青岛炼化│氢气增压汽轮机轴振动增大原因及解决措施
关键词 | 氢气增压汽轮机 轴振动增大 原因对策
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青岛炼化180×104t/a连续重整装置采用UOP的3代超低压连续重整反应与再生工艺技术。装置设2台多级离心压缩机组，即重整循环氢压缩机K-201和氢气增压压缩机K-202，均位于含氢气体系统中，用以实现含氢气体的循环与外送。
系统简介
01
流程简述
重整原料经重整反应后进入重整产物分液罐D-201，D-201顶含氢气体经K-201增压后大部分作为循环氢返回至重整反应系统，剩余部分气体经空冷A-202冷却后至D-202分液，其顶部气体经增压机K-202的1级压缩后，再经空冷A-203冷却后进入D-203分液，其顶部气体再进入K-202，进行2级压缩后，与经过泵P-201升压后的重整生成油进行再接触以回收含氢气体中的轻烃。再接触罐D-204顶分离出的氢气经脱氯后进氢气管网供外部加氢装置使用。
考虑到机组安全稳定运行，K-202需要避开喘振工况，在K-202的1、2级压缩机出口均设置了防喘振控制阀，防止机组发生喘振，流程见图1。
02
工艺控制
K-201需完成重整循环氢输送和重整产氢1级压缩的任务，K-202需完成将K-201出口1级增压的重整产氢增压送至氢管网的任务。重整反应产物分液罐D-201压力是关系到装置平稳操作及反应性能的重要控制参数，工艺要求必须稳定。因重整是产氢反应，故重整产氢必须经K-201的1级增压后再由K-202继续增压后送至管网，增压氢量过少或过多D-201压力都无法稳定，所以需要用增压氢量来控制D-201压力。
D-201压力控制回路见图2。
D-201压力控制方案为：K-201入口罐D-201压力（PIC-20801）-K-202入口罐D-202压力（PIC-21001A）-氢气增压机K-202转速控制器（SIC-26404）多串级控制，即通过调整K-202转速调整氢气外送量，而达到控制D-201压力的作用。
03
设备概况
K-201（BCL904+BCL905）、K-202（BCL707+BCL708）均采用沈鼓1拖2型机组（1台汽轮机带动2台压缩机），以3.5MPa蒸汽驱动的背压式汽轮机（K-201背压为0.45MPa，K-202背压为1.0MPa）为其驱动机。其设计技术参数见表1、2。
问题描述
由于疫情影响，重整装置加工负荷降低，最低降至53%。由于低负荷运行，重整反应产氢量降低，K-201、K-202压缩气体量相应降低；产氢量减少导致重整反应器压力下降，为维持压力，需增大循环氢量。提高K-201返回重整反应器的循环氢量势必导致K-202的压缩气体量进一步降低。
当装置加工负荷降至80%、K-202入口流量降至70000Nm3/h，汽轮机轴振动开始出现升高趋势，而后随着装置加工负荷的持续降低，汽轮机轴振动峰值最高达到77μm。轴振动偏高会加速汽轮机轴承磨损，不仅增加了设备故障风险，而且对装置的安全平稳运行造成很大隐患。装置满负荷与最低负荷53%时K-202运行参数对比见表3。
问题分析
01
研究汽轮机轴振动与转速的关系
由于K-202汽轮机轴振动问题是在装置加工负荷降低的时候产生的，所以首先从装置运行状态的变化，也就是加工负荷降低角度来分析问题，以寻求加工负荷降低与轴承增大之间的关联。
装置加工量直接关系到重整反应产氢量，加工量降低则产氢量降低，相应的K-202的入口流量降低。但是产氢量的影响因素很多，比如原料组成、反应苛刻度以及催化剂性能等等，所以装置的加工负荷与产氢量没有必然的对应关系，不能直接用来关联K-202的运转状态，用K-202的入口流量来关联K-202的运转状态更为准确、直观。
K-202的入口气体来自D-202顶，气体流量表测量波动较大较难观察。而D-202顶气体流量与D-202压力直接相关，所以可用D-202压力来代替K-202的入口流量来关联K-202的运转状态。由上述工艺控制要求可知，D-202压力控制K-202转速，所以用K-202转速来关联K-202的运转状态最为准确。
观察K-202汽轮机的运转参数变化发现，在蒸汽耗量＜80t/h、转速＜6350rpm时，轴振动开始增大，转速越低轴振动越大。由此可初步认为K-202汽轮机的轴振动与转速降低有关，可能是进入了临界转速。临界转速下转子（即轴承）会发生强烈振动，振幅突然骤增且非常剧烈。
在K-202启动的过程中，需要注意检查透平在1500rpm、2300rpm下运行情况，确认正常后，点击机组“越临界转速”按钮，透平转速将自动快速越过临界转速，升至调速器控制转速5338rpm下运行。查阅相关资料，得知K-202汽轮机的临界转速在2500~5200rpm范围内。
但是观察K-202汽轮机的运行记录发现，汽轮机的转速一直维持在6000rpm以上，处于正常运行范围内，距离临界转速范围还较远，但是考虑到临界转速只是规定了轴承发生强烈振动的情况，不排除由于靠近临界转速而使轴承振动有升高的趋势。
继续对比K-202汽轮机的运行记录，发现此前K-202汽轮机的转速有很多＜6000rpm的情况，轴振动并未出现较大变化，由此可得知“K-202汽轮机的轴振动与转速降低有关”的设想不成立。
02
研究汽轮机轴振动与喘振的关系
由于K-202采用1拖2型机组，1台汽轮机带动2台压缩机，2台压缩机的定子与汽轮机的轴承通过联轴器相连，通过汽轮机轴承的转动来带动2台压缩机转子运行。如果压缩机出现喘振现象，必然会导致汽轮机轴承振动升高。
对于离心式压缩机来说，当进入机体的气体流量小于机组该工况下的最小流量或背压大于压缩机出口压力时，出口管道气体会倒流至压缩机；当压缩机机体出口压力大于出口管道压力时，压缩机又开始排气，气流产生强烈的往复脉冲，气流强烈的无规律震荡引起机组强烈震动，并发出“哮喘”或“吼叫声”，此种现象称为喘振。
K-202的1、2级出口均设置了防喘振控制阀，当压比高、流量低时，防喘控制控制程序会打开防喘阀，将出口气返回入口，防止机组喘振。K-202的防喘振控制经过改造后使用美国压缩机控制公司CCC控制系统，通过压比高限防喘振控制和流量低限防喘振控制方案来进行防喘振控制。
压比高限防喘振控制即设置了压缩机2级出口压力高限控制（设定点2.3MPa）和压缩机1级入口压力低限控制（设定点0.3MPa）。当压力达到设定点时，打开回流阀，以保持压力不超限；流量低限防喘振控制即CCC的喘振控制通过测量入口流量、出入口压力、出入口温度来对1级压缩机和2级压缩机分别实时计算出1个无量纲的S值作为控制的测量值，并以S值定义压缩机运行点在性能曲线图中的精确坐标位置，当压缩机运行点在性能曲线图中的坐标位置进入防喘振区域时，就会打开回流阀，防止喘振的发生。
在K-202入口流量和压力降低过程中，2级出口压力和1级入口压力没有触及压比高限；入口流量的降低导致1级和2级压缩机的运行点向防喘振区域靠近，但是未进入防喘振区域，防喘振回流阀也未开启。考虑到防喘振区域设置有可能存在偏差，所以不排除压缩机出现轻微喘振的可能性。
观察分析压缩机的实际运行状态，发现在汽轮机轴振动增大的这段时间内，1级和2级压缩机的运转参数并没有大幅度波动的现象，定子温度处于69~73℃之间、径向振动处于13~16μm之间，均为正常波动范围。所以可以排除“由于压缩机喘振引起汽轮机轴振动增大”的设想。
03
研究汽轮机轴振动与功率的关系
K-202的1级压缩机负责K-201出口气体的1级增压，2级压缩机负责将1级压缩机出口气体增压送至氢管网，压缩过程可近似看做绝热压缩。
氢气管网压力保持稳定，一般为1.9MPa，不随重整产氢量的变化而变化，所以在重整加工负荷降低、产氢量减少时，K-202入口压力的降低必定导致K-202需要做更多的功（相同压缩气体量），才能保证将气体增压至氢气管网压力。
K-202的2级压缩机负责将气体增压至氢气管网压力，也就是说K-202的2级压缩机出口压力必须保持稳定，但是同时K-202的1级压缩机出口压力并没有硬性的规定。所以一旦重整产氢量减少，K-202入口压力下降，必定导致1级压缩机出口压力下降，相应的2级压缩机入口压力下降，则2级压缩机需要的功率增大（相同压缩气体量），然后就会提高压缩机的转速，随着压缩机转速提高，1级压缩机的功率也会相应的增加。但是K-202汽轮机2侧的1、2级压缩机功率变化量无法确定，就可能会导致K-202汽轮机2侧的压缩机功率差距增大。K-202汽轮机2侧的压缩机功率相差过大导致汽轮机2侧负荷不平衡，汽轮机运行状态不好，使轴振动增大。
接下来将计算K-202不同入口流量的状态下，压缩机和汽轮机的功率，并和K-202汽轮机轴振动值作对比，以寻找功率与轴振动之间的关系。装置处理负荷降低期间，不同入口流量下K-202运转参数见表4。
理想气体在离心机内的压缩过程和在控制阀内的节流过程可视为绝热过程，其过程理想做功如式（1）、（2）所示。
由式（1）可知，能耗与气体流量、气体入口温度、压比和气体绝热指数有关。查阅该装置设计数据，r变化范围为1.26～1.36，为简化分析，K-202的1级压缩绝热指数可视为常数1.29，2级压缩绝热指数可视为常数1.3。
式中Ps-入口压力；Pd-出口压力；P0--标准状态压力；Ts-入口温度；Td-出口温度；T0-标准状态温度；V-入口流量；Vd-出口流量；V0-标准状态下流量；r-气体绝热指数；Ws-过程轴功，大于0，为压缩机对气体所做的轴功；小于0，为气体对用功或耗功设备所做轴功。
计算时需注意：表4中的压力单位均为表压，而公式（1）中的压力单位均为绝压，需要进行换算；表4中的温度单位均为摄氏度，而公式（1）中的温度单位均为开尔文，需要进行换算。进而根据公式（1）、（2）对各级功率进行计算，同时用蒸汽做功对汽轮机功率进行估算，计算结果见表5。
对于K-202，若汽轮机功率越小，1、2级压缩机功率差值越大，则汽轮机运转越不平衡，轴振动将增大。将1、2级压缩机功率差值在汽轮机功率中的占比和汽轮机轴振动做成趋势图，见图3。
由图3可以看出，排除数据采集偏差，1、2级压缩机功率差值在汽轮机功率中的占比和汽轮机轴振动存在相关趋势，即1、2级压缩机功率差值在汽轮机功率中的占比越大，汽轮机的轴振动越高。
为了验证所得的结论，寻找与此次装置加工负荷降低、汽轮机轴振动增大类似的运行状态，来验证上述推论是否正确。装置类似低负荷运行情况下K-202的压缩机和汽轮机功率计算见表6。
将1、2级压缩机功率差值在汽轮机功率中的占比和汽轮机轴振动做成趋势图，见图4。
由图4可见，排除数据采集偏差，装置类似低负荷运行情况下，1、2级压缩机功率差值在汽轮机功率中的占比越大，汽轮机的轴振动越高，与上述推论相同，说明推论成立。
04
判定标准
根据上述分析，可以得知1、2级压缩机功率差值在汽轮机功率中的占比越大，汽轮机轴振动越大。接下来将取多组数值，尝试寻找汽轮机轴振动增大的判定标准，见表7。
并做成趋势图见图5。
由图5可以看出，排除数据采集偏差，1、2级压缩机功率差值在汽轮机功率中的占比＜0.07时，汽轮机轴振动维持30μm左右；1、2级压缩机功率差值在汽轮机功率中的占比＞0.07时，汽轮机轴振动开始增大，并且占比越大，汽轮机的轴振动越大。
问题解决
经研究得知，减小1、2级压缩机功率差值在汽轮机功率中的占比，是解决K-202汽轮机轴振动增大的有效手段，可以从2方面入手：减小1、2级压缩机功率差值或是增加汽轮机的功率。
01
减小1、2级压缩机功率差值
K-202的1级压缩机的功率比2级压缩机功率大，要减小1、2级压缩机功率差值，就需减少1级压缩机的功率或是增加2级压缩机的功率。
①减少1级压缩机功率
此处将2级压缩机功率作为定量、1级压缩机功率作为变量来讨论。
通过公式（1）、（2）可知，若要减少1级压缩机功率，可以降低其Pd/Ps，或降低其PsVs。
降低1级压缩机的Pd/Ps，即降低Pd或提高Ps。降低Pd没有直接手段，只能降低1级压缩机入口流量、压力，与提高Ps相矛盾；提高Ps又与降低PsVs相矛盾，功率变化难以确定。所以此方法不可行。
将压缩气体近似看做理想气体，根据公式（2），若要降低PsVs则可以通过降低P0V0/T0或是降低Ts来实现。在入口气体流量不变、组分不变的情况下，P0V0/T0=nR（n-物质的量，R-普适气体常量）为定值，无法调节。若要降低P0V0/T0则必须降低n，即降低入口气体流量，但必定会降低2级压缩机入口气体流量，导致2级压缩机的功率降低，与前提假设相矛盾；降低Ts，会使D-202内的部分轻烃从气相中析出，同样会降低1级压缩机入口气体流量。所以此方法不可行。
②增加2级压缩机功率
此处将1级压缩机功率作为定量、2级压缩机功率作为变量来讨论。
通过公式（1）、（2）可知，若要增加2级压缩机功率，可以提高Pd/Ps，或是提高2级压缩机的PsVs。
2级压缩机出口压力Ps关系到氢气管网压力，基本保持不变，提高Pd/Ps只需要降低Ps即可。但是降低Ps又与降低PsVs相矛盾，功率变化难以确定。所以此方法不可行。
在1级压缩机运行条件不变的情况下，提高2级压缩机入口气体流量可以采取2种方法：提高Ts使分液罐D-203中部分轻烃蒸发进入含氢气体，以及手动稍开2级压缩机防喘振阀将部分出口气体返回至入口。同时，提高2级压缩机入口气体流量会提高K-202整体功率，也就会提高K-202汽轮机功率，对问题的解决也是有利的。
（1）提高Ts。在2级压缩机入口气体中混入部分轻烃，所以Ts不能提高太多，防止混入轻烃过多导致在2级压缩的的过程中从气相中析出，损坏压缩机内构件，以Ts＜60℃为宜。随后对措施进行了实施应用，实施前后对比见表8。
由表8可以看出，排除生产波动和排除数据采集偏差，2级压缩机入口温度Ts提高后，入口气体流量增加，功率增加，同时汽轮机的功率增加，1、2级压缩机功率差值在汽轮机功率中的占比减小，轴振动明显降低，措施有效。
（2）开2级压缩机防喘振阀。在装置加工负荷持续降低，同时A-203已经没有调整余地来提高Ts的情况下，手动稍开2级压缩机防喘振阀将部分出口气体返回至入口以增加入口气体流量。措施实施前后对比见表9。
由表9可以看出，排除生产波动和排除数据采集偏差，稍开2级压缩机防喘振阀后，入口气体流量增加，功率增加，同时汽轮机的功率增加，1、2级压缩机功率差值在汽轮机功率中的占比减小，轴振动明显降低，措施有效。
02
增加汽轮机功率
在入口气体流量、组成不变情况下，1级压缩机功率无法调节。若要改变入口气体流量、组成，可通过调整进料量、组成来实现，但是装置进料量、组成需要通过全厂的物料平衡来调节，并和采购的原油有关，无法调整；也可以提高入口温度Ts，使部分轻烃蒸发进入含氢气体，以及手动稍开1级压缩机防喘振阀将出口部分气体返回至入口。
优化后，提高1级压缩机入口气体流量，也就提高了K-202入口气体流量，相当于提高装置负荷产生了更多含氢气体，在理论上是可以增加汽轮机的功率并降低K-202汽轮机轴振动。
但是由于调整K-202的2级压缩机入口温度和防喘振阀之后，汽轮机轴振动偏高问题已经解决。为保证装置安全平稳生产，不再尝试不同方法进行调整，以免造成生产波动，产生不利影响。
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