【摘要】本文主要介绍因蒸汽品质不良造成汽轮机通流部分结垢，导致工作转速降低，转子轴振动值增大， 临时停机后再开机过程中因为转子结垢不均匀脱落导致转子不平衡引起机组振动超标被迫停机的过程。
关键词：汽轮机 蒸汽品质 结垢 振动
1.前言
背压式汽轮机被广泛应用于催化装置富气压缩机组，是装置生产中的关键机组。本文主要介绍汽轮机组在正常运行中因蒸汽品质不良造成汽轮机进机蒸汽过滤网部分堵塞，通流部分结垢，导致工作转速降低，使机组机械性能逐渐下降，临时停机再起动后因转子动叶片结垢不均匀脱落引起轴振动增大的一次故障分析、根据故障分析制定相应的处理方法。
2.简介
汽轮机型号为MNG32/25/0。主要性能参数为：额定功率3445KW，额定转速 8352rpm，转速范围5896-8844rpm，跳闸转速9728rpm，进汽压力正常/最大 3.3/3.5MPa，进汽温度正常/最大 420/435℃，正常排汽压力1.1MPa，排汽压力范围0.95--1.2MPa，转子轴振动低报警值50μm，高高报70μm。
3.机组故障情况
汽轮机经检修后投入生产运行，振动及运行状态良好。随后在正常运行中的汽轮机转速随着运行时间的增长而逐渐降低，汽轮机的轴振动也随着运行时间的增长而加大，排汽端轴振动最大幅值49μm，已临近报警值，检查气轮机各运行参数均正常，汽轮机进汽温度进汽压力也都在标准范围，排汽压力略比以前有所减少（调节级后的轮室压力取压点堵塞，压力表值没有有效的参考价值），最大变化参数是汽轮机耗汽量有较明显的减少，在正常工作转速下汽轮机耗汽量18.6kg/s，而实际核算耗汽量约为11.8kg/s，减少了约30%，检查调速系统也没有发现问题，油动机行程已达到最大开度，调节汽阀拉杆活动正常，未发现卡涩现象，此时汽轮机的转速为6400rpm。通过对汽轮机耗气量的对比，在调节气阀能正常开启时，汽轮机的转速逐渐下降达不到额定转速，并伴有振动逐渐加大的情况产生，经分析认为正常运转的汽轮机机械性能逐渐下降，主要有以下几种原因所造成：
第一：调节气阀因阀蝶脱落、拉杆断裂，未全部打开或部件松动，行程不够。
第二：蒸汽速关阀过滤网堵塞.进机蒸汽受阻，流量减小，影响蒸汽做功。
第三: 静叶叶片结垢，表面粗糙度增加，使蒸汽通过静叶栅的速度及流量减少，级间能耗上升，影响蒸汽做功。
第四：级间汽封间隙过大，蒸气损耗增大。
第五：汽轮机转子弯曲，与压缩机对中不好，调节系统调节不当。
第六：转子动叶片结垢会使转子动平衡精度被破坏，轴振动值随转速变化而变化，；近几个月来的振动值可参见表一所示。
表一：振动值比较表
运行时间
前径向轴承
振动μm
后径向轴承振动μm
转速r/min
2005.7.20
39
24
6470
2005.9.10
39
24
6192
2005.10.10
37
26
6085
2005.11.2
38
28
6025
2005.12.12
39
30
5923
2006.1.5
38
33
5870
3.故障原因分析
1） 根据机组现场运行状况分析
（1） 由于汽轮机在一年多时间里都运行良好，正常运行中发现转速逐渐下降，并没有出现突然明显的转速波动，应当排除调节气阀拉杆断裂、气阀损坏的可能性。
（2）汽轮机进气压力3.3Mpa，排气压力1.00Mpa，在允许范围内，排气压力没有出现明显的上升，可以排除级间气封间隙增大造成蒸汽损耗过大的可能性。
（3）汽轮机轴承温度、进油压力、回油温度正常，轴位移较以前没有明显变化、运行状况良好；压缩机轴承温度、进油压力稳定、联轴器侧振动值没有明显增加，可以排除轴承摩损和转子不对中的影响。
（4）机组运行中未发现机内有异常声音，可以排除叶片冲蚀断裂动静碰摩的可能。
（5）速关阀蒸汽滤网自安装投用后未检查、清洗过，存在着结垢的可能。
（6）轴振动值随着转速的升高逐渐增大、且增长较平稳存在不平衡因素的影响。
2） 利用在线状态监测技术分析故障原因
通过对S8000在线监测系统的频谱进行分析,汽轮机轴振动的频率主要为工频振动, 低频成分很小，工频成分占整个通频成分的比例很大,而其它倍频成分很小。检查转子的轴心轨迹图,该转子的轴心轨迹是一个比较稳定的椭圆,且重复性良好,时域波形图是一个近似的等幅正旋波,（见频谱图1、2、3）。对以上状态监测系统中截取的三幅图的分析判断，不平衡量的影响是引起转子轴振动增大的主要因素。
图1：轴振动频谱图
图2：轴心轨迹图
图3：轴心轨迹图
4.故障原因总结
根据机组现场运行状况结合在线监测系统的频谱进行综合分析：
（1） 汽轮机转速逐渐下降是因为进机蒸汽过滤网通流部分结垢，使进机蒸汽受阻，流量减小，影响蒸汽做功。
（2）静叶栅结垢后汽道变窄，通流面积减小，蒸汽的能量转换也就达不到设计值，造成汽轮机机械性能降低，转速也随之下降。
（3）蒸汽品质劣化造成转子动叶片结垢使转子平衡被破坏，振动值随转速升高而增大，随转速的降低而减小。
5.处理方法
在当时这种状态下，汽轮机转速还基本上能满足正常生产运行，轴振动也未超出报警值，因生产需要经有关部门同意暂未作停机处理，监视运行、择机处理。
后因生产装置要加大炼量，汽轮机工作转速已满足不了生产需求,计划停机检查、维修。因该机组是单机运行，如长时间停机检修将影响装置正常生产运行，为缩短停机时间尽量减少停机造成的经济损失，仅对进汽部分的速关阀、调节气阀、蒸汽滤网进行部分有针对性的检修，检查中发现速关阀两个蒸汽过滤网的通流面积约有1/4的部分被盐垢堵塞,其它部位经检查未发现问题。仔细清洗后的过滤网回装、开机。在升速过程中当汽轮机转速升到4600rpm时,轴振动所有测量值都已超过了高高报警值,进汽端最大振动幅值为92μm,排汽端最大振动幅值为110μm,伴有明显的噪声,汽轮机在高速旋转中，存在着严重的振动，已远远超出了汽轮机厂生产的汽轮机轴振动的标准。(转子轴振动低报警值50μm，高高报70μm)
用便携式测振仪测量轴承箱,在垂直和水平方向振速均有增加,前、后轴承箱体振动烈度正常工作状态下和振动加剧时轴承箱体的振动烈度对比情况参见表二所示。同时轴振动幅值随转速的升高而增大,随转速的降低而减小。
表二：轴承箱体正常与振动状态振动烈度对比
正常工作状态时轴承箱体
振动加剧时轴承箱体
前振动烈度mm/s
后振动烈度mm/s
前振动烈度mm/s
后振动烈度mm/s
水平方向
垂直方向
水平方向
垂直方向
水平方向
垂直方向
水平方向
垂直方向
0.3
0.4
0.6
0.9
2.9
2.3
3.2
2.3
0.3
0.3
0.8
0.7
3.0
2.4
3.1
2.5
振动严重时轴振动值：进汽端最大轴振动值为 92μm,
排汽端最大轴振动值为 110μm
正常运转的汽轮机振动逐渐增大可能引起的严重后果：
1）通流部分动、静叶发生摩擦，严重时可能引起主轴弯曲；
2）轴承合金破裂，紧固螺钉松脱、断裂，严重时可能发生断轴事故；
3） 滑销磨损，中心变动，严重时可能影响机壳正常膨胀，导致动静碰磨；
4) 危机保安装置发生误动作；
5) 机组部件连接松动，地脚螺栓断裂；
6） 公共底座二次灌浆层松动，基础产生裂纹；
7） 引起被驱动的压缩机损坏；
通过分析判断汽轮机轴振动过大是由于转子存在严重的动不平衡,造成转子严重动不平衡的原因是在开停机的过程中附在动叶片上的盐垢发生了不均匀的脱落而引起的。动叶栅结垢后，除了可能造成转子的严重失衡外，通流部分的结垢还会造成汽轮机转子轴向推力明显变大，使推力轴承损坏，甚至造成机械事故。
由于振动原因影响机组无法正常运行，决定对汽轮机进行解体检查,在检查中发现转子8、9、10级动叶片上发现有很严重的盐垢，并且有不均匀的脱落；同时8、9、10级静叶栅同样也有严重的盐垢（参见图1、图2所示）,蒸汽通道被盐垢堵塞后减小了约有30%的面积。与停机前的故障分析基本正确。
在用软化水加蒸气对动叶栅、静叶栅进行仔细认真的清洗后，并对各部尺寸检测合格后回装，经过充分暖机后冲转、升速、调节汽阀还有1/3开度时汽轮机转速已达到了正常工作转速，而转子轴振动最大幅值为29μm，机组并入系统正常运行。
图1 导叶持环 上
图2 导叶持环 下
6、汽轮机结垢的原因及危害
结垢的原因：汽轮机结垢的主要原因是过热蒸汽品质不良，蒸汽中易溶于水的钠的化合物和不溶于水或极难溶于水的化合物超标，当蒸汽在通流部分膨胀做功时，参数降低及汽流方向和流速不断改变，蒸汽携带盐分的能力逐渐减弱，在减压部位或流道变更部位被分离出来，沉积在喷嘴、动叶片和进汽阀等通流部件表面上，形成盐垢。汽轮机通流部分结垢将使通流面积减小，效率下降。若维持进气调节阀开度不变，流量将减小，使机组功率下降；若要保持汽轮机转速，就要开大进汽阀，当进汽阀开到最大仍不能提供合适的转速时就影响到了装置的正常生产。
造成的危害：（1）结垢后使通流面积减小。若保持主蒸汽参数不变，蒸汽流量将减小，汽轮机做功相应降低；（2）动、静叶结垢使其表面粗糙，增大了摩擦损失，又因机组出力偏离设计工况运行，使汽轮机效率下降。由经验可知，结垢厚度每增加0.11 mm，将使汽轮机级效率降低3 %～4 %；（3）汽轮机级段结垢，降低了理想焓降，增加反动度，转子轴向推力增大，很可能造成推力轴承过载而发生事故；（4）速关阀、调速汽门等部件的阀杆结垢，可引起阀门卡涩，在事故状况下不能切断进汽，从而造成机组超速；（5）某些具有侵蚀性的积垢对叶片的耐高温性能会产生很大影响。
7、总结
这是一个因为蒸汽品质不良而造成的汽轮机通流部分结垢,使汽轮机机械性能降低,转子动叶片结盐垢使转子轴振动增大的典型事例。
为了保证汽轮机的运行安全，必须严格保证蒸汽品质并对正常运行中的轮室压力进行观察、记录、对比，帮助判断叶片完好状态和表面结垢情况。汽轮机运行中，当通流部分正常时，通汽面积不变，轮室压力与流量保持一定关系。在一定压力和流量下，轮室压力比正常值高时，说明流动阻力增加，主要原因是流道堵塞或叶片表面结垢，使通流面积减小。汽轮机运行时，应及时记录轮室压力值，并且应与正常的压力值比较，判断叶片结垢状况，对判断汽轮机运行状态提供一个帮助，从而提高汽轮机运行的安全性。
参考文献:
[1]杭州汽轮机厂MNG32/25/0型汽轮机说明书
[2]炼油设备2MCL系列气压机组维护检修规程（SHS02014-2004）
[3]沈士一 《汽轮机原理》，北京，水利电力出版社，1992
[4]张克舫，沈慧坊. 汽轮机技术问答（第二版）. 北京：中国石化出版社，2006
【摘要】本文主要介绍因蒸汽品质不良造成汽轮机通流部分结垢，导致工作转速降低，转子轴振动值增大， 临时停机后再开机过程中因为转子结垢不均匀脱落导致转子不平衡引起机组振动超标被迫停机的过程。
关键词：汽轮机 蒸汽品质 结垢 振动
1.前言
背压式汽轮机被广泛应用于催化装置富气压缩机组，是装置生产中的关键机组。本文主要介绍汽轮机组在正常运行中因蒸汽品质不良造成汽轮机进机蒸汽过滤网部分堵塞，通流部分结垢，导致工作转速降低，使机组机械性能逐渐下降，临时停机再起动后因转子动叶片结垢不均匀脱落引起轴振动增大的一次故障分析、根据故障分析制定相应的处理方法。
2.简介
汽轮机型号为MNG32/25/0。主要性能参数为：额定功率3445KW，额定转速 8352rpm，转速范围5896-8844rpm，跳闸转速9728rpm，进汽压力正常/最大 3.3/3.5MPa，进汽温度正常/最大 420/435℃，正常排汽压力1.1MPa，排汽压力范围0.95--1.2MPa，转子轴振动低报警值50μm，高高报70μm。
3.机组故障情况
汽轮机经检修后投入生产运行，振动及运行状态良好。随后在正常运行中的汽轮机转速随着运行时间的增长而逐渐降低，汽轮机的轴振动也随着运行时间的增长而加大，排汽端轴振动最大幅值49μm，已临近报警值，检查气轮机各运行参数均正常，汽轮机进汽温度进汽压力也都在标准范围，排汽压力略比以前有所减少（调节级后的轮室压力取压点堵塞，压力表值没有有效的参考价值），最大变化参数是汽轮机耗汽量有较明显的减少，在正常工作转速下汽轮机耗汽量18.6kg/s，而实际核算耗汽量约为11.8kg/s，减少了约30%，检查调速系统也没有发现问题，油动机行程已达到最大开度，调节汽阀拉杆活动正常，未发现卡涩现象，此时汽轮机的转速为6400rpm。通过对汽轮机耗气量的对比，在调节气阀能正常开启时，汽轮机的转速逐渐下降达不到额定转速，并伴有振动逐渐加大的情况产生，经分析认为正常运转的汽轮机机械性能逐渐下降，主要有以下几种原因所造成：
第一：调节气阀因阀蝶脱落、拉杆断裂，未全部打开或部件松动，行程不够。
第二：蒸汽速关阀过滤网堵塞.进机蒸汽受阻，流量减小，影响蒸汽做功。
第三: 静叶叶片结垢，表面粗糙度增加，使蒸汽通过静叶栅的速度及流量减少，级间能耗上升，影响蒸汽做功。
第四：级间汽封间隙过大，蒸气损耗增大。
第五：汽轮机转子弯曲，与压缩机对中不好，调节系统调节不当。
第六：转子动叶片结垢会使转子动平衡精度被破坏，轴振动值随转速变化而变化，；近几个月来的振动值可参见表一所示。
表一：振动值比较表
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运行时间 |
前径向轴承 振动μm |
后径向轴承振动μm |
转速r/min |
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2005.7.20 |
39 |
24 |
6470 |
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2005.9.10 |
39 |
24 |
6192 |
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2005.10.10 |
37 |
26 |
6085 |
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2005.11.2 |
38 |
28 |
6025 |
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2005.12.12 |
39 |
30 |
5923 |
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2006.1.5 |
38 |
33 |
5870 |
3.故障原因分析
1） 根据机组现场运行状况分析
（1） 由于汽轮机在一年多时间里都运行良好，正常运行中发现转速逐渐下降，并没有出现突然明显的转速波动，应当排除调节气阀拉杆断裂、气阀损坏的可能性。
（2）汽轮机进气压力3.3Mpa，排气压力1.00Mpa，在允许范围内，排气压力没有出现明显的上升，可以排除级间气封间隙增大造成蒸汽损耗过大的可能性。
（3）汽轮机轴承温度、进油压力、回油温度正常，轴位移较以前没有明显变化、运行状况良好；压缩机轴承温度、进油压力稳定、联轴器侧振动值没有明显增加，可以排除轴承摩损和转子不对中的影响。
（4）机组运行中未发现机内有异常声音，可以排除叶片冲蚀断裂动静碰摩的可能。
（5）速关阀蒸汽滤网自安装投用后未检查、清洗过，存在着结垢的可能。
（6）轴振动值随着转速的升高逐渐增大、且增长较平稳存在不平衡因素的影响。
2） 利用在线状态监测技术分析故障原因
通过对S8000在线监测系统的频谱进行分析,汽轮机轴振动的频率主要为工频振动, 低频成分很小，工频成分占整个通频成分的比例很大,而其它倍频成分很小。检查转子的轴心轨迹图,该转子的轴心轨迹是一个比较稳定的椭圆,且重复性良好,时域波形图是一个近似的等幅正旋波,（见频谱图1、2、3）。对以上状态监测系统中截取的三幅图的分析判断，不平衡量的影响是引起转子轴振动增大的主要因素。
图1：轴振动频谱图
图2：轴心轨迹图
图3：轴心轨迹图
4.故障原因总结
根据机组现场运行状况结合在线监测系统的频谱进行综合分析：
（1） 汽轮机转速逐渐下降是因为进机蒸汽过滤网通流部分结垢，使进机蒸汽受阻，流量减小，影响蒸汽做功。
（2）静叶栅结垢后汽道变窄，通流面积减小，蒸汽的能量转换也就达不到设计值，造成汽轮机机械性能降低，转速也随之下降。
（3）蒸汽品质劣化造成转子动叶片结垢使转子平衡被破坏，振动值随转速升高而增大，随转速的降低而减小。
5.处理方法
在当时这种状态下，汽轮机转速还基本上能满足正常生产运行，轴振动也未超出报警值，因生产需要经有关部门同意暂未作停机处理，监视运行、择机处理。
后因生产装置要加大炼量，汽轮机工作转速已满足不了生产需求,计划停机检查、维修。因该机组是单机运行，如长时间停机检修将影响装置正常生产运行，为缩短停机时间尽量减少停机造成的经济损失，仅对进汽部分的速关阀、调节气阀、蒸汽滤网进行部分有针对性的检修，检查中发现速关阀两个蒸汽过滤网的通流面积约有1/4的部分被盐垢堵塞,其它部位经检查未发现问题。仔细清洗后的过滤网回装、开机。在升速过程中当汽轮机转速升到4600rpm时,轴振动所有测量值都已超过了高高报警值,进汽端最大振动幅值为92μm,排汽端最大振动幅值为110μm,伴有明显的噪声,汽轮机在高速旋转中，存在着严重的振动，已远远超出了汽轮机厂生产的汽轮机轴振动的标准。(转子轴振动低报警值50μm，高高报70μm)
用便携式测振仪测量轴承箱,在垂直和水平方向振速均有增加,前、后轴承箱体振动烈度正常工作状态下和振动加剧时轴承箱体的振动烈度对比情况参见表二所示。同时轴振动幅值随转速的升高而增大,随转速的降低而减小。
表二：轴承箱体正常与振动状态振动烈度对比
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正常工作状态时轴承箱体 |
振动加剧时轴承箱体 |
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前振动烈度mm/s |
后振动烈度mm/s |
前振动烈度mm/s |
后振动烈度mm/s |
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水平方向 |
垂直方向 |
水平方向 |
垂直方向 |
水平方向 |
垂直方向 |
水平方向 |
垂直方向 |
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0.3 |
0.4 |
0.6 |
0.9 |
2.9 |
2.3 |
3.2 |
2.3 |
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0.3 |
0.3 |
0.8 |
0.7 |
3.0 |
2.4 |
3.1 |
2.5 |
振动严重时轴振动值：进汽端最大轴振动值为 92μm,
排汽端最大轴振动值为 110μm
正常运转的汽轮机振动逐渐增大可能引起的严重后果：
1）通流部分动、静叶发生摩擦，严重时可能引起主轴弯曲；
2）轴承合金破裂，紧固螺钉松脱、断裂，严重时可能发生断轴事故；
3） 滑销磨损，中心变动，严重时可能影响机壳正常膨胀，导致动静碰磨；
4) 危机保安装置发生误动作；
5) 机组部件连接松动，地脚螺栓断裂；
6） 公共底座二次灌浆层松动，基础产生裂纹；
7） 引起被驱动的压缩机损坏；
通过分析判断汽轮机轴振动过大是由于转子存在严重的动不平衡,造成转子严重动不平衡的原因是在开停机的过程中附在动叶片上的盐垢发生了不均匀的脱落而引起的。动叶栅结垢后，除了可能造成转子的严重失衡外，通流部分的结垢还会造成汽轮机转子轴向推力明显变大，使推力轴承损坏，甚至造成机械事故。
由于振动原因影响机组无法正常运行，决定对汽轮机进行解体检查,在检查中发现转子8、9、10级动叶片上发现有很严重的盐垢，并且有不均匀的脱落；同时8、9、10级静叶栅同样也有严重的盐垢（参见图1、图2所示）,蒸汽通道被盐垢堵塞后减小了约有30%的面积。与停机前的故障分析基本正确。
在用软化水加蒸气对动叶栅、静叶栅进行仔细认真的清洗后，并对各部尺寸检测合格后回装，经过充分暖机后冲转、升速、调节汽阀还有1/3开度时汽轮机转速已达到了正常工作转速，而转子轴振动最大幅值为29μm，机组并入系统正常运行。
图1 导叶持环 上
图2 导叶持环 下
6、汽轮机结垢的原因及危害
结垢的原因：汽轮机结垢的主要原因是过热蒸汽品质不良，蒸汽中易溶于水的钠的化合物和不溶于水或极难溶于水的化合物超标，当蒸汽在通流部分膨胀做功时，参数降低及汽流方向和流速不断改变，蒸汽携带盐分的能力逐渐减弱，在减压部位或流道变更部位被分离出来，沉积在喷嘴、动叶片和进汽阀等通流部件表面上，形成盐垢。汽轮机通流部分结垢将使通流面积减小，效率下降。若维持进气调节阀开度不变，流量将减小，使机组功率下降；若要保持汽轮机转速，就要开大进汽阀，当进汽阀开到最大仍不能提供合适的转速时就影响到了装置的正常生产。
造成的危害：（1）结垢后使通流面积减小。若保持主蒸汽参数不变，蒸汽流量将减小，汽轮机做功相应降低；（2）动、静叶结垢使其表面粗糙，增大了摩擦损失，又因机组出力偏离设计工况运行，使汽轮机效率下降。由经验可知，结垢厚度每增加0.11 mm，将使汽轮机级效率降低3 %～4 %；（3）汽轮机级段结垢，降低了理想焓降，增加反动度，转子轴向推力增大，很可能造成推力轴承过载而发生事故；（4）速关阀、调速汽门等部件的阀杆结垢，可引起阀门卡涩，在事故状况下不能切断进汽，从而造成机组超速；（5）某些具有侵蚀性的积垢对叶片的耐高温性能会产生很大影响。
7、总结
这是一个因为蒸汽品质不良而造成的汽轮机通流部分结垢,使汽轮机机械性能降低,转子动叶片结盐垢使转子轴振动增大的典型事例。
为了保证汽轮机的运行安全，必须严格保证蒸汽品质并对正常运行中的轮室压力进行观察、记录、对比，帮助判断叶片完好状态和表面结垢情况。汽轮机运行中，当通流部分正常时，通汽面积不变，轮室压力与流量保持一定关系。在一定压力和流量下，轮室压力比正常值高时，说明流动阻力增加，主要原因是流道堵塞或叶片表面结垢，使通流面积减小。汽轮机运行时，应及时记录轮室压力值，并且应与正常的压力值比较，判断叶片结垢状况，对判断汽轮机运行状态提供一个帮助，从而提高汽轮机运行的安全性。
参考文献:
[1]杭州汽轮机厂MNG32/25/0型汽轮机说明书
[2]炼油设备2MCL系列气压机组维护检修规程（SHS02014-2004）
[3]沈士一 《汽轮机原理》，北京，水利电力出版社，1992
[4]张克舫，沈慧坊. 汽轮机技术问答（第二版）. 北京：中国石化出版社，2006
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