǎn)生一種強烈的自激振動現(xiàn)象。該現(xiàn)象一般發(fā)生在轉(zhuǎn)子啟動升速過程中。二催化主風機組潤滑油壓強不低于130 kPa，潤滑油溫度控制在40 ℃，均屬于自動控制，趨勢平穩(wěn)，未出現(xiàn)大幅波動情況。機組轉(zhuǎn)速恒定，為5 500 r·min-1，不存在軸承在軸轉(zhuǎn)速上升時油膜出現(xiàn)波動而產(chǎn)生油膜振蕩的現(xiàn)象[4]。

4 解決措施及運行建議

4.1 解決措施

根據(jù)檢查結(jié)果，利用裝置5 月停工檢修時機，將進口德萊賽蘭E-138 型煙機更換為渤海裝備蘭州石油化工機械廠生產(chǎn)的YL-11000R 型煙機，原后抽式轉(zhuǎn)子改為前抽式轉(zhuǎn)子。新煙機安裝完畢后，于2023 年7 月12 日進行電機+主風機+煙機試運，振動、瓦溫、位移等參數(shù)良好，煙機各測點的振動值均在理想范圍內(nèi)，說明該措施解決了影響煙機的振動問題，保證了主風機組的安全平穩(wěn)運行[5]。

4.2 運行建議

4.2.1 優(yōu)化工藝操作

煙機入口小粒徑粉塵濃度高是煙機葉片結(jié)垢的根本原因，因此在操作過程中，要嚴格控制催化進料中鐵、鎳、釩、鈣、硫等元素的含量不超工藝指標。若存在超標的情況應及時加樣分析，并聯(lián)系調(diào)度調(diào)整原料性質(zhì)。同時，要優(yōu)化再生器操作，使再生系統(tǒng)壓力平穩(wěn)及催化劑線速恒定，否則主風量大幅波動容易引起煙氣粉塵含量超標、再生器催化劑跑損、動靜葉片結(jié)垢等一系列問題。如果出現(xiàn)跑損情況，應及時將煙機切除系統(tǒng)，待三旋出口煙氣連續(xù)3 次分析合格后，重新投用。

4.2.2 制定操作指南及建立臺賬

及時制定煙機操作指南，規(guī)范和指導煙機操作過程，確保操作步驟的準確性和一致性，同時對相關(guān)操作人員進行培訓和指導，提高其工作效率和質(zhì)量。建立煙機入口催化劑濃度和篩分分析臺賬，及時分析煙機入口粉塵含量和篩分成分，了解煙氣輪機結(jié)垢機理，開展煙機結(jié)垢預防工作[6]。

4.2.3 嚴控主風機組關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)機組實際運行工況，定期核算煙機、主風機負荷，確保機組負荷不超過設(shè)計負荷。嚴格控制三旋出口溫度不超過700 ℃、煙機入口溫度不超過680 ℃，保證設(shè)備不超溫、超壓。控制潤滑油溫度、壓力平穩(wěn)，定期進行潤滑油分析，根據(jù)潤滑油分析結(jié)果，及時補充或更換潤滑油。定期分析三旋出口煙氣，確保指標在控制范圍內(nèi)。若出現(xiàn)不合格指標，應盡快調(diào)整再生器操作，并對煙氣進行加樣分析。控制好煙機輪盤冷卻蒸汽、密封蒸汽溫度和壓強，保證蒸汽品質(zhì)。確保煙機阻尼風壓強、流量在正常范圍內(nèi)，定期對風罐進行脫水作業(yè)，防止阻尼風出現(xiàn)帶水的情況。

4.2.4 做好設(shè)備維護保養(yǎng)

定期保養(yǎng)主風機組可以有效延長使用期限。迷宮密封、推力軸瓦、緊定螺釘、熱電偶等配件都有其預期的使用壽命。根據(jù)設(shè)備制造廠家提供的建議，定期檢查配件的工作狀態(tài)和磨損程度，并在達到預期使用壽命時進行更換。根據(jù)維護計劃，定期更換易損配件，如過濾器濾布、潤滑油濾芯、過濾器切換閥等，以使設(shè)備保持良好的運行狀態(tài)。通過定期巡檢或故障排除，監(jiān)測主風機組各個配件的磨損程度，如果發(fā)現(xiàn)配件出現(xiàn)過度磨損、裂紋、變形等情況，需及時更換，以防發(fā)生故障[7]。

5 結(jié)語

通過多重措施，煙機振動得到了有效解決。目前，煙機聯(lián)軸端振動V401X、V401Y 的振動值控制在25 μm 左右，最大值為36 μm。為了保證煙機長周期、安全、平穩(wěn)運行，在煙機不超溫、不超壓、不超負荷的前提下，需控制好煙機輪盤冷卻蒸汽、密封蒸汽的溫度和壓強，確保蒸汽品質(zhì)。同時，定期進行三旋出口煙氣、潤滑油分析，做好設(shè)備運行的過程把控，為裝置安全平穩(wěn)運行提供堅實保障。