合成气压缩机组蒸汽透平1倍频振幅波动原因分析

摘 要：合成气压缩机组蒸汽透平大修后开车,出现了1倍频振幅波动的现象。通过分析和排查,最终确认蒸汽透平排气侧碳刷在蒸汽透平检修过程中损坏是造成蒸汽透平1倍频振幅波动的根本原因。针对导致波动的原因,采取合理措施,成功解决了蒸汽透平1倍频振幅波动问题。该案例可为出现类似问题的合成气压缩机组蒸汽透平的检修提供参考和借鉴。

关键词：蒸汽透平 1倍频 振幅波动 原因分析

1 设备简介

某公司年产45万t合成氨装置是以天然气为原料、采用KBR深冷净化工艺生产液氨的大型化工装置。作为装置核心动设备之一的合成气压缩机组由三菱公司制造。该机组由蒸汽透平(103JT)、 高压缸(103JHP)、 低压缸(103JLP)3部分组成,蒸汽透平位于高压缸和低压缸之间,型号为5EH-6BD。103JT入口设置有速关阀(TTV)和调速阀(GV),用于切断和调节进入蒸汽透平内部的高压蒸汽流量;103JT转子共有6级叶轮,高压蒸汽经过转子的第2级叶轮后,部分蒸汽通过抽汽管线进入中压蒸汽管网,剩余蒸汽则通过抽汽调节阀(ECV)进入到转子后边的4级叶轮继续做功,最终通过排气管道进入位于机组下方的表冷器中冷凝、回收。103JT进气侧和排气侧轴封采用梳齿密封,梳齿密封的末端通过管道与轴封冷却器相连,避免蒸汽外漏;103JT径向轴承采用可倾瓦轴承,止推轴承采用金斯伯雷轴承,采用润滑油强制润滑; 排气侧轴承座上方安装有盘车器, 盘车器采用电机驱动和多级齿轮减速, 通过离合器实现与转子上的盘车齿轮啮合或脱开; 接地碳刷安装在排气侧轴承座上, 碳刷上的拉紧弹簧一段固定在轴承座上, 另一段经过拉伸后挂在碳刷上部弹簧拉杆上, 从而保证碳刷与转子轴颈始终保持接触。103JT设备主要性能参数如表1所示, 蒸汽透平103JT结构示意如图1所示。

图1 蒸汽透平103JT结构示意

表1 103JT主要性能参数

2 问题描述

2022年5月,103JT在装置停车检修期间进行了大修,更换了转子,检修完成后于5月15日开车。开车后,103JT进汽侧振动探头VI2504出现频繁波动,波动间隔从数分钟～1 h不等,振动趋势如图2所示;进汽侧振动探头VI2505和排汽侧振动探头VI2506、VI2507也有同步波动,但波动幅度相对较小。到6月1日,排汽侧振动探头VI2506振值出现大幅波动、上涨,触发35 μm报警值,振动趋势如图3所示。查看相关振动探头振动趋势图可知,整个振动波动过程中,1倍频的幅值波动值与通频幅值波动值一致。VI2504频谱如图4所示。查看频谱图,振动主要成分为1倍频,其他倍频振动幅值较低且波动幅度较小。

图2 VI2504振动趋势

图3 VI2506振动趋势

图4 VI2504频谱

3 原因分析

1倍频是转子转动产生的振动频率,任何对转子转动产生干扰的因素都会造成1倍频振幅的变化,比如转子不平衡力的变化、基础松动、转速变化、加减负荷、异物进入设备内部、动静件摩擦等等。本次103JT振动的波动是由1倍频振幅波动引起,而其他倍频振动幅值较小且相对稳定,据此分析,可能的原因有以下几个。

3.1 转子动不平衡

转子动不平衡是造成转子1倍频故障的最常见原因。导致转子动不平衡的原因包括转子弯曲、掉件、结垢、零件松动、缸体内进入异物等。这些故障的主要特征表现为1倍频振幅比较大【1】,虽然也有可能造成振动的剧烈波动(如转子上的结垢脱落),但动不平衡产生的振动波动通常只会造成振动幅值的上涨,尽管也有可能造成振动幅值下降,但基本不会持续出现这种间断性的突然下降又缓慢回升的现象,本次检修开车后,103JT的最大振动值也长期保持在20 μm左右,处在正常范围内,因此判断,转子动不平衡造成103JT的1倍频振幅波动的可能性较小。

3.2 径向轴承间隙过大

当转子径向轴承间隙过大时,与该径向轴承相邻的振动探头也会产生1倍频振动幅值高、振动值波动的现象【2】,主要表现为振动值在一个较大范围内不断变化,波形图的重复性较差,轴心轨迹呈发散状,即使出现较大幅度的波动(比如油膜振荡),也是呈连续性的剧烈波动,基本不会出现间断性的振动值反复突变现象,而且在检修中测得的径向轴承间隙在设计值范围内,且从振动图谱上也未发现径向轴承间隙大的故障特征,因此判断,轴承间隙过大造成103JT的1倍频振幅波动的可能性较小。

3.3 局部摩擦

当转子出现局部摩擦时,极有可能出现1倍频增大和波动的现象,比如在三菱公司生产的其他高压抽汽冷凝式透平上,曾出现过因蒸汽透平进汽侧轴承箱梳齿密封处隔离氮气堵塞造成轴承箱中油气在轴承箱梳齿密封中结垢而产生局部摩擦的故障,故障导致转子出现1倍频振动幅值波动现象。但这种因油垢产生的振动波动现象需要油垢在一段时间内进行积累,波动出现的间隔较长,特别是振动波动首次出现前,需要较长一段时间的油垢积累,不会在设备检修完开车后立刻出现;对于转子与其他金属部件出现局部摩擦的情况,因为转子每转1圈都会发生1次局部摩擦,且摩擦的位置和程度不会在短时间内发生改变,所以1倍频基本也不会出现间断性的波动现象【3】。因此判断,局部摩擦造成103JT的1倍频振幅波动的可能性较小。

3.4 结构性松动

结构性松动是指机器的底座、台板和基础存在结构松动,或水泥灌浆不实以及结构或基础的变形导致的松动。此类松动表现出振动频谱为1倍频分量【4】。103JT进汽侧缸体和轴承箱都是通过猫爪固定在设备的基础上的。猫爪这种结构很好地解决了缸体热膨胀和设备固定的问题。在103JT检修中测得猫爪的间隙为0.10 mm左右,符合设备安装要求,现场使用扳手检查也未发现猫爪存在松动的情况,同时,检查103JT基础,也没发现有受损和变形的问题,因此判断,结构性松动造成103JT的1倍频振幅波动的可能性较小。

3.5 高、低压缸影响

103JT位于合成气压缩机高、低压缸之间,通过磨盘式联轴节相连,当合成气压缩机高、低压缸出现故障时,其产生的振动也会通过联轴节传递到103JT的转子上,对103JT的振动产生影响。但查看合成气压缩机高、低压缸与103JT相连侧的振动值,最大仅有15 μm,特别是高压缸侧的振动值始终低于10 μm,且振动幅值稳定,振动的主要成分也只有1倍频,说明联轴节对中情况良好,合成气压缩机高、低压缸的运行状态不会对103JT的1倍频振幅产生不利影响。

3.6 其他与转子接触部件的干扰

还有可能对103JT的1倍频振幅产生干扰的部件有盘车器和接地碳刷(以下简称碳刷)。在103JT开车后,曾多次对盘车器和碳刷进行检查,均未发现明显异常现象,直到6月1日,103JT排汽侧振动波动触发报警值后,再次在现场进行排查时才发现,103JT排汽侧右侧碳刷顶部弹簧拉杆有小幅度的跳动现象,用听棒搭在碳刷顶部碳刷拉杆上,能够感觉到明显的冲击振动,将听棒插入到碳刷支架和顶部弹簧拉杆之间翘起碳刷后,103JT振动大幅波动的现象立刻消失,回归正常运行状态。据此判断,103JT排汽侧右侧碳刷损坏是造成1倍频振幅波动的根本原因。破损碳刷如图5所示。

图5 破损碳刷

综上所述,造成103JT的1倍频振幅波动的原因为:103JT排汽侧右侧接地碳刷在安装过程中出现了损坏,使作用在103JT转子上的弹簧力在碳刷碎块的磨损和破裂的过程中持续变化,从而对整个转子的运行状态不断地产生干扰,造成了103JT转子1倍频振幅的不断波动;随着破损碳刷的长度逐渐变短,当作用在碳刷上的弹簧力减小到一定程度后,此时的弹簧力已经无法将碳刷碎块稳稳地压在轴颈上,转子旋转使破损的碳刷碎块在轴颈上不断跳动,不停地对高速旋转的转子产生干扰,进而造成了碳刷顶部弹簧拉杆的振动和103JT排汽侧振动探头频振幅上涨,触发报警。

4 处理措施

因103JT碳刷支架安装在排气侧靠近缸体侧的轴承箱端面上,更换碳刷需要拆除排汽侧盘车器和轴承箱上盖,在103JT机组正常运行时无法对损坏碳刷进行拆卸和更换,因此在103JT正常运行期间,采用将听棒插入到碳刷支架和顶部弹簧拉杆之间将碳刷翘起的方法,消除碳刷上的弹簧力对转子旋转的干扰,使103JT保持稳定运行;103JT运行至6月7日,装置因其他原因停车检修,借此机会更换了103JT破损的碳刷,机组再次开车后,振动值保持稳定,再未出现振动值不断波动的现象。

5 结语

本次造成103JT的1倍频振幅波动的原因具有一定的隐蔽性,在故障排查过程中遇到了一些困难,主要是无法在103JT正常的运行状态下对一些可能的故障原因进行排查,直到随着故障的不断发展出现新的现象时才排查出产生故障原因; 此外, 本次103JT的1倍频振幅波动的故障位置发生在透平的排汽侧,但在整个过程中,103JT的1倍频振幅波动幅度较大的位置却基本处于进汽侧,这也说明,对于高速运行的挠性转子,当转子某一位置受到干扰时,将会对整个转子产生严重影响,这对本次故障的分析和排查也造成了一定的误导。因此,在大机组的故障分析中,需要不断积累更多的故障案例,研究、分析不同故障所产生的现象之间的差异,才能在以后进行设备故障分析时作出及时、准确的判断。