马灿灿
中国石油广东石化分公司，广东揭阳市522000
摘要：能量回收机组为重油催化裂化装置的关键设备，也是炼油厂节能效果最明显的大型机组。机组的运行不但影响到装置的加工能力和长周期运行问题，而且直接关系着整个装置的平稳、高效运行和能耗水平。机组振动过大使得整个催化裂化装置面临停产的风险。
关键字：催化、主风机、机组、烟气轮机
1.机组装置介绍
某石化企业320万吨/年催化装置1#主风机采用三机组配制，由烟气轮机、轴流风机、增速箱、电动/发电机及静叶控制系统、润滑油系统组成。烟气轮机、轴流风机、增速箱及电机之间由联轴器连接,如下图：
YL-33000B AV100－13 GD-63 YCH1120-4
烟气轮机 轴流主风机 齿轮箱 电动/发电机
其中烟气轮机为兰炼石化机械厂制造的单级透平，采用轴向进气和径向排气的悬臂转子结构，轴向进气可以使烟气进入烟气轮机时稳定地流动，以确保烟气中催化剂颗粒均匀分布。径向排气管道安装有波纹管膨胀节，以便吸收介质温度过高引起的管道热应力。其主要参数为：
型号 YL-33000B
项目 设计工况
进口流量 Nm3/min 7160
质量流量 kg/s 156
分子量 29.21
进口温度 ℃ 670
出口温度 ℃ 500
入口压力 MPa(a) 0.305
出口压力 MPa(a) 0.093
绝热效率 ％ ≥79
轴功率 kW 33000
额定转速 r/min 3539-3572
跳闸转速 r/min 3785
一阶临界转速 r/min 7405
某年上半年烟气轮机前轴轴径向振动逐步上升，7月间振动值由70μm上升到80～90μm（报警值是80μm，跳车值是100μm）。直接威胁了机组的安全运行和整个装置的平稳生产，甚至面临非计划停工的风险。
2、机组振动特征
仪表显示各测点振动值如下表，其中除X点外振动值基本稳定。
振动μm 月份 3月 4月 5月 6月 7月
X 43 51 64 75 81
Y 39 41 40 42 41
Z 40 41 40 42 41
从表中除可以看到明显的振动值上升趋势外，还存在振动值突然增大，数小时之后恢复至均值的情况。
3、原因分析
一般情况下，引起烟气轮机振动大的常见因素是转子不平衡，如轮盘或叶片结垢、叶片损坏等。判断转子不平衡的常用常用方法是频谱分析、二维全息谱分析。
1）频谱是指一个时域的信号在频域下的表示方式，可以针对信号进行傅里叶变换而得，所得的结果会是以分别以幅度及相位为纵轴，频率为横轴的两张图，不过有时也会省略相位的信息，只有不同频率下对应幅度的资料。有时也以“幅度频谱”表示幅度随频率变化的情形，“相位频谱”表示相位随频率变化的情形。
频谱分析是一种将复噪声号分解为较简单信号的技术。许多物理信号均可以表示为许多不同频率简单信号的和。找出一个信号在不同频率下的信息（可能是幅度、功率、强度或相位等）的作法就是频谱分析。
信号若随着时间变化，且可以用幅度来表示，都有其对应的频谱。包括可见光（颜色）、音乐、无线电波、振动等都有这様的性质。当这些物理现象用频谱表示时，可以提供一些此信号产生原因的相关信息。例如针对一个设备的振动，可以借由其振动信号频谱的频率成分，推测振动是由哪些元件所造成。
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经频谱分析判断，烟气轮机存在转子不平衡、主轴和齿轮轴不对中的问题。为了确定具体原因，还需进一步做二维全息谱分析。
2）二维全息谱分析
转子在同一支撑截面内垂直和水平两个方向的振动信号，可以分解成次谐波分量和高次谐波分量，把幅值、频率和相位两个方向频率相同的振动分别合成，并将各频率分量的合成图罗列在一张频谱图上，这就是二维全息图谱。
经专业分析，转子的零部件不存在明显裂纹或结垢造成的问题。
综合频谱分析和二维全息图谱分析，结合机组运行时间并不太长（三年），可以判断最大可能是催化剂进入轴和轴承间隙，引起振动不定时陡增，以及催化剂不断累计引起振动趋势不断上升。
4、补救及检修措施
1）做出振动原因主要是催化剂漏入轴承箱的判断之后，在尚未达到报警值之前，工艺上采取了多项减缓震动的补救措施。
催化剂由烟道进入轴承箱必须通过三级密封，即蒸汽密封、空气密封和油封。
对于汽封的作用，我们知道，烟气轮机的通流部分在径向位置上，为了防止动、静碰磨（主要是3个部分，隔板和大轴之间，动叶顶部和隔板之间，烟气轮机大轴两端的出缸部分），是必需设计有间隙的，间隙太大了就存在漏气量增大的问题，烟气轮机的效率就降低。间隙太小，就容易造成动静摩擦，引起事故。为了二者兼顾，于是汽封就出现了。简而言之，汽封就是防止烟气通过轴封泄露出烟气轮机。
烟机的汽封通常采用的是蜂窝密封。蜂窝汽封主要用蜂窝带、汽封体经特殊加工工艺组成一体。蜂窝汽封带由六边形小蜂窝孔组成，期中六边形蜂窝孔的对边距离为0.8-6mm，蜂窝深度为1.6-6mm.试验结果表明，蜂窝的尺寸对密封的动力特性系数有较大的影响，蜂窝密封产生主阻尼和刚度很大，稳定性更好。
空气密封是工业风，防止密封蒸汽进入轴承箱，以免引起润滑油乳化变质。油封是净化风，防止润滑油泄漏出轴承箱，采用净化风的目的同样是防止空气中的水分进入润滑油中。空气密封和油封采用传统的迷宫密封。迷宫密封是由很多梳齿与很多轴套交替的凸头和凹槽组成的狭窄而曲折的气道，漏气每经过一个轴封梳齿压力就会降低，流动方向不断改变。在扩容室中产生涡流速度不断减弱，这样连续向后通过很多梳齿后压力降至大气压，流过轴封的蒸汽量与轴封间隙的大小和轴封梳齿的数目多少有关。轴封梳齿愈多，轴封间隙越小，漏流量越小。
传统疏齿式（迷宫式密封）为一种非接触式密封，不能杜绝泄漏， 而是用逐级节流的方法来抑制泄漏，由于受设备轴向长度的限制，使迷宫密封泄漏量较大，并且迷宫密封的泄漏流量随着压差的增大而急剧上升，其密封效率急剧下降，据相关统计资料显示，汽轮机间隙每增加0.0254mm，平均功率损失约4~5kW 。
针对此三级密封，为了减小烟气泄露量，尝试在允许范围内分梯度增加密封蒸汽和密封空气流量和压力的方式，观察振动减小情况。结果并不理想，由此判断三级密封已经损坏较为严重。
2）在烟机振动达到报警值之后采取切换备风机检修措施
拆开烟机密封后发现，蜂窝密封的很多六边形小蜂窝已经被泄露的催化剂填满，使得密封的效率大大下降，催化剂泄露量明显增大。
5、检修效果
更换新蜂窝密封之后，烟机径向振动值完全恢复正常。反应进料量达到检修前的正常值时，振动值只有30～40μm，且保持稳定，陡然增大的情况也完全消失。主要原因在于蜂窝密封的修复完全弥补了压差、轴封间隙的正常波动带来的泄露量增大。
结束语
1）烟气轮机震动大是烟机的常见问题，但较普通的汽轮机在振动原因排查方面更为困难和复杂，因为催化剂粉尘对机组的损耗比普通汽轮机大得多。烟气轮机的平稳运行对催化裂化装置的重要性不言而喻。这就要求我们综合运用各种手段迅速查找和确认故障根源。
2）针对该机组故障，及时采取有效措施，成功避免了重大设备事故的发生，缩短了检修时间，为大型机组的故障诊断积累了宝贵的经验。