合成气压缩机组振动值高的原因.pdf

中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-84-两星推荐某焦炉煤气制甲醇项目用合成气压缩机组，运行后出现了振动值不规律性变大的问题。本文案例的合成气压缩机振动值大造成的停机故障与以往的轴承区附近的故障有不同，主要是因为，机组出现轴振动前后，机组的轴承运行正常，轴承温度以及回油温度等参数全部正常。本文针对上述问题进行探讨，分析问题原因，验证解决效果，得出了一些经验结论，为后续处理类似问题提供了一定的新思路新方法，最终为用户现场机组平稳运行提出了一套较为完备的解决方案。合成气压缩机简介焦 炉 煤 气 制 甲 醇 主 要 步 骤 首 先 是 将 来 自 转 化 的1.994MPa（A）新鲜气，进入合成气压缩机组，经一段压缩后，压缩至约 3.398MPa（A），温度升高至 107，进入中间冷却器冷却，温度降至 40，再进入二段压缩至 5.5MPa（A），与来自甲醇合成的循环气在压缩机循环段缸体内混合后，压缩至 6.1MPa（A），出口温度 61左右，参见表1 合成气压缩机主要设计参数。此部分合成气经气气换热器预热到 225，进入甲醇合成塔，在催化剂的作用下进行甲醇合成反应。合成塔出口气进气气换热器与合成塔入口气换热，然后进入水冷器冷却，最后进入甲醇分离器进行气液分离。出甲醇分离器气体大部分作为循环气去合成气压缩增压并补充新鲜气，另一少部分去洗醇塔洗涤甲醇，洗醇塔出口气根据需要分别去转化和焦化装置。由甲醇分离器底部出来的粗甲醇减压到 0.5MPa（g）后进入闪蒸槽，闪蒸出的溶解气去转化作燃料气，闪蒸槽出来的粗甲醇送往甲醇精馏。某项目甲醇厂有两套生产装置，总产能为 34 万吨/年甲醇，其中第二套装置产能为 14 万吨/年甲醇，2021 年 8月正式投产。该合成气压缩机选用缸内混合气形式，即将合成气压缩机合成段与加气循环段整合为一套机组，集成度高，汽轮机驱动，以保证长周期安全运行。它担负着将从前工序来的新鲜气、工艺气体压缩至甲醇合成塔内，在合成塔内催化剂的作用下生产粗甲醇的重任，其重要性不言而语。该合成气压缩机是否长周期、连续、稳定运行直接制约着本系统的甲醇产量及后续工艺流程的顺利进行。问题描述2021 年 8 月2023 年 1 月期间，该机组共计开、停车行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度合成气压缩机组振动值高的原因李重阳 刘云龙 梁志弈李重阳 刘云龙 梁志弈沈鼓集团股份有限公司-85-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期两星推荐12 次。在该阶段出现了工艺条件稳定的情况下压缩机联轴器侧的振动值先后出现增大的异常现象，期间该压缩机的运行状况表现为不稳定。2023 年 1 月该机组联轴器侧轴振动值增大，联轴器侧轴承振值从正常的 20m 左右突然持续上升到 69m，超过报警值（报警值设置为 63.5m），且出现高位联锁停车（联锁值设置为 88.9m）。经过系统调整恢复开车后，起初的一段时间联轴器侧相同监测点位的轴承振值平稳正常，但是逐渐地对合成气压缩机组进行提高负荷调整，在缓慢关闭防喘振阀门开度且升速升压过程中，此振动值又开始持续上升，后续突然上升到 89m，再次导致机组高高位报警后联锁停车。为此决定停机检修，分项排查问题。首先确定工艺流程符合相关设计参数没有问题，设备操作员的操作符合规程控制文件没有问题，机组的进出口温度、出口压力等参数符合设计标准，只有这个联轴器侧轴振动值两次异常突增导致联锁停车，问题大概率出现在压缩机转子、联轴器等转动部件方面。以此做出相应的检修预案及相关分析。检修预案根据试车结果，进行现场平衡，待振动合格后，及齿轮箱返厂后，再进行试车，对比结果。对转子临阶转速问题进行分析，重点对联轴器外伸端质量和重心进行核算，根据现场实际临阶转速，转子动力特性，反算联轴器外伸端质量和重心是否与实际存在对应关系。复查主轴、叶轮、隔套等部件的设计尺寸及技术要求，重新校对重要部件的过盈量是否合理。将原转子进行拆解，拆解过程中如出现隔套无法使用的情况，提前备料，尽快安排加工。对主轴、叶轮、隔套等部件的相关数据进行检验，与设计图纸进行对比，重点确定叶轮内径尺寸，过盈量是否合理，出示检验报告。将原转子叶轮等转动件，与新主轴进行装配。对新转子各部件的相关数据进行检验，与设计图纸进行对比，重点确定叶轮内径尺寸，过盈量是否合理，出示检验报告。对联轴器外伸部分重新进行动平衡分析，如确需更换则改制联轴器。根据试车大纲，待齿轮箱到厂后，模拟现场情况，与压缩机（安装试车密封）共同进行试车，验证试车结果。原因分析对比振动值高导致联锁停车前后，该合成气压缩机组的其他运行参数正常，进出口温度、出口压力、出口流量均无明显异常，初步判断并非工艺流程波动引起的联锁停车。对比振动值高导致联锁停车前后，该合成气压缩机组的润滑油系统始终保持平稳运行，进油总管和支管的压力都符合设计要求，初步判断并非润滑油压力不稳造成轴承润滑问题引起的联锁停车。对比振动值高导致联锁停车前后，该合成气压缩机组的干气密封系统没有故障报警，主密封气进气压力、隔离气进气压力都符合设计要求，初步判断并非干气密封的磨损造成轴振动值高联锁停机。对比振动值高导致联锁停车前后，该合成气压缩机组的支撑轴承和推力轴承的监测温度都符合设计要求，初步判断并非轴承磨损造成轴振动值高联锁停机。由于发生振动值报警联锁的位置在压缩机主轴联轴器侧，在排除上述几种可能因素外，那么对于联轴器本身的排查就要更为重视。联轴器相对质量较大，在联轴器使转子支承外侧增加了一个质量，类似于转子外伸悬臂叶轮的作用，使转子振型发生改变。由于转子已经更换主轴，同时对零部件安装进行了重新安装，多次进行高速动平衡，基本排除转子本身存在的问题。图 1 所示实线为在转子外伸端增加质量的不平衡响应曲线，虚线为外伸端无质量的不平衡曲线，可以看出，增加外伸端质量后振动增加，并在 11 800rpm 时出现一个峰值，通过一阶临界转速后只有一小段是平稳的，通过第二个峰值后，振动随转速呈明显上升趋势，而无外伸端质量通过一阶临界转速后幅值基本平稳。此外，当转子与其外伸端组成的轴系出现不平衡量时，会使转子外伸端产生很大的震动，图 2 为某转子 350kg，联轴器 50kg，在联轴器侧加不平衡激励后轴承附近位置不平衡响应曲线，该转子临界转速 4 125rpm，可见通过临界后振动随转速增加而增大。表 1 合成气压缩机主要设计参数操作条件工况正常工况110%正常工况段号一段二段加气三段一段二段加气三段气体合成气合成气循环气循环段合成气合成气循环气循环段体积流量（Nm3/h）（0.101 3MPa&0）54 30054 300298 920353 32059 73059 730328 812388 542入口压力 MPa（A）1.9943.3745.5005.5002.1003.5145.5005.500入口温度4040404940404049体积流量（湿）（m3/h）3 4592 058-7 9663 5902 179-8 752出口压力 MPa（A）3.3985.5-6.13.5085.502-6.1出口温度108.2107.2-62106103.5-61轴功率（不含齿轮箱损失）（kW）4 8234 991效率%75.570.5-83.474.969.7-80.9转速（rmin-1）11 89611 896总压缩比1.7041.630-1.1091.6701.566-1.109中国科技信息 2024 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024-86-两星推荐图 1 转子外伸端增加质量的不平衡响应曲线图 2 联轴器加不平衡激励的不平衡响应曲线图 3 某联轴器图纸上对于安装当量接手的说明为了消除联轴器对转子的影响，高速转子的联轴器图纸上都明确要求转子在做高速动平衡时在半联轴器上要安装当量接手，即把联轴器其余部分的质量考虑进去。改进方案考虑到联轴器质量偏大可能对转子振动产生影响，决定图 4 行星齿轮示意图图 5 振动趋势图对外伸部分的联轴器重量进行分析。识别是否由转子外伸端引起机组振动非常关键，如果怀疑转子外伸端引起机组振动，应比较外伸端与转子的质量，通常如果外伸端的质量接近一个叶轮的质量，应予以重视，一般来说外伸端引起机组振动特征如下。外伸端振动高于自由侧，有时甚至外伸端振动超标，另一端振动合格。外伸端振动通过临界后随转速继续增加或某个转速（一般 10 000rpm）以后振动大幅度增加。振动频率为工频。振动受负荷影响较小。合成气压缩机组由电机拖动，通过行星齿轮增速，行星齿轮结构如图 4 所示，太阳轮与压缩机相连，太阳轮侧采用齿式联轴器，压缩机侧采用磨盘联轴器，转子质量 530kg，工作转速 11 869rpm，一阶临界转速 4 832rpm，二阶临界转速 18 155rpm。该压缩机现场机械试车时多次开车振动幅值都超标，进行详细检查后仍旧无果，振动最大时达到 55um，由于电机采用降压启动，起机时间不足 20s，DCS 捕捉的数据很少，采用高密度连续采集方法获得的振动趋势如图 5 所示，图中在 11 500rpm 时出现了一个峰值，与转子外伸悬臂产生的二阶临界振动类似。振动频率为工频。离心压缩机通常都是采用两级齿轮增速，很少采用行星齿轮增速。现场检修时发现太阳轮与行星轮之间的间隙很大，静止状态下用力作用在太阳轮上能够感觉太阳轮可自由活动，行星齿轮箱的振动监测采用速度传感器而非像通常一样采用电涡流位移传感，其理由大概是因为太阳轮活动范围较大将使测量的振动位移值相应较大，基于以上原因结合起机-87-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2024中国科技信息 2024 年第 8 期两星推荐振动趋势出现的第二个峰值，推断转子外伸的联轴器和太阳轮使转子外伸质量增加。正常产品设计时只考虑联轴器的质量，因为对于二级增速的齿轮不对压缩机转子贡献质量，行星齿轮为非常规产品设计，故在产品计算转子动力学特性时没给予考虑。如果增加转子的外伸质量，很有可能产生二阶悬臂振型。基于上述分析，对转子进行模态分析，转子外伸端除了考虑半联轴器外还增加 50kg 质量，模态振型如图 6 所示。计算一阶临界转速为 4 110rpm，对比启机振动趋势实际一阶临界转速 4 093rpm，二者较为相符，则计算的二阶临界转速有参考价值，二阶临界转速为 10 880rpm，由此可见考虑转子外伸的质量后，转子由二阶临界转速附近降低到工作转速上，使得机组运转时发生共振。齿轮箱与压缩机属于主体部分的设备，现场实际条件现阶段很难改变。因此为了消除或降低转子外伸质量的影响，只能更改联轴器的设计，经与联轴器厂家沟通后，更改了联轴器结构，通过改进使联轴器的重心向压缩机移动170mm，质量下降 20kg，如图 7 所示。改进后，合成气压缩机机械运转合格，满负荷运行时幅值最高 23m。经验与总结上述案例的合成气压缩机振动值大造成的停机故障与以往的轴承区附近的故障有不同。主要区别是，对比振动值高导致联锁停车前后，该合成气压缩机组的支撑轴承和推力轴承的监测温度都符合设计要求，报警联锁记录显示发生振动值的报警联锁位置在压缩机主轴联轴器侧，所以在排除常规可能因素造成的故障情况之外，就要联想到排查联轴器本身的高速转动惯量的影响。当转子外伸端质量相对转子质量较大时，对机组的振动有可能产生如下两方面的影响。可能出现二阶悬臂振型，使工作转速与二阶临界转速接近，因而发生共振。对此类转子进行模态分析时，转子外伸端除了考虑半联轴器的质量外还增加合适的匹配质量。当转子外伸端质量相对转子质量较大，同时当外伸侧有不平衡量激励时，容易使转子外伸侧振动超标。实际在设备安装及运行期间经常发生如下情况，例如联轴器变形、安装不当、转子与半联轴器相对位置改变等。在确定联轴器无功能损坏后，可通过实施现场动平衡在联轴器中间段螺栓对称或者全部增加等量的垫片，通过调整配重降低振动。图 6 转子振型图图 7 改进后联轴器实物图