烟气轮机机械故障的状态监测与诊断.doc

烟气轮机机械故障的状态监测与诊断摘要：烟气轮机是炼化企业生产中重要的核心设备，在该行业中广泛应用。但是由于烟机机组自身的特性导致其故障率较高，对生产带来危害。本文结合状态监测理论和多年来的实践经验，对烟气轮机常见故障的机理、诊断方法及处理手段作介绍。 烟气轮机（简称烟机）是石油化工行业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余热驱动离心式或轴流式空气压缩机作功或给发电机提供动能。烟机机组的运行情况直接关系到装置的运行周期和能耗水平，对保证装置正常平稳运行和节能降耗具有重要意义。据统计：仅中石化集团公司投用的39台烟机机组，2003年度累计创造效益7.8亿元，经济效益十分显著。 但是同时，烟气轮机也是炼化行业关键设备中故障率最高的。平均无故障运行时间不超过280天，有的厂烟机一年停机修理2-3次是很普遍的现象。这与装置长周期运行的要求相差很远，频繁停机导致装置能耗上升，处理量下降，严重的使装置切断进料甚至非计划停工的现象时有发生，严重影响了企业经济效益。 因此做好烟机机组的状态监测及故障诊断，及时查清停机原因和设备隐患，采取相应的措施，保证机组安全、稳定、长期运行是十分重要的。 导致烟机故障率居高不下的主要因素是高温和粉尘。烟机机组的机械功能故障，大多与这两者有关。烟机常见的故障，例如磨损、叶片断裂、粉尘堆积、动静摩擦、动平衡破坏、同心度偏移、油膜失稳、壳体变形及管线应力影响都是直接或间接与这两者密不可分。（对于电网波动、仪表系统、液压系统故障导致烟机停机的事故，在烟机故障停机次数中也占有较大比例，但这些不是本文讨论的范围，不在此介绍。）下面分别对几种类型的故障原因、诊断方法及故障处理作介绍。一、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叶片，对烟机流道产生冲刷，在高温的作用下（通常烟气入口温度在620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。 2叶片断裂 当叶片均匀冲刷时，磨损对烟机转子平衡的影响不大，而当出现不均匀磨损时，转子动平衡破坏，机组振动值上升。当冲蚀现象日益加剧，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，振动值巨幅上升。 3粉尘堆积 目前投用的各类烟机中普遍采用过热蒸汽或饱和蒸汽冷却、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，在水分凝结作用下，烟气粉尘会大量附着在烟机流道及叶片上。这些结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。特别是烟机运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。很多烟机在运行时振动情况波动都是这一过程引起的。粉尘堆积现象更容易发生在双级轮盘的烟气轮机上，这也是双级烟机故障率相对偏高的主要原因。 4故障的监测与诊断 这一类故障都是因为转子质量偏心造成的。不平衡故障按其发生过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡几种情况。对于不平衡类的故障进行诊断时要掌握以下要点： (1)时域波形为近似的等幅正弦波； (2)频谱成分以转子工频为主； (3)轴心轨迹为一个较稳定的偏心率较小的椭圆； (4)全息谱上，工频椭圆较大，而其它成分均较小； (5)振动随转速变化明显。若在低速转动时振动值过大，则有可能是测振探头失真或轴上测振带损伤； (6)通常径向振动较大，而轴向振动较小。但是当发生轴弯曲时，轴向振动会明显上升。对于烟机转子的初始不平衡和运行过程中逐渐产生的不平衡故障应区别对待。对于后者可以采取调整工艺参数、提升烟气质量、优化操作手段等方法加以克服，避免非计划停机。5诊断实例 武石化催化装置2主风机机组采用YL一3000II型烟气轮机，由中石化北京设计院设计，兰炼机械厂生产，为单级悬臂式结构，功率2500kw。该机于1984年投用，1996年11月份，烟机振动值达到120-140m，后经过工艺调整，其振动值降至报警线以下，运行一段时间后，到1997年初振动值再次高报，危害安全生产。 在这期间的监测发现，烟机各测点的频谱中均以工频成分为主，且径向振动明显，当烟机负荷变化时振动值变化不明显，而同时油液、温度、流量等工艺参数正常，因此诊断为不平衡故障。结合机组运行中振动值波动较大的情况，分析认为是催化剂粉尘在烟机叶片上结焦-脱落这一过程所致，建议烟机操作人员改变吹扫蒸汽的流量及温度，以改变烟机轮盘及叶片的温度，使结焦物在交替变换的温度环境下松动直至脱落。反复数次操作后，烟机振动值在经过一段时间的波动变化（80-110m）后迅速下降，最终稳定在60-70m左右，调整工作结束。此后烟机机组运行较平稳。年底烟机解体检修时，在烟机叶片上发现了少部分不完整的层叠状结焦块，证实了先前的判断。二、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线的热分布不均匀，而支座猫爪（滑移支座）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。因此对于烟机机组而言，热变形是导致对中状况恶化的主要原因。1故障的监测与诊断 不对中有两种基本形态：平行不对中和角度不对中，在监测过程中对这两种情况要加以区分。 (1)对于平行不对中来说，频谱中二倍频成分能量显著，而发生角度不对中时主要能量仍集中在一倍频，但会有明显偏大的轴向振动； (2）波形在基频正弦波上存在二倍频次峰； (3)提纯轴心轨迹显香蕉形或“8”字形； (4)全息谱上工频及倍频椭圆较扁，同一测点两方向的二倍频相位之差为180； (5)平行不对中主要在径向振动上反映，且同一测点两方向振动会有明显的差值，主振方向与不对中的方向对应。角度不对中时轴向振动可能明显大于径向振动； (6)振动大小随转速变化明显，随负荷增大而增大；靠近联轴器的轴承处振动较大。单纯的热变形故障的故障特征与不对中故障极为相似，它的主要表现一般来说是在圆周方向某处出现明显的工频成分，其振动随转速的变化不明显。另外，还可以借助红外热像技术或温度测量手段来加以区分。2诊断实例 武石化联合装置烟气轮机，型号YL-4000，兰炼机械厂生产。该机于2003年7月底检修后开机振动高报停机，切除自保系统后再次开机振动值高达175m，严重危害机组运行。经现场监测，烟机测点中靠联轴器端振动值明显大于另一端，风机亦是如此；烟机轴向振值明显偏高，频谱中以工频能量为主，二倍频成分明显（见图1)。初步判断为对中故障，但是检修时采用了激光找正仪器，所有找正值均在标准内。进一步检查发现：开机后风机排气端（靠烟机端）机壳中心线向北偏移了0.27mm，风机排气端纵销靠死北侧而进气端位置正常。这说明风机转子在热应力作用下向北发生偏移，且产生开口朝北的角度不对中。这与前面的故障表象也是相符合的。图1烟机不对中时的全息谱图 在得出这一结论后仍然不足以解释振动值如此之大的原因。再进一步检查中得知烟机联轴器处供油管曾经发生堵塞（该烟机为齿式联轴器），这样推测烟机联轴器因润滑不当导致转矩锁定而卡死，引发振动值激增是最合理的解释。 得出这样的结论后，大胆地采用超常规的手段：用冷水直接冲淋烟机轴承箱南侧，目的是使烟机转子朝南开口方向偏转，从而摆脱联轴器转矩锁定力，一旦转矩锁定解除后，烟机振动就会明显下降。这样在冷水冲淋后不久，烟机振动果然开始下降，之后一直稳定在65m之下，成功地避免了机组停机事故。三、动静摩擦 大型机组动静摩的几率比一般设备要大得多。对烟机来说，由于高温变形，烟气粉尘堆积作用更易发生碰摩故障（尤其是二级式的烟气轮机）。另外，气封间隙过小，同轴度偏差过大，油膜不稳，承载力减低等因素都会导致碰摩发生。 动静摩擦会产生切向摩擦力，使转子产生涡动，转子的强迫振动、碰摩自由振动和摩擦涡动运动叠加在一起，产生出复杂的、特有的振动响应，因而摩擦力表象具有明显的非线性特征。这一类故障的振动具有以下特征： 1时域波形有明显的“削顶”现象。 2.频谱上除工频外还存在丰富的高次谐波成分，如2X、3X和1/2X、1/3X、1/4Xa)波形预谱图b)轴心轨迹图图2烟机动静碰摩的波形频谱图及轴心轨迹 3全息谱上出现较多偏心率大的椭圆。 4轴心轨迹上有“尖角”。 5振动大小有方向性，可能在某个方向会明显偏大。 6当叶片部位发生碰摩时，还会在叶片通过频率处产生高频的响应特征。 图2所示为某烟机粉尘堆积后发生动静碰摩的典型实例，可以看出它的谱图特征与前所述十分吻合。事后检查该烟机转子，发现其级间导叶组件上堆满结垢了的烟气粉尘，导致与烟机轮盘直接接触、摩擦。 设备的故障诊断必然要经过信息收集一分析判断一推理一验证的循环反复的过程，对大型设备尤其像烟机机组这样复杂的多机组设备，它承受着机械、电气、热力等多种变化作用，且工况随生产需要经常变化，使用单一的分析办法很难判断异常所在。在监测时应采用多种方法进行综合分析，包括振动、油液、温度、工艺参数的相互联系，不断完善机组状态监测手段，提高故障诊断的精确度，确保机组的安全、长周期运行。烟气粉尘是影响烟机主风机组乃至整个催化装置长周期运行的最主要因素，当粉尘浓度或粒度超标时，粉尘对转子的冲蚀及其在转子上的不均匀沉积（烧结）可引起振值超标，导致非计划停机。为保障烟机安全长周期运行，必须重视烟气粉尘监测工作。通过监测分析，可以及时了解三旋分离效率及工艺状况，以便采取针对性措施降低粉尘浓度和粒度，或及时调整烟机入口蝶阀开度，防止烟机转子过度冲刷，避免非计划停工。 我公司拥有整套粉尘监测、分析设备，监测人员素质较高。采用预测流速的经典方法，通过控制采样流量达到等速采样的目的，从而获得有代表性的粉尘样。催化剂粉尘离线监测技术在石化重催装置中的应用 摘要 石化重催装置烟汽轮机入口处催化剂粉尘颗拉浓度和拉度的控制十分重要，它直接影响到整个大机组的安全运行，而粉尘监测数据的可靠性和准确性是困扰装置操作的一个常见问题。兰炼技术中心与上海理工大学合作开发的催化剂颗粒激光检测仪，成功地应用到兰州石化公司炼油厂140万t重催装置上，对三旋出口处烟气粉尘浓度和拉度进行检测，检测数据真实、可靠，结合已有的在线粉尘检测系统，保障了装置的稳定长期安全运行。 一、问题的提出 目前在国内外大型炼油厂的催化裂化装置、重油催化裂化装置（以下简称重催装置）的运行机组中，为了提高能源利用率，均安装了烟气轮机，利用烟气轮机回收催化裂化工艺过程中排放出的高温、高压烟气中的能量。这是催化裂化工艺上的一个技术进步，也是一项重要的节能措施。 烟气轮机是炼油厂催化裂化装置、重催装置的核心机组主风机组的关键设备，其运行质量的好坏不仅关系到装置能耗的高低，而且还直接影响到装置能否正常生产。因此，保证烟气轮机的安稳长周期运行成为各炼油厂设备管理中的关键问题。烟气轮机的工作介质为再生器烧焦后产生的高温烟气，属气固两相流，对动叶片及轮盘的冲蚀很大，必须按烟气轮机标准严格控制烟气中催化剂粉尘含量。烟气中催化剂粉尘的含量与动叶片及轮盘的磨损量并不是线性关系，动叶片和轮盘的磨损会随着烟气中催化剂粉尘含量的升高而急剧增加。如果含量10m的不能超过3%。为了保证烟气轮机的安稳长期运行，就要对烟气轮机中催化剂颗粒的浓度和粒度进行监测，以此来分析判断烟汽轮机叶片的冲蚀磨损程度。 通常烟机中催化剂粉尘的监测在开工初期均采用在线监测技术，但在实际生产中，由于有些在线监测仪器的局限性，造成检测数据的不准确和不连续，给生产操作造成误导，影响生产。经过近几年摸索，除了对原有的在线监测系统进行技术更新改造外，进一步认识到增加离线监测的重要性，并制定了相关制度。由于离线监测的数据准确性更强，完全可以取代传统的内采样法对在线系统的校验。这样，在线、离线两套系统相互补充，可保障设备的正常运行。 兰州石化公司炼油厂140万t重催装置采用了国内某公司的催化剂激光在线监测系统。由于该系统是仿制国外技术，技术不成熟，该系统自投用以后，运行一直不稳定，数据精确度差，虽经改造，但仍然不能满足连续生产的要求。分析该系统，存在以下几点缺陷：(1)采集系统本身采用了前向光散射原理，造成所需光路直径大，而光路直径越大，要净化视窗玻璃表面的难度就越大，而视窗玻璃污染后直接影响仪器的数据准确性；(2)仪器发射和接受部分都安装在高温管道上，电子元件受热辐射和气候条件影响，工作环境恶劣容易造成故障；(3)由于采用激光测试，仪器的激光发射端和接受端之间的对中要求较高，调试比较困难，另外装置开工后，由于地基的振动等原因还会发生对中偏移现象，影响数据的准确性；(4)由于采用单色激光测试，而浓度监测则要求对不同的监测对象进行逐一标定，所以给出的浓度值偏差较大。 鉴于上述原因，兰炼技术中心和上海理工大学联合开发了催化剂颗粒离线激光测粒仪，定期对兰州石化公司重催烟机粉尘进行取样检测分析，与在线系统配合，解决了在线系统精度不足不能满足生产等问题，保证了装置的长期安稳运行。 二、激光测粒仪的检测原理 激光测粒仪的原理图见图1。由激光发出的光束经针孔滤波后成为单色平行光，当该平行光照射到测量区中的颗粒群便会产生光的衍射现象。衍射散射光的强度分布与测量区中被照射的颗粒直径和数量有关，就为颗粒浓度和粒度的测量提供了可能。放在另一端的光电探测仪把照射到每一个环面上的散射光转变成电信号，电信号被处理后送入计算机，计算机根据处理后的电信号和预先编制好的程序很快就会计算出颗粒的平均粒径及尺寸分布。 激光衍射散射式粒度分析仪的形式和种类很多，但他们使用的理论基础基本都是相同的，即假定颗粒产生的散射光符合夫朗和费衍射散射和米(Mie)氏散射理论。激光器发出波长为0.6328m的单色光，经空间滤波和扩束透镜，滤去杂光形成直径最大10mm的平行单色光束。该光束照射测量区中的颗粒时，会产生光的衍射现象。衍射光的强度分布服从夫朗和费衍射理论。在傅立叶透镜后聚焦平面上，形成散射光的远场衍射图形。在透镜后焦平面上放置一多环光电检测器，接收衍射光的能量并转换成电信号输出。 根据夫朗和费衍射原理，当测量区中有一直径为d的球形颗粒时，可求出它的衍射光强分布。激光衍射光强分布落在光电探测器某一个时，则可求出对应的散射角上的光能量。通过计算就能得到颗粒尺寸的体积分布。 三、烟气粉尘浓度的计算方法用采样设备进行等速采样，根据采样时间内过滤筒的催化剂粉尘干重量和通过采样器的烟道气的体积，换算成标准状态，即可计算出烟气的平均浓度。当对三旋分离器入口进行采样时，其体积流量参数可按主风量乘以烟风比计算求得。然后计算采样截面烟气平均流速1为： 式中Q1 进入再生器的空气总流量，m3(标准)/min i烟风比，1.081.1 D大管道内径，m t1采样点处的烟气温度， pa当地大气压，MPa p1采样点处烟气静压（表压），MPa p0标准大气压，p0=0.101325MPa 当对烟机人口进行采样时，体积流量参数在烟机入口流量表上读出，然后计算采样点管道截面平均流速2为： 式中Q2烟机人口的烟气流量，m3(标准) /min 达到等速采样时，计算烟气取样体积流量：设定采样管气体引入孔直径为d，并使引入孔处流速等于大管道的平均流速，则采样的体积流量为（采样条件下）： 式中qv1烟气采样体积流量(湿基)，m3/h d气体引入孔直径，m 大管道和采样引人孔流速，m/s， ts流量计锐孔中心处烟气温度， 烟气采样体积流量qv1，是在温度为ts，压力为当地大气压时的体积流量。换算成标准状态下的采样体积流量qv2则是： 四、现场采样需要注意的几个问题 1确定采样位置 采样位置必须选择在气体流动稳定，没有涡流和旋流，粉尘分布比较均匀的直管段，最好是在垂直的管段上。应避免在弯头、阀门、或变径管上设采样位置，这些地方的断面形状突然改变必然引起气流方向的变化，从而对检测的结果产生影响。 2单点采样 催化裂化装置管道内气流呈稳定的高紊流状态，其横断面各点速度分布除管壁边界层外，基本是相同的，而且呈对称分布。这种情况可以认为管道截面各点的粉尘浓度分布也处于相对均匀状态。因此选定有代表性的点，即采用单点取样方法进行日常测定采样。单点采样法取样误差相对较小，数据的重现性较好，可方便地反复多次取样，是对催化裂化装置烟气中催化剂浓度和粒度的日常监测比较实用的方法。 3等速采样原则 等速采样要求进入采样管引入孔的气流速度同测定点的主气流速度保持相等，这样能避免测定点的气流干扰，保证采样的准确性。达到或接近等速采样的一种简便方法，是计算采样位置管道截面的平均气速，具体测定采样位置附近的烟气温度、压力以及体积流量三个参数。 4采样速率范围的确定 确定采样流量的大小，主要根据两方面因素。其一是滤筒的过滤速度，较合适的过滤速度为0.050.15m/s，对规格为31 mm120mm过滤筒来说，采集粉尘的合适流量在1.04.0m3/h范围。其二是要根据采样时采样器温升情况而定。当高温烟气由采样管引出后，温度很快降低，当烟气温度降至露点以下，催化剂粉尘就会在采样管内壁、阀门等处粘结，使采样误差增大或失败。所以，采样时要始终使采样器温度高于烟气露点温度，使采样器始终保持干燥。根据实际经验，采样器工作温度保持在70180范围是合适的。当催化装置大管道气速相对比较稳定，若按接近设计工况换算，烟机入口大管道烟气流速约在2528m/s范围，三旋入口大管道烟气流速在1518m/s左右