中科炼化│裂解气压缩机轴瓦温度高的原因分析及处理
关键词 | 裂解气压缩机 轴瓦 温度过高 处理措施
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机组概况
80万t/a乙烯装置裂解气压缩机由低压缸、中压缸和高压缸3个缸组成，分成五段对裂解气进行压缩。低压缸实现一段压缩，入口压力为0.026MPa（表），出口压力为0.158MPa（表）；中压缸实现二、三段压缩，三段出口压力为0.862MPa（表）；高压缸实现四、五段压缩，五段出口压力为3.8MPa（表）。3个缸额定功率分别为7776、14727、16206kW，额定转速为4892r/min。压缩机由抽汽凝汽式汽轮机驱动，压缩机额定功率为42579kW。3个缸排列情况见图1。
压缩机采用可倾瓦支撑轴承（通常由3~5个或更多个能在支点上自由倾斜的弧形瓦块组成）和双作用自平衡式止推轴承。低、中压缸采用同类型的轴瓦，支撑轴瓦型号为φ240×168LG.W/HYDROSTATICLIFT（有液压顶升），推力瓦型号为φ381（10）×（10）PAD；高压缸支撑轴瓦型号为TPJBEARING（无液压顶升），止推瓦型号为φ304.8（8）×（8）PAD。压缩机与汽轮机、压缩机各缸之间都采用Kop-flex公司提供的膜盘联轴器直接联接。
压缩机与汽轮机的润滑油、顶升油和控制油采用联合油站供油，油泵功率为132kW，泵流量为3454L/min。
第一次试机情况
2020年8月5日压缩机空气无负荷（出入口连通大气）初次试机，按暖机曲线升速，一阶段暖机转速800r/min，暖机1h，压缩机轴振动、轴瓦温度正常；二阶段暖机速度1500r/min，暖机1h，压缩机轴瓦振动、温度正常。暖机结束，继续升速并快速冲过临界转速后，速度稳定在最低止点转速3913r/min，低压缸两端支撑瓦的下轴瓦（顺着压缩机转向的第一块底瓦），温度从54℃同时升到98℃并稳定在该温度。在该转速下稳定运行1h后，继续升速到额定转速4892r/min，这两块轴瓦的温度分别上升到118℃（驱动端TIA22308）和122℃（非驱动端TIA22306），具体位置见图2。
从压缩机CCS系统调出转速与轴瓦温度的趋势曲线进行对比发现：轴瓦温度随转速上升而同步上涨；转速稳定后，轴瓦温度也稳定；降低转速，轴瓦温度也同步下降；停机后，轴瓦温度恢复到常温。由此可以判断，轴瓦温度显示值为真实值。额定转速下，压缩机轴瓦温度不宜超过90℃（轴瓦温度高报警值105℃，高高报警值115℃），汽轮机、压缩机的中压缸与高压缸的轴瓦温度在50~90℃正常范围之内，显然，低压缸两端支撑轴瓦温度超高，处于非正常状态，需处理。
原因分析及处理措施
轴瓦温度高主要由以下几方面引起：
1）轴瓦存在异常摩擦，产生了大量的热量；
2）轴与轴瓦间隙过小，导致进入油量不足、撤热量不足；
3）润滑油油质变差，润滑效果变差，引起油温上升；
4）润滑油供油量不足，导致撤热能力不足。
停机降温后，拆检轴瓦，低压缸非驱动端和驱动端支撑瓦下轴瓦情况分别见图3和图4。
仔细检查轴瓦和轴，没有发现异常的碰磨痕迹，轴与轴瓦的接触面积和位置都在正常范围内。所以可以排除轴瓦存在异常摩擦。
拆装过程用压铅法测量了轴瓦与轴的间隙和瓦背紧力（轴承盖对轴瓦压紧之力称为轴瓦紧力，其作用主要是保证轴瓦在运行中稳定，防止轴瓦在转子不平衡力的作用下产生振动），第一次试机后实测间隙值见表1。
从实测值可以看出：低压缸支撑瓦间隙已调到设计值的上限，并与同缸径的中压缸支撑瓦间隙相近，所以判断轴瓦间隙合适；同时复测了支撑瓦瓦背压紧过盈量，3个缸6个位置的过盈都在设计要求范围内，可以判断轴瓦瓦背过盈情况良好。
考虑到润滑油系统供油不足或油质变化对轴瓦温度的影响，回查了润滑油系统的运行情况，结果显示，试机全过程润滑油系统供油总管压力稳定在0.25MPa，供油油温40℃，说明润滑油系统供油处于一个正常且稳定的状态。同时，对润滑油系统进行多点采样分析，分析结果显示：机械杂质为0，水分为0，运动粘度平均值为45.2mm2/s，结果合格。拆检润滑油油滤器，也未发现异常。如果系统供油不足或润滑油变质，则其他轴瓦温度也会高于正常值，而汽轮机、高压缸和中压缸的轴瓦温度是正常的，所以可以排除此原因。
由于未能确定导致轴瓦温度超高的具体原因，因此采取了增大进油量以降低轴瓦温度的措施。轴瓦进油孔内节流塞孔径的大小决定了进入轴瓦的油量。为进一步增大支撑瓦的进油量，对低压缸的节流塞进行了扩孔，但节流塞孔径过大可能会导致润滑油偏流，使得经过其他轴瓦油量减小，引起其它轴瓦温度升高。
根据轴瓦用油的经验公式：
孔径扩孔前后的直径d分别为φ5.5和φ7mm；油压ΔP为1.1kg/cm2，即进入轴瓦座前的润滑油支管的表压。
以上数值代入公式，分别算出孔径φ5.5和φ7mm时的流量，约40和65L/min，因此每个轴瓦座进油量增加65-40＝25L/min，低压缸两端轴瓦座扩孔后需增加油量25×2＝50L/min。经复核，裂解气压缩机机组中压缩机用油量1830L/min，汽轮机控制油和汽轮机润滑油用油量635L/min，故润滑油消耗量为1830+635＝2465L/min，按1.2倍设计余量计算，机组润滑油总消耗量为2465×1.2＝2958L/min。机组油泵的流量为3454L/min，余量有近500L/min。低压缸两端轴瓦座扩孔后，增加的油量为50L/min，再乘以1.2倍的设计余量，共计增加油量50×1.2＝60L/min，余量500-60＝440L/min，所以扩孔后油泵供油量仍能满足需求。在供油量满足要求的情况下，则不会发生偏流。
同时，为了能让进入轴瓦座的油更容易进入瓦面，在轴瓦瓦面进油端人工刮研油楔。将瓦面刮研掉0.03mm，形成宽度为4~5mm的油楔面，见图5。
第二次试机
2020年9月15日回装后，引氮气进入系统，采用氮气工况试机。按暖机曲线升速，一阶段暖机转速800r/min，暖机1h，压缩机轴瓦振动、温度正常；二阶段暖机速度1500r/min，暖机1h，压缩机轴瓦振动、温度正常。暖机结束，继续升速并快速冲过临界转速后，速度稳定在最低止点转速3913r/min，低压缸驱动端支撑轴瓦温度上升并稳定在99.5℃，非驱动端支撑轴瓦温度上升并稳定在102℃，同转速下分别比8月5日空负荷试车时的轴瓦温度高1℃和4℃。由于在3913r/min时，压缩机五段出口压力已达到2.2MPa，即氮气工况的极限值，因此停止提速。但通过之前空负荷试车的转速与轴瓦温度对应关系推断，如升到额定转速4892r/min，低压缸两端支撑瓦轴瓦温度肯定还是会超过120℃。通过此次试车，证明加大油量对降低轴瓦温度作用不明显。为了验证轴与瓦间隙对轴瓦温度的影响，转速稳定在3913r/min时，手动启动压缩机的液压顶升油泵。油泵启动后，低压缸两端轴瓦温度快速下降了7℃，并趋于稳定。
停机降温后，再次拆检，结果显示，轴瓦的接触情况良好，说明轴瓦安装良好。低压缸非驱动端和驱动端支撑瓦下轴瓦的情况分别见图6和图7。
需要说明的是，压缩机启动时，轴的扭矩最大，轴对轴瓦的压力最大，所以在启动瞬间，轴对轴瓦的磨损最大。随着压缩机规模不断增大，转子质量随之增大，磨损问题就更为凸显。为了有效缓解此问题，采用液压顶升的办法，即启动压缩机前，先启动顶升油泵，使高压的润滑油通过支撑瓦底部的进油孔把压缩机轴平行顶高约10μm，在轴瓦与轴之间建立10μm厚强支撑油膜，这样一方面可减少压缩机启动时轴与轴瓦间的摩擦，另一方面又可降低启动扭矩。待压缩机运转起来，轴与轴瓦的油膜建立正常后，再停下顶升油泵。此方法在很多大型机械上都有应用。上述在压缩机高速运行期间启动顶升油泵的操作，属于非常规操作，存在振动急剧加大的风险，只是为了印证瓦间隙变大后，油温是否有明显下降的一个变通作法。
第二次试机后原因分析及处理措施
受顶升油泵启动后轴瓦温度下降明显的启发，进行了以下调整工作：压缩机低压缸前、后支撑轴瓦间隙从原设计轴径（φ240mm）的1.7‰扩大至2‰（标准规定可倾瓦轴瓦间隙的正常范围一般为轴径的1.2‰~2‰，因此，该压缩机低压缸支撑轴瓦间隙最大允许值为0.48mm），但轴瓦间隙调大后，轴受约束间隙变大，可能造成轴的振动变大。观察之前2次开机时低压缸两端轴的振动，其值在额定转速4892r/min时稳定维持在10~18μm范围内（联锁停机值为80μm），振动较小。因此，调大轴瓦间隙后，即使振动值稍微变大也能在接受范围内。最终间隙调整如表2所示。
第二次试机后，将低压缸的两端支撑瓦间隙从0.4mm调到0.47mm。由于该机组涉及系统庞大，开停工序复杂，工作量大，物耗高，为避免反复开停机，在调整低压缸轴瓦间隙时，同时也对中、高压缸轴瓦间隙进行了适当的放大调整。
通过之前的油泵供油量计算可知，油泵仍有440L/min的余量，为进一步降低轴瓦温度，此次直接拆除低压缸温度高的轴瓦两侧的进油节流塞（1块轴瓦两侧各有1个节流塞，2块超温的轴瓦共有4个，节流塞外径φ12mm）。将上述数值代入式（1），计算可得：孔径φ12mm时，进油量约为128L/min，比之前孔径φ7mm时的65L/min增加了63L/min，两端轴瓦座进油量增加了126L/min，仍在440L/min余量范围内。
第三次试机
2020年9月22日，引天然气作为压缩介质开机，仍按程序暖机，暖机完成后，提速到3913r/min，低压缸驱动端支撑轴瓦温度上升并稳定在82.9℃，非驱动端支撑轴瓦温度上升并稳定在79.1℃，同转速下比9月15日试机时轴瓦温度分别下降了17℃和23℃。继续提升转速到额定转速4892r/min，低压缸驱动端支撑轴瓦温度随之上升并稳定在90.8℃，非驱动端支撑轴瓦温度没有明显上升，稳定在79.8℃。
至此，经过1个多月的反复计算、调整和试验，裂解气压缩机低压缸两端支撑轴瓦温度高的问题得到了有效解决，轴瓦温度降到了预期的温度范围。
结语及建议
引起轴瓦温度高的因素不多，相对于轴振动高的问题更容易找到主要原因。解决问题过程中，第一次停机调整轴瓦间隙受限于设计值，因不敢超出设计值，故没有对轴瓦间隙进行调整，在轴瓦间隙不变的情况下，虽然加大了进入轴瓦座的进油量，但最终进入轴瓦间隙的油量并没有明显增加，轴瓦瓦面温度自然也不会下降。为了印证轴瓦间隙对油温的影响，第二次停机前，启动了顶升油泵，增大了轴瓦间隙，轴瓦温度下降明显。得到印证后，第二次停机调整就直接把轴瓦间隙调大了0.07mm，等于扩大了进入轴瓦油道的截面积，使油的通过量增大、撤热能力提升，轴瓦摩擦热量能及时被油带走，可将轴瓦温度控制在90℃以内。
因此有以下几点建议：
1）进口轴瓦供应商提供轴瓦间隙上限为轴径的1.7‰，主要是为了防止轴振动大而设置的，但随着国内机加工水平的不断提高，转子的动平衡已做得非常好，不需通过轴瓦间隙来控制其振动值的大小，轴瓦间隙过小反而不利于其撤热。因此，对于动平衡好、振动值小的转子，轴瓦的间隙宜放大到轴径的1.9‰~2‰。
2）在轴瓦座的进油口设置节流塞是为了减少进入轴瓦的油量，起到节能的作用，但相比42579kW压缩机轴瓦的长周期运行，其能耗是微乎其微的，而若因撤热不足造成轴瓦运行周期缩短，则反而得不偿失。由此建议取消轴瓦座进油口的节流塞。
3）该机组由于暖机时间较长（2h），而低速下轴瓦表面形成油膜不好，因此每次暖机过程都会对轴瓦有一定的损伤。故将开机时顶升油泵停泵设定转速从600r/min改到1800r/min，即等暖机完成开始升速时才停止顶升油泵。同时，为了避免停机低速惰走期（约10min）对轴瓦造成磨损，将停机时顶升油泵启动设定转速500r/min改到1500r/min。
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