（机械电子工程专业论文）大型烟气轮机故障机理及故障模式的研究.pdf

摘要 摘要 烟气轮机是一种典型的旋转机械，是中国石化集团公司北京燕山分公司炼油厂特 护关键机组的核心设备之一，在重油催化裂化生产过程中占有重要地位，它利用催化 裂化生产过程产生所蕴含大量热能与压力能的烟气膨胀做功驱动轴流式压气机或发 电机旋转工作。由于烟气轮机结构复杂、运行环境恶劣，稳定性差，振动大，使其故 障率高，并由此造成难以估量的经济损失与安全危害。因此，如何对烟气轮机的故障 信息进行有效获取、提取及识别是故障诊断技术研究领域的一个难题。 分析了y l i i 1 8 0 0 0 a 型烟气轮机的系统构成及运行特点，重点分析了烟气轮机的 几种常见故障模式，根据现场故障记录，深入研究了故障的原因。 系统研究了烟气轮机故障诊断中常用的三种分析方法：波形分析法、传统谱分析 法及全息谱分析法。 建立了相应的转子数学模型，对常见故障进行了机理分析，重点分析了转子不对 中及不平衡这两类典型故障。 构建了模拟烟气轮机工作、升速及停机过程中轴承振动的实验系统，利用本特利 r k 4 转子实验台，在线监测转子径向振动信号的轴心轨迹形状及变化规律，并结合 频谱、全息谱分析，提取了故障特征信息，对信号特征进行分析研究。 通过数学建模及实验论证的方法，综合分析了催化装置中烟气轮机故障率高的具 体原因，为烟气轮机状态监测与故障诊断提供了重要参考。 关键词：烟气轮机；故障机理；故障模式：模拟实验系统 a b s t ra c t a bs t r a c t t h es t a c kg a st u r b i n ei sat y p i c a lr o t a t i o n a lm a c h i n ea n dt h ek e ye q u i p m e n to f c a t a l y z i n ga n dc r a c k i n gu s e di nb e l o n g i n gt ot h ep a r e n tc o m p a n yo fp e t r i f a c t i o ni nc h i n a i tp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ny a n s h a nf i l i a l ec a t a l y z i n ga n d c r a c k i n go fh e a v yo i l s t h eg a s w h i c hi sp r o d u c e di nc a t a l y z i n ga n dc r a c k i n gc o n t a i n sa b u n d a n th e a te n e r g ya n d p r e s s u r e e n e r g ye x p a n d sa n dd o e sw o r kt od r i v et h ea x i sf l o wc o m p r e s s o ro rt h eg e n e r a t o ri n t o r o t a t i n g d u et ot h es t r u c t u r a lc o m p l e x i t y ，b a do p e r a t i n ge n v i r o n m e n t ，b a ds t a b i l i t ya n db i g v i b r a t i o n ，t h ef a u l tp r o b a b i l i t yo ft h es t a c kg a st u r b i n ei sh i g h i ti sd i f f i c u l tt oe s t i m a t e e c o n o m i cl o s s e sa n ds a f eh a r m sc a u s e db yf a u l t s t h e r e f o r e , h o wt oa c q u i r e ，e x t r a c ta n d r e c o g n i z et h ef a u l ti n f o r m a t i o ne f f e c t i v e l yi st h ep r o b l e mi nt h er e s e a r c hf i e l do ff a u l t d i a g n o s i st e c h n o l o g y 1 1 1 es t r u c t u r e ，t h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i ca n dt h ef a u l tm o d e so ft h ey l i i - 18 0 0 0 a t y p e s t a c kg a st u r b i n ea r ea n a l y z e d 功ec a u s eo ft h ef a u l t si si n d e p t hs t u d i e da c c o r d i n gt ot h e s i t er e c o r d s t h r e ea n a l y s i sm e t h o d sw h i c ha r eg e n e r a l l ye m p l o y e di nf a u l td i a g n o s i so ft h es t a c k g a st u r b i n e ，i n c l u d i n gat i m ed o m a i nw a v em e t h o d ，at r a d i t i o n a ls p e c t r u mm e t h o d ，a n da t o t a li n f o r m a t i o ns p e c t r u mm e t h o da r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d 1 1 1 ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h er o t o ra r ee s t a b l i s h e d t h em e c h a n i s m o ft h ec o m m o nf a u l t sa r ea n a l y z e d ，e s p e c i a l l yt h em i s a l i g n m e n ta n dt h ei m b a l a n c eo ft h e r o t o n t h es i m u l a t i o ns y s t e mw h i c hc a ns i m u l a t et h ev i b r a t i o no fb e a r i n g so ft h es t a c kg a s t u r b i n ei nt h ep r o c e s s e so ft h eo p e r a t i n g , t h es p e e dr i s i n ga n dt h es t o p p i n ga r eb u i l tb y u s i n g t h eb e n t l yr k4r o t o r 鼬t 丁h es h a p ea n dt h ev a r y i n g p r i n c i p l eo f a x i sc e n t e rt r a c k so f t h er a d i a lv i b r a t i o ns i g n a l s o ft h er o t o ra r em o n i t o r e da n dm e a s u r e do nl i n e a c c o r d i n gt ot h es p e c t r u ma n a l y s i sa n d t h et o t a li n f o r m a t i o ns p e c t r u ma n a l y s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef a u l ta r ee x t r a c t e da n d a n a l y z e d t h r o u g ht h em e t h o d so fm a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a ld e m o n s t r a t i o n ，a c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h es p e c i f i cr e a s o n sf o rt h eh i 曲f a i l u r er a t eo ft h es t a c kg a s t u r b i n ei sp e r f o r m e di nt h i sp a p e r 1 1 1 es t u d yc a no f f e ra ni m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h ef a u l t d i a g n o s i sa n dt h ec o n d i t i o nm o n i t o r i n go ft h es t a c kg a st u r b i n e k e yw o r d s ：s t a c kg a st u r b i n e ，f a u l tm e c h a n i s m ，f a u l tm o d e s ，s i m u l a t i o ns y s t e m i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京信息科技大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本 学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向中国科学技 术信息研究所等国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用 于学术活动。 学位论文作者签名：望移 硝年，“而 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授 权书。( 注：论文属公开论文的，作者及导师本处不签字) 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文题目为大型烟气轮机故障机理及故 障模式的研究学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得 的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 作者签字： 年| 其 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 任何一种机械设备从制造、出厂、使用直到报废，从外部环境到内部机理，都是 在不断变化的。设备在运行过程中，内部的零部件必然受到机械应力、化学应力、热 应力及电气应力等多种物理作用，随着时间的推移，这种物理作用的积累将使机械设 备的正常运行状态发生变化，而产生异常、故障或劣化，最终可能造成设备事故。 烟气轮机是石油化工行业中常见的关键设备之一，它利用催化裂化装置生产过程 中产生的高温再生烟气的余热驱动空气压缩机做功或给发电机提供动能，烟气轮机组 的工作状态对保证整个装置正常运行和节能降耗具有重要意义。据统计，自1 9 7 8 年至 2 0 0 0 年，兰州石油化工机械厂生产的y l 型烟气轮机总功率已达3 5 4 m w ，按兰州地 区电价0 4 5 元度计算，全年回收能量总价值为1 4 亿元。仅中石化集团公司投产的 3 9 台烟气轮机机组，2 0 0 3 年度累计创造效益7 8 亿元。 烟气轮机的工作环境极恶劣，其转速为5 0 0 0 , - 一7 0 0 0 r m i m 其工作介质烟气，不 仅温度高达6 0 0 , - - - , 7 0 0 。c ，并且其中还含有多种腐蚀性组分、大量的a 1 2 0 3 、s i 0 2 等 硬质催化剂粒子，特别是在烟气轮机工作时，这些因素均呈现出强烈的动态不稳定性， 因此烟气轮机是炼油厂目前故障率最高的动力设备之一。例如，有的石化厂烟气轮机 一年需停机大修2 3 次。这与烟气轮机长周期无故障或低故障运行的要求存在很大差 距。因故障频繁停机导致烟气轮机在石油催化裂化生产过程中对高温再生尾气的处理 量下降，能耗上升，严重时甚至切断进料引起非计划停工，造成巨大的经济损失，严 重影响了企业经济效益。 为保证烟气轮机长期安全、可靠、高效、经济运行，须对烟气轮机重点进行在线 状态监测和故障诊断，及时识别故障早期征兆，对故障部位、程度及发展趋势做出准 确判断，在烟气轮机故障将要发生之前主动实施维修，避免不必要的经济损失。烟气 轮机频繁发生故障，严重影响了企业的生产与经济效益。因此，对烟气轮机的故障机 理及故障模式进行系统深入的研究具有重要意义。 1 2 国内外烟气轮机故障诊断技术现状 1 2 1 旋转机械故障诊断技术的现状 由于应用于电力、化工、冶金等重要工业领域的大型旋转机械设备如发电机、汽 轮机、鼓风机及冷轧钢机等具有大型化、生产连续化、高度自动化和高度经济化等特 点，但故障率较高。因此，须对大型旋转机械设备运行状态进行在线监测并对故障早 期征兆做出准确判断，防患于未然。 1 第1 章绪论 大型旋转机械设备一旦出现严重故障，则可造成巨大的经济损失和引起重大恶性 事故发生。例如，中石化系统的辽阳石油化纤公司自1 9 8 6 年正式建立总厂和分厂两 级状态监测站及合理的故障诊断制度以来，仅减少停车维修时间一项就为公司节约维 修费用大约2 7 4 0 万元，并且将离心机等关键设备的运行周期提高了4 5 倍，此外还 诊断出裂解压缩机叶片销钉断裂，避免了一次重大恶性事故的发生；1 9 8 7 年我国山 西大同发电厂2 0 0 m w 发电机组和1 9 8 8 年我国秦岭电厂5 号2 0 0 m w 机组由于运行 失稳导致机组剧振，造成轴系断裂，零件飞出，毁坏厂房的恶性事故。又如，1 9 6 9 年美国克来特克恩西屋公司生产的7 8 0 m w 机组末级( 2 3 级1 叶片全部断裂，维修人 员不得不对其进行全部更新；1 9 7 0 年美国莫哈夫电厂通用电器公司生产的3 0 0 m w 机 组励磁机大轴突然断裂，导致整个机组破坏；19 7 2 年日本关西海南电厂一台6 0 0 m w 汽轮发电机组在试车时振动过大，造成飞车事故，机组全部损坏；9 0 年代初，台湾 原子能三厂通用电器公司生产的9 0 0 m w 机组末级叶片全部断裂，引起一场火灾，损 失惨重。因此，对大型旋转机械设备在线状态监测与故障诊断技术进行深入研究已势 在必行并引起国内外高度重视。 为了减少或避免故障发生，各国都投入了大量人力、物力和财力对大型旋转机械 状态监测与故障诊断技术进行了重点研究。在美、日、欧等发达国家，该项技术的研 究起步较早，现处于国际领先行列。 目前旋转机械的故障诊断技术主要体现在以下四个方面【卜2 】： ( 1 ) 振动监测与分析技术 振动诊断技术是机械故障诊断中最常用的一种技术，因为振动信号中包含着丰富 的故障信息，有时非常直观，其测试或分析的手段、方法和理论也比较成熟，易于实 现在线实时监测和诊断。振动诊断法包括时域、频域、幅值域、包络解调和小波分析 等多种分析方法，而旋转机械的绝大多数转子系统的故障信息都能够在振动信号的时 频域分析中体现，因此振动信号分析是旋转机械故障诊断的主要手段。 ( 2 ) 温度诊断法 温度诊断法是根据机械设备和周围环境温度的变化，来识别设备系统运行状态的 变化，主要采用热电阻、热电偶测温传感器等。红外测温技术主要是利用红外探测器 或红外成像技术对诊断对象的温度状态进行监测，并可对设备表面温度场分布实现图 像现实，从而对机械设备各部分存在的缺陷和隐患进行无损探伤。 ( 3 ) 声学诊断法 声学诊断法以噪声、声阻、超声波发射为检测目标，进行声级、声强、声源、声 场、声谱分析。超声监测与分析技术是利用超声波射入被检物，由被检物内部缺陷处 反射回来的声波来判别缺陷的存在、位置、性质和大小，来发现设备内部的缺陷和裂 纹等。 2 第1 章绪论 ( 4 ) 油液分析技术 油液分析技术包括光谱分析法和铁谱分析法，利用各种常规、简易、精密或中和 的润滑油分析仪器和方法，对被诊断机械设备的润滑油进行分析，根据油中所含的机 械磨损碎屑及其它金属微粒成分和含量，来判定机械设备运动零部件的磨损状况和程 度。 1 2 2 旋转机械在线监测系统的现状 大型旋转机械在线监测与故障诊断系统经历了单机监测系统一分布式监测系统 一基于网络的远程监测系统这3 个发展过程。国外从2 0 世纪6 0 年代初就开发了一 系列监测诊断旋转机械故障的技术，其中欧美和日本起步较早，在国际上处于领先地 位。从7 0 年代后期开始，一些故障诊断仪器逐步进入到工程实用阶段。到8 0 年代， 国外开发研制了多种旋转机械状态监测系统，如美国b e n t l yn e v a d a 公司的a d r e 振 动故障诊断系统，日本三菱公司的旋转机械健康管理系统，丹麦b & k 公司的2 5 2 6 便携式数据采集分析系统等。我国的旋转机械故障诊断技术起步较晚，2 0 世纪8 0 年 代才开始进行该技术的开发与研究，但随着科学的进步和发展，近1 0 年来，该项技 术研究规模发展很大。哈尔滨工业大学开发了m m m d 系统并投入运行，西安交通大 学等单位开发了r m 2 m d s 系统，清华大学、浙江大学、华中理工大学也先后研制并 推出了类似的系统【1 1 。 1 2 3 烟气轮机故障诊断技术的现状 ( 1 ) 常见故障形式 由于烟气轮机的高速、高温运行，导致烟气轮机在运行过程中易发生如下故障： 转子系统在运转过程中由于磨损、腐蚀、变形或者载荷过大，以及材料、结 构、加工、装配或运转操作不当等原因，从而造成转子系统的不平衡、不对中； 叶片的腐蚀、磨损、断裂、表面涂层脱落； 轴弯曲和裂纹； 轴承失效； 粉尘堆积和基座的松动。 ( 2 ) 常见故障诊断主要采用的分析方法 目前，国内对烟气轮机常见故障诊断主要采用的分析方法： 频谱分析法； 轴心轨迹分析法； 趋势分析； 时域波形分析法； 相位分析法； 3 第1 章绪论 全息谱分析法； 小波分析法及倒频谱分析。 ( 3 ) 故障机理研究 目前国内直接针对烟气轮机故障机理研究的文献较少。据查阅文献中仅文献研究 了烟气轮机非线性转子轴系的油膜震荡机理，应用非线性理论解决了因轴瓦中心标高 选择不合适引起的油膜涡动故障。湖南大学的于德介教授、程军圣教授在基于e m d 与h i l b e r t 变换的故障诊断方法研究和大型桥梁状态监测研究方面处于领先的地位。 尽管欧、美、日等发达国家，旋转机械设备状态监测与故障诊断技术处于世界先进水 平，但是目前专门针对烟气轮机故障诊断技术及相关技术研究的文献还很少见。文献 【4 】研究了新发电厂烟气轮机组优化设计：文献 5 提出了一种燃气轮机叶片使用寿命 最优方法；文献【6 】研究了燃气轮机发电机组转子振动调节问题。 1 2 4 烟气轮机在线监测系统现状 烟气轮机是炼油厂催化裂化装置中的关键设备，其运行情况直接影响整个机组的 能耗水平和安全运行，目前各炼油厂都配用了有效的监测系统，有本特利7 2 0 0 ，3 3 0 0 ， 3 5 0 0 ，申克4 0 0 0 和深圳创为实$ 8 0 0 0 等等。深圳创为实业技术发展有限公司的$ 8 0 0 0 系统是一种大型旋转机械在线监测系统，成功地运用于炼油厂催化机组的运行状态监 测，该系统具有强大的图谱分析功能和数据实时在线传输功能，通过网络管理，可随 时获取机组运行数据，及时了解机组运行情况。大连理工大学研制的e c 2 m s 系统监 测烟气轮机机组，具有较强的实时性、适用性，为机组的故障诊断提供了重要依据， 并保证机组长周期运转。西安交通大学、科技协作与开发部联合研制的烟机机组状态 监测诊断系统，包括数据采集、监测、报警、数据管理及信息交换等，可对机组进行 实时多任务连续监测。 1 2 5 烟气轮机故障诊断技术的发展趋势 随着微电子技术、计算机技术、传感器技术、信息网络技术、神经网络技术、模 糊控制技术、模糊诊断技术及信号分析技术等发展，今后烟气轮机故障诊断技术的发 展趋势为： ( 1 ) 监测手段多样化 烟气轮机涡轮叶片由于工作在高温、腐蚀、高转速、多粉尘、热应力不均等不利 环境下，叶片在离心力、气动力、热应力及腐蚀作用下易出现故障。目前对叶片故障 诊断是通过转子不平衡事后诊断方式实现，缺乏对叶片状态进行直接在线监测的传感 器和手段。采用这种事后诊断方式存在明显的不足，即使叶片被确诊存在故障，此时 叶片早已发生断裂，不能及时有效地发现叶片故障，也不能在叶片断裂之前实施主动 维修或更换和防止重大恶性事故的发生。因此，急需开发出叶片状态在线监测的光测 4 第1 章绪论 传感器以丰富旋转机械状态监测手段。 ( 2 ) 故障诊断系统向功能模式多样、性能稳定可靠及高度集成智能化可实现远程 在线状态监测与故障诊断方向发展 目前，国内外直接针对烟气轮机特点开发的在线监测与故障诊断系统还较少，且 国产的烟气轮机状态监测与故障诊断系统还不尽完善，与国外进口的相比，国产的存 在明显不足，例如运行模式单一，诊断系统适应性、稳定性、可靠性等性能指标还有 待提高；国外的产品虽然模式多样、性能可靠，但价格昂贵，还未达到尽善尽美的程 度。所以，未来烟气轮机在线状态监测与故障诊断系统的开发将向功能模式多样、性 能稳定可靠、高度集成智能化可实现远程在线状态监测与故障诊断方向发展。 ( 3 ) 复杂故障机理研究 尽管目前国内外对烟气轮机常见的故障机理已经达成了共识，但由于烟气轮机本 身结构复杂、工作环境恶劣，使其故障发生的机理十分复杂；此外，由于试验条件等 的不足，对烟气轮机一些复杂故障还缺乏机理上的认识，有待深入研究。 ( 4 ) 智能化专家系统 智能化诊断专家系统将集信号测取、特征提取、诊断识别与趋势分析于一体，形 成一个集成系统，为人们提供一种能够利用领域专家的经验知识、基于多种技术来解 决复杂系统故障诊断问题的强有力工具。随着数据库的知识发现、机器学习、不确定 性推理等研究的深入而诞生的“知识挖掘 研究，为解决好烟气轮机知识处理问题， 提供了一种全新的处理模式与思想【3 】。 1 3 本文的主要研究内容 在综述旋转机械国内外研究技术现状及烟气轮机国内外研究技术现状与发展趋 势的基础上，本文以炼油厂催化裂化生产过程产生的高温再生烟气能量回收利用为研 究背景，以燕山石化炼油厂直接发电机组中的烟气轮机为研究对象，运用振动理论、 拉格朗日分析力学原理、信号处理与分析技术，对烟气轮机的典型故障进行研究，主 要研究内容包括： ( 1 ) 分析y l i i 1 8 0 0 0 a 型烟气轮机系统构成、运行特点及故障分类； ( 2 ) 研究烟气轮机故障诊断常用的三种分析方法：波形分析法、传统谱分析法及 全息谱分析法； ( 3 ) 讨论烟气轮机转子不对中激振数学模型及转子不平衡激振数学模型，从机理 上对烟气轮机转子不对中及转子不平衡两类典型故障问题进行研究； ( 4 ) b e n t l y 转子实验台故障模拟实验。根据旋转机械常见故障的故障机理的深入 研究，在b e n t l y 转子实验台上对转子不平衡及转子不对中两类典型故障问题进行了 故障模拟实验，分析故障信号中时域波形、特征频率、轴心轨迹等故障特征，提取故 障特征信息，根据故障特征信息确诊故障类型、原因。 5 第2 章烟气轮机系统构成、运行特点及故障分类 第2 章烟气轮机系统构成、运行特点 及故障分类 2 1 烟气轮机系统构成 2 1 1y l i i 18 0 0 0 a 型烟气轮机概况 燕山石化的y l i i 1 8 0 0 0 a 型烟气轮机，是兰炼机械厂生产的新型大功率双级烟气 轮机，其功率已经接近2 0 0 0 0 k w ，y l i i 1 8 0 0 0 a 型烟机已于1 9 9 8 年9 月顺利在燕山石 化公司投用，取得了很好的经济效益。y l i i 1 8 0 0 0 a 型烟机是在1 0 0 0 0 k w 的y l 型烟 气轮机基础上发展而来，它继承了1 0 0 0 0 k w 型烟机成熟的基本结构，并根据大型化 的要求和小机型的一些不足，进行了改进，并采用了蜂窝密封和节能止推轴承等一些 新技术。 2 1 2 y l i i 1 8 0 0 0 a 型烟气轮机直接发电机组系统构成 烟气轮机直接发电机组是石油催化裂化生产过程高温再生尾气( 烟气) 能量回收 利用设备，它包括烟气轮机、主风机、齿轮箱( 变速箱) 及电机，如图2 1 所示。 ， - 一 齿 圳鼎【 烟 卜埘 主风帆 m 轮 机 箱 - _ ， 图2 1 烟气轮机直接发电机组构成 中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司炼油厂3 f c c 烟气轮机组是由兰炼 机械厂y l i i 1 8 0 0 0 a 型烟气轮机、陕西鼓风机厂a v 5 0 1 2 轴流式压缩机、美国 p h i l a d e l p h i ag e a r 公司1 4 5 h s a 型齿轮箱、上海电机厂q f 2 0 2 型发电机、上海电机 厂z l w s 6 - - 4 5 0 1 8 0 型无刷励磁电动机和润滑油系统及动力油系统组成的直接发电 机组。 主风机是催化裂化装置的重要设备之一，本机组中采用了轴流式风机，其效率达 8 7 ，比离心风机高5 - - 一6 ，烟气轮机把催化裂化再生烟气中所具有的热能和压力 能膨胀做功转变为机械能来驱动轴流式压缩机，从而达到能量回收的目的。电动发 电机状态变化灵活，可以根据机组功率平衡情况变换电动和发电状态。烟气轮机所回 收功率5 6 3 0 k w 可以满足轴流风机需要的负荷( 夏季除外) 。当三机组处于满负荷时， 除满足催化裂化装置再生气用风外，三机组还可以发电1 0 0 - 7 0 0 k w ，有较大的经济 效益，因此三机组是燕山石化公司特护关键机组。据统计，燕山石化公司炼油厂的 6 第2 章烟气轮机系统构成、运行特点及故障分类 y l i i 1 8 0 0 0 a 型烟气轮机直接发电机组，投入运行一年多，累计运行5 7 6 0 小时，平 均每天节电4 3 2 x1 0 4 k w h ，按当地电价每千瓦小时o 5 0 元计算，共节约人民币5 1 8 4 万元。y l i i 18 0 0 0 a 型烟气轮机技术参数见表2 1 。 表2 1 y l i i 18 0 0 0 a 型烟气轮机技术参数表 设备编号 k 1 0 3 结构型式 双级 密封型式迷宫式设备容量 2 0 0 0 0 k w h 进气流量3 5 3 6 m 3 m i n转速 5 3 2 5 r m i n 旋转方向从进气端看为逆时针输出功率1 8 5 0 0 k w 设计 入口 o 3 5 m p a 设计 l8 0 0 0 k w h 压力 出口0 1 0 7 2 m p a 生产能力 入口o 3 5 m p a 操作实际 13 6 0 0 k w m 出口0 1 0 7 2 m p a 设计 入口7 0 0 i 设计烟气 温度 出口5 1 0 l 介质 入口 6 6 5 7 0 0 操作实际烟气 出口4 9 0 5 1 0 y l i i 一1 8 0 0 0 a 型烟气轮机是双级烟气轮机，它继承了1 0 0 0 0 k w 型烟机成熟的基 本结构。主要由进气段、第二级静叶环组件、转子组件、排气段、转子支承系统及底 座六大部分组成。此外，为保证机组正常运行另设辅助系统，它包括润滑系统、冷却 密封系统和检测系统。 相比1 0 0 0 0 k w 的y l 型烟气轮机，y l i i 一1 8 0 0 0 a 型烟气轮机对原有结构进行了 以下改进【7 】 ( 1 ) 改进一级静叶与一级轮盘密封形式 用径向蜂窝密封替代原梳齿密封，蜂窝密封间隙很小，能实现最佳的密封效果， 使催化剂通过轴封的量大大减少。 ( 2 ) 改进轮盘冷却蒸汽进入形式，提高辅助密封效果 将原一股冷却蒸汽改为两股，其中一股由轮盘心部进入一二级轮盘问，沿径向排 出，即使有少量催化剂进入，也会随径向排出的蒸汽冲入流道，不会沉积在一二级轮 盘问。另一股由进气锥中部进入，冷却一级轮盘及加强一级轮盘进气端的密封。 ( 3 ) 改进一、二级轮盘间级间密封形式，解决二级轮盘轮缘根部产生二次涡流冲 蚀问题 改进后的结构是二级轮盘进气面取消了密封台阶，气流在此不产生折转，进而消 除了二次流磨损，并且二级静叶片内孔在一级轮盘气封台阶处采用新技术n i 基合金 径向蜂窝密封。由于一级轮盘没有产生过二次流磨损，因此很好地证明了这种结构改 进的可行性，同样由于这种敞开的结构，改变了以前的准封闭结构，使得催化剂在离 心力作用下易于排除，有助于减少催化剂的堆积。经过现场使用，密封效果好，不易 产生涡流冲蚀，动静摩擦时只磨损蜂窝片，轮盘不易损坏。 7 第2 章烟气轮机系统构成、运行特点及故障分类 ( 4 ) 改进二级静叶组件结构，增强二级静叶组件刚性，减少组件变形 原二级静叶组件固定套改为整体外环，不再承担二级静叶的固定作用。二级静叶 分为几组固定在二级动叶围带上，而二级动叶围带作为一个整体直接固定在出口壳体 上。一级围带为一整环，直接固定在外环上。 改进后的二级静叶组件由一、二级动叶围带、二级静叶片、固定套等组成，一、 二级动叶围带、固定套均为整环件，刚性好，不易变形。原结构为两半结构，受热后 容易产生变形。改变了二级静叶片固定形式，一、二级围带及固定套都是整环结构， 将两道气封片改为n i 基合金蜂窝密封，密封效果显著。在多家炼厂烟机的改造中采 用这种结构，较好地解决了轮盘冲蚀、动静摩擦损坏轮盘、催化剂堆积及二级静叶固 定套变形等问题。 ( 5 ) 为了解决二级轮盘进气面台肩处和二级动叶叶根处受n - - 次流的冲蚀问题， 设计上采取过多种措施，如改变叶根处的反动度，加大两轮盘之间的间隙，在轮盘台肩 上打孔，加大轮盘台肩的圆角等措施，来改变介质气流( 烟气) 和缓冲气流( 蒸汽) 的混 合流场，并在轮盘台肩处喷涂耐磨涂层( 长城一号) ，但上述措施并不能彻底解决二次 流磨损问题。 只有彻底破坏二次流流场，才有可能彻底解决二次流的冲蚀问题。在大烟机的设 计中取消了二级轮盘进气面的台肩，这种形式彻底地破坏了二次环流产生的环境。 但这种结构也带来了新问题，那就是二级静叶与二级轮盘的密封被迫取消，二级 静叶与轮盘的密封被减弱，这样级间的漏气损失就要加大，效率就要降低。 为了解决这个新问题，在结构设计上采用了“蜂窝密封 新技术，蜂窝密封是由非 常薄的高温合金片制成的，每个小蜂窝只有不足l m m 的公称直径，由于采用了蜂窝结 构，虽然密封片很薄，整个密封强度却很好，另外的一个特点是可以采用很小的密封间 隙( 0 - - 1 0 1 x m ) ，也就是说密封片可以与旋转密封面接触，这样不但密封效果大大提高， 而且整台烟机的可靠性也大大提高。 ( 6 ) 轴承采用了美国k i n g s b u r y 公司的新型轴承l e g 节能型，它与传统的结构 有所不同，主要是在瓦块上开了进油槽，这种瓦块结构的特点是耗油量小、耗功小。 ( 7 ) 改进中充分考虑互换性及检修时拆装的方便性 在改造中一个最现实的问题是现有双级烟气轮机的户都有两套转子和二级静叶 组，而改造工作不可能针对两套同时进行，如何满足不同结构的转子和二级静叶组实 现互换成为用户最关心的问题，也是改造工作能否顺利进行的关键。实现互换的关键 在于二级静叶组的设计上，利用原壳体上与二级静叶固定套配合止口作为二级动叶围 带的配合止口，在壳体上重新加工与新二级静叶固定套的配合止口，这样既有了新的 定位结构，又保留了原定位结构，实现了新旧结构二级静叶组件的互换。转子改造中利 用原转子主轴、一二级动叶片，二级轮盘车去气封台阶则可以利旧。因新结构中增加 8 第2 章烟气轮机系统构成、运行特点及故障分类 了一级轮盘前端径向蜂窝密封，轮盘厚度加大，故须更换一级轮盘，在新的一级轮盘的 设计中减小了气封台阶的直径尺寸，目的是使蜂窝密封有合理的结构空间。改制一级 静叶及进气锥，增加一级蜂窝密封及增加一路冷却蒸汽线路。一级蜂窝密封的间隙很 小，为了便于检修时的拆卸及安装，在进气锥及二级静叶固定套间设计了导柱结构，在 检修时可以很方便地进行工作。 在燕山石化公司y l i i 1 8 0 0 0 a 烟气轮机的几次检修中，二级轮盘几乎没有受到冲 蚀，一二级轮盘问空腔也无催化剂堆积现象，原结构双级烟气轮机的问题得到了很好 的解决。 2 2 烟气轮机运行环境的特点 烟气轮机运行时除了具有高转速( 工作转速可达5 0 0 0 - - 7 0 0 0 r m i n ) 特点外，还具 备以下特点【。7 ，明： ( 1 ) 高温及超温 一般长期在6 0 0 7 0 0 高温环境下运行，在实际运行过程中有时还发生超温现 象。现在催化工艺上常常用到两段再生技术，由于一段再生烟气中一氧化碳含量较高， 而二段再生烟气中又有相当多的过剩氧，经常会产生二次燃烧现象，只好喷入蒸汽或 水来降温。这就造成了一会高温，一会低温的不稳定的工作状态。使得烟机的热部件 发生不应有的变形，严重时会影响烟机的工作。另一方面，高温也会造成细粉( 5 1 , t i n 左右) 在围带等处的堆积和烧结，造成烟机叶片的磨损。 ( 2 ) 催化剂颗粒的磨蚀与冲刷 烟气中含有催化剂颗粒( 氧化铝和氧化硅) 。当催化剂分离效果不佳时，烟气中催 化剂颗粒浓度大大增加( 大于2 0 0 m m 3 ) ，对动静叶片及轮盘造成严重磨蚀和冲刷。此 时一次流磨损不大，但二次流磨损较严重。二次流磨损是由于催化剂细粉在流道中二 次流动造成的，通常对叶片根部及榫齿部分产生磨损，危险性较大。因此，对烟气中 催化剂浓度和粒度的检测是十分必要的。 随着催化裂化工艺上的不断进步和设计上的不断完善，三旋出口的催化剂浓度和 粒度已经得到了较好的控制。烟机的一次磨损现象已经大为减少，通过调研，发现当 催化剂粒度基本上小于1 0 p m ，浓度不大于1 5 0 m g m 3 时，催化剂颗粒对烟机的一次 流和二次流磨损十分轻微，可以用上数个周期。 ( 3 ) 腐蚀 当烟机长时间的处于较低温度时( 小于4 0 0 c ) ，在少量烟气或蒸汽作用下，会发 生低温腐蚀现象。造成不锈钢的锈蚀，涂层的脱落，严重时会危及轮盘和叶片的基材， 造成不必要的损失。这种情况通常是催化装置仍在工作，但由于种种原因( 如催化剂跑 损严重) ，烟机长时间( 几天甚至十几天) 处于停机状态或空负荷运转。由于阀门不严，烟 气少量泄露到烟机里，此时烟机入口温度不高，造成了低温腐蚀。因此，从设备上讲，烟机 9 第2 章烟气轮机系统构成、运行特点爱故障分类 入u 一定设置闸阀。从工艺操作上讲，一定要平稳操作减少烟机的低温腐蚀状态： 在停机状态f ，由于烟气轮机入口管线没有及时排水，使部分部什浸在水中 在酸性物质作用下，造成锈蚀和涂层剥落： 当轮盘冷却蒸汽品质较差时，也会造成动静部件的腐蚀问题。 2 3 烟气轮机状态监测 烟气轮机结构及传感器布置如图22 所示。 一_ 一一l t l t * *1 嚣* 盯- t t 删 r f - t r 0 4 b ：1 4m *：t * 自1 w 十e 口疆2 目g * e 硼 口5 *# 蛆g3 t 3 9 削2 2 烟气轮机机组结构及传感器布置幽 机组的烟气入r 出几温度，烟气入口出口压力，烟气轮机、联轴器、发电机的振 动，连接轴的轴向位移等都是表征机组一常运行与否的重要参数，为了能够掌握机组 的运行状况在机组上相应位置安装了温度、压力、键相、振动等传感器，进行髓测 为诊断预测提供数据。 根据机组在车间的分布情况，l o 和2 4 主风机与烟机同在一个机房内，而气压机在 相距较远的另一个机房内，需要设立两个现场监洌4 站来分别进行监测气压机监测站 与主风机、烟机监测站以盘装的方式安装在现场操作室内，主要完成数据采集、数据 处理，数据存储以及现场显示等功能；两个监测站通过粗同轴电缆连接，并接到车间 主控室的光纤h u b 上，实现与全厂m i s 网的连接。中心分析站放在炼油厂设备处， 安装中心分析站软件，实现机组实时数据、历史数据、起停数据的浏览和打印，以及 灵敏监测门限设置、器停机数据转换等功能，浏览站是安装了浏览站软件并连接在 m i s 上的计算机，主要完成远程浏览机组的实时数据、历史数据和起停数据的功能。 通过远程数据传输获取变工况大型机电设备机组的相关数据。烟气轮机机组在线状态 监测与分析系统整体结构如图2 3 所示【g l 。 第2 章烟气轮机系统构成、运行特点及故障分类 向 匕= 型一 1一 浏览站 向 = 妄 1 _ j 浏览站 向 弓 1一 浏览站 ! 设备处l 1 二_ j 图2 3 烟气轮机机组在线状态监测与分析系统 表2 2 是烟气轮机重要物理参数的报警值及报警限。为保证烟气轮机长期安全运 行，烟气轮机轴系上设有测量轴振动、位移、相位和转速等指标及相应的报警系统， 报警器和指示器皆安装在机组仪表板上。除此之外，烟气轮机上还设有温度和压力监 测系统用来重点监测烟气轮机径向轴承轴瓦温度、推力轴承主推力面温度、烟气轮机 入口、出口温度、涡轮盘前腔室温度与冷却蒸汽压力、轴封蒸汽压差、润滑油供油压 力等。燕山石化公司y l i i 1 8 0 0 0 a 烟气轮机在线监测系统须重点监测的重要物理参数 如振动、位移、温度、压力及烟尘含量等，它们的控制要求，见表2 2 。 表2 2 烟气轮机重要物理参数报警值及报警限 检测种类报警值报警限 轴振动 8 0 9 m 高 轴位移 0 5 m m 润滑油压o 0 9 m p a低 轴承温度 1 1 0 局 烟尘含量 2 0 0 m g m 3 高 2 4 烟气轮机典型故障模式 由于烟气轮机工作在高温、高转速、磨蚀等不利环境中，因此故障率高。烟气轮 机常见故障主要有转子不平衡、转子不对中、转子缺陷、油膜涡动或油膜振荡、机组 共振、碰摩以及机械松动等。 可以将这些故障模式做以下分类【9 】： 2 4 1 不平衡及磨损 这一类故障的表象是一致的，就是烟机转子的动平衡被破坏，导致振动超标，甚 至机组停机。 ( 1 ) 磨损 催化裂化装置再生烟气中所含催化剂为主的烟气粉尘，随烟气一起高速通过烟机 第2 辛删气轮机系统构成、运行特点及故障分类 叶片，对烟机通道产牛冲刷，在高温的作用下( 通常烟气入口温度在6 2 0 。c 以上) ， 烟气粉尘对转子的磨损加剧，磨损严重的部位常发生在叶片、台肩、榫槽等部位，会 出现刀刃状或拇指状的划痕，冲蚀严重时会出现蜂窝状。图2 4 是烟气轮机二级动叶 片磨损处的现场照片。 萤 图2 4 二级动耐片磨损处 ( 2 ) 叶片断裂 当叶片均匀冲刷时，磨损对烟机转予平衡的影响不大，而当出现不均匀磨损时， 转子动平衡破坏，机组振动值上升。当冲蚀现象r 益加剧。叶片受损严重，同时机组 振动逐渐加大，受损叶片在长期振动产生的交变应力的破坏下极易发生断裂，因为叶 片突然断裂又会使烟机转子动平衡严重破坏，振动值巨幅卜升。图25 是烟气轮机叶 片断裂处的现场照片。 酗2 5 叶片断裂处 ( 3 ) 催化荆堆积 烟机采用饱和蒸汽冷却、吹扫烟机轮盘。高温的烟气通过混有较低温度的蒸汽时， 或吹扫蒸汽本身带有不饱和蒸汽时在水分凝结作用f ，烟气粉尘会大量附着在烟机 流道及叶片上。这些接焦物有时是均匀分布的，有时是不均匀的，将直接影响转子的 动平衡。特别是烟机高速旋转过程中烟气条件不断变化或结焦物增多、增重后，附着 在叶片某部位的结焦物受离心力作用被甩脱，这样就严重破坏了转子的动平衡，引起 机组振动突发性升高。而当结焦物大部分被甩掉后，烟机的振动又会降下来。图2 6 1 2 h 谚 第2 章烟气轮机系统构成、运行特点及故障分类 是烟气轮机静叶片 催化卉l 堆积的现场照片 图2 6 静叶片上的黑催化剂块 绝太多数情况下，转子不平衡是引起烟气轮机振动大的主要原因。机组新安装或 检修后，动平衡都荷合要求。但是，运行段时间以后，由于轮盘或动叶片磨损、催 化剂粉尘在叶片或一、二级轮盘间不均匀堆积结块，造成转予动平衡破坏。由于烟气 是气固两相流，烟气中含有催化剂粉尘不可避免，凼此目前只能通过一定的措施减缓 磨损和催化剂粉尘堆积结块。 例如，2 0 0 5 年1 1 月至2 0 0 6 年1 月，烟机振动处在一个较高水平，与以往相比， 娴机周后振动明显高，且对故障变化更敏感，进步说明转子不平衡是是非常大的。 根据时序趋势预测模型，建议停机检修。2 0 0 6 年1 月2 2 日停机检修中发现二级静叶 片根部催化剂聚集严重，一级动叶片叶顶、后半部、二级动叶片叶顶的中部磨损严重。 2 42 不对中及热变形 造成机组转子不对中的原因有安装误差、管道应力影响、温度变化产生的热变形、 基础沉降不均等。较高的温度导致烟机和风机的壳体及管线存在热膨胀，由于设计或 制造上的缺陷常常会导致壳体及管道的热分布不均匀，而滑行支座或导向槽故障也会 引起壳体膨胀受阻，造成壳体变形、移位及承受较大的热应力。凼而对于烟气轮机而 言，热变形是导致对中状况恶化的主要原因。通常联轴器有一定的调节裕度，轻微的 不对中不会影响到机组的运行情况。但由于烟气轮机机组是多转子轴系，冷热态温差 变化大，管线变形对转子对中影响较大。 2 。4 3 动静摩擦 对于烟气轮机来说由于高温变形，烟气粉尘堆积作用更易发生碰摩故障。另外， 分封间隙过小，同轴度偏差过大，油膜不