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摘要：根据烟气轮机处理的工作介质特性，分析了引起烟气轮机振动的机理。对由转子不平衡引起的振动进行了讨论，给出了转子不平衡引起振动的故障诊断依据并提出了预防措施。
关键词：烟气轮机 转子不平衡 故障诊断
一、引言
烟气轮机（又称烟气透平，简称烟机）是石油化工行业常用的关键设备之一，它利用催化裂化装置在生产过程中产生的高温低压烟气的热能及压力能驱动离心式或轴流式主风机或发电机等设备工作或发电，达到回收能量的目的。烟气机组的运行状况直接关系到装置的运行周期和能耗水平，对保证装置正常平稳运行和节能降耗具有重要意义。然而，烟气轮机也是石油化工行业关键设备中发生故障率最高的。频繁停机导致装置能耗上升，处理量下降，严重的使装置切断进料甚至非计划停工的现象时有发生，严重影响了企业的正常生产和经济效益。因此，研究烟气轮机的常见故障、产生故障的原因以及预防、消除故障的措施，对企业节能降耗，保证正常生产具有重要意义。
二、烟气轮机振动的机理
烟气轮机的工作介质中含有催化剂固体颗粒，这种高温气-固两相流动对烟气轮机的气动热力性能和叶片的磨损要产生主要影响。高温提高了催化剂固体颗粒的黏度，使其辅着在叶片等转动部件上的机率增加。研究表明，催化剂微粒的浓度对叶片的磨损影响及大，含粉尘浓度是造成叶片磨损的主要原因之一。因此，导致烟机故障率居高不下的主要因素是高温和粉尘，烟机组的机械故障，主要与这两者有关。工程实践中，烟机常见的故障有：磨损、叶片断裂、粉尘堆积、动静摩擦、动平衡破坏、同心度偏移、油膜失稳、壳体变形及管线应力影响都直接或间接与这两者密不可分，以上几种故障均会引起烟机的振动。本文将就烟机转子因磨损及动平衡造成破坏引起的振动进行研究。
1.磨损
烟气中所含的以催化剂为主的烟气粉尘，随烟气一起高速通过烟机叶片，对烟机流道产生冲刷，在高温的作用下（通常烟气入口温度在620℃以上），烟气粉尘对转子的磨损加剧，磨损严重的部位常发生在叶片、台肩、榫槽等部位，会出现刀刃状或拇指状的划痕，冲蚀严重时会出现蜂窝状。因此，为保证叶片寿命和烟气轮机的效率，我国一般要求烟气轮机含粉尘浓度不大于200mg/Nm3。此外，颗粒尺寸一般要求大于 的不超过8%。因为粒度大的微粒在离心力的作用下易于集中到叶片顶部，造成局部严重磨损。
2.叶片断裂
当烟气均匀冲刷叶片时，磨损对烟机转子平衡的影响不明显，而当出现不均匀磨损时，会对转子动平衡造成破坏，机组振动值上升。当冲蚀造成叶片受损严重时，机组振动较大，受损叶片在长期振动产生的交变应力的作用下极易发生疲劳断裂破坏。叶片突然断裂会使烟机转子动平衡严重破坏，使得振幅瞬间上升。
3.粉尘堆积
目前在用的各类烟机中普遍采用过热蒸汽或饱和蒸汽冷却、吹扫烟机轮盘。高温的烟气通过混有较低温度的蒸汽时，或吹扫蒸汽本身带有不饱和蒸汽时，在水分凝结作用下，烟气粉尘会大量附着在烟机流道及叶片上。这些结焦物有时是均匀分布的、有时是不均匀的，它们将直接影响转子的动平衡。特别是烟机运转过程中烟气条件不断变化或结焦物增多、增重后，附着在叶片某部位的结焦物受离心力作用被甩脱，这样就严重破坏了转子的动平衡，引起机组振动值突发性升高。而当结焦物大部分被甩掉后，烟机的振动又会降下来。很多烟机运行时振动情况波动都是这一过程引起的。
粉尘堆积现象更容易发生在双级轮盘的烟气轮机上，这也是双级烟机故障率相对偏高的主要原因。
三、烟气轮机系统振动的微分方程及响应
四、烟气轮机振动的故障诊断
为保证烟机在生产过程的安全性和可靠性，使设备发挥最大的经济效益，对其进行在线振动监测与故障诊断，以便在整个系统发生较大破坏之前及时维护或有准备的停机，具有重要的经济意义和实用价值。而烟机常见的故障是由于转子部件质量出现偏心或转子部件出现缺损造成的转子不平衡引起的，造成转子不平衡原因按其发生过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡等几种情况。
原始不平衡由转子制造误差、装配误差以及材质不均匀等原因引起。
渐发性不平衡由转子在生产过程中不均匀结垢，介质中粉尘的不均匀沉积，介质所含颗粒对叶片及叶轮的不均匀磨损以及工作介质对转子的腐蚀等因素造成。表现为振动幅值随运行时间的延长逐渐增大。
在生产实际中，烟机旋转轴在各个方向上刚度有差别，轴承的支撑刚度沿各向分布也不同，因而，转子因不平衡质量在相应在x、y方向不仅振幅不同，而且相位差也不是900，因此转子的轴心轨迹不是圆而是椭圆。
通过分析数据及频谱，得出以下初步判断：
（1）烟气轮机组各测点的振动主要表现为93HZ，振源在于压缩机转子的不平衡量。
（2）压缩机垂直方向的振动比较大，方向性比较明显，检查轴瓦间隙是否合适及基础是否有松动。
根据以上分析结果，对机组地脚螺栓、机组进出口管线及其支座进行了细致排查，发现机组地脚螺栓紧固无松动。由于检测到出口管线的弹簧支座振动较大，达到约30mm/s，所以在现场调整机组弹簧支座压缩量，观察机组振动情况，经试验发现在调整过程中机组的垂直振动值没有减小，振动值没有发生根本变化，从而可以初步判断机组振动与机组基础无关，振动原因在于机组转子的不平衡或者机组轴承间隙偏大。
8月5日停下机组，对机组拆修，并逐项检查了以下项目。
（1）拆开机组轴承测量间隙检查，测量轴承顶间隙（抬轴法）0.25mm，在标准值0.18～0.26 mm范围内，轴承间隙符合要求；
（2）烟机转子吊出检查发现一级、二级叶轮流道入口积灰较多，清理粘结的灰垢，见图5-2。
（3）抽出烟机出口弹簧支座检查，检查发现弹簧性能良好，没有出现断裂等现象。
（4）拆开烟机入口及出口风道的人孔进行检查，发现风道内有少量的灰尘和杂物，并清理干净。
检修完毕后，机组在6日回装好，7日启动风机，并入系统。ITCC控制系统检测到风机南瓦垂直振动值为约35μm，机组振动异常的情况已完全消除。
六、预防与消除烟气轮机常见振动的措施
综上所述，由于烟气轮机在石化生产中的重要性和工作介质中含有催化剂固体颗粒的具体情况，在生产实际中，首先要控制进入烟气轮机工作介质中催化剂颗粒的浓度，其次中加强对烟气轮机机组的在线监测，及时发现异常振动，并结合历史记录，准确判断振动产生的原因，为机组的检修指明方向，节约检修时间。
参考文献
[1]力学，赵凯华 罗蔚茵，高等教育出版社，2003.
[2]振动力学，倪振华，西安交通大学出版社，1988.
[3]机泵维修钳工，中国石油化工集团公司人事部，中国石化出版社，2011.
[4]机械设备故障诊断实用技术，杨国安，中国石化出版社，2007.
关键词：烟气轮机 转子不平衡 故障诊断
一、引言
烟气轮机（又称烟气透平，简称烟机）是石油化工行业常用的关键设备之一，它利用催化裂化装置在生产过程中产生的高温低压烟气的热能及压力能驱动离心式或轴流式主风机或发电机等设备工作或发电，达到回收能量的目的。烟气机组的运行状况直接关系到装置的运行周期和能耗水平，对保证装置正常平稳运行和节能降耗具有重要意义。然而，烟气轮机也是石油化工行业关键设备中发生故障率最高的。频繁停机导致装置能耗上升，处理量下降，严重的使装置切断进料甚至非计划停工的现象时有发生，严重影响了企业的正常生产和经济效益。因此，研究烟气轮机的常见故障、产生故障的原因以及预防、消除故障的措施，对企业节能降耗，保证正常生产具有重要意义。
二、烟气轮机振动的机理
烟气轮机的工作介质中含有催化剂固体颗粒，这种高温气-固两相流动对烟气轮机的气动热力性能和叶片的磨损要产生主要影响。高温提高了催化剂固体颗粒的黏度，使其辅着在叶片等转动部件上的机率增加。研究表明，催化剂微粒的浓度对叶片的磨损影响及大，含粉尘浓度是造成叶片磨损的主要原因之一。因此，导致烟机故障率居高不下的主要因素是高温和粉尘，烟机组的机械故障，主要与这两者有关。工程实践中，烟机常见的故障有：磨损、叶片断裂、粉尘堆积、动静摩擦、动平衡破坏、同心度偏移、油膜失稳、壳体变形及管线应力影响都直接或间接与这两者密不可分，以上几种故障均会引起烟机的振动。本文将就烟机转子因磨损及动平衡造成破坏引起的振动进行研究。
1.磨损
烟气中所含的以催化剂为主的烟气粉尘，随烟气一起高速通过烟机叶片，对烟机流道产生冲刷，在高温的作用下（通常烟气入口温度在620℃以上），烟气粉尘对转子的磨损加剧，磨损严重的部位常发生在叶片、台肩、榫槽等部位，会出现刀刃状或拇指状的划痕，冲蚀严重时会出现蜂窝状。因此，为保证叶片寿命和烟气轮机的效率，我国一般要求烟气轮机含粉尘浓度不大于200mg/Nm3。此外，颗粒尺寸一般要求大于 的不超过8%。因为粒度大的微粒在离心力的作用下易于集中到叶片顶部，造成局部严重磨损。
2.叶片断裂
当烟气均匀冲刷叶片时，磨损对烟机转子平衡的影响不明显，而当出现不均匀磨损时，会对转子动平衡造成破坏，机组振动值上升。当冲蚀造成叶片受损严重时，机组振动较大，受损叶片在长期振动产生的交变应力的作用下极易发生疲劳断裂破坏。叶片突然断裂会使烟机转子动平衡严重破坏，使得振幅瞬间上升。
3.粉尘堆积
目前在用的各类烟机中普遍采用过热蒸汽或饱和蒸汽冷却、吹扫烟机轮盘。高温的烟气通过混有较低温度的蒸汽时，或吹扫蒸汽本身带有不饱和蒸汽时，在水分凝结作用下，烟气粉尘会大量附着在烟机流道及叶片上。这些结焦物有时是均匀分布的、有时是不均匀的，它们将直接影响转子的动平衡。特别是烟机运转过程中烟气条件不断变化或结焦物增多、增重后，附着在叶片某部位的结焦物受离心力作用被甩脱，这样就严重破坏了转子的动平衡，引起机组振动值突发性升高。而当结焦物大部分被甩掉后，烟机的振动又会降下来。很多烟机运行时振动情况波动都是这一过程引起的。
粉尘堆积现象更容易发生在双级轮盘的烟气轮机上，这也是双级烟机故障率相对偏高的主要原因。
三、烟气轮机系统振动的微分方程及响应
四、烟气轮机振动的故障诊断
为保证烟机在生产过程的安全性和可靠性，使设备发挥最大的经济效益，对其进行在线振动监测与故障诊断，以便在整个系统发生较大破坏之前及时维护或有准备的停机，具有重要的经济意义和实用价值。而烟机常见的故障是由于转子部件质量出现偏心或转子部件出现缺损造成的转子不平衡引起的，造成转子不平衡原因按其发生过程可分为原始不平衡、渐发性不平衡和突发性不平衡等几种情况。
原始不平衡由转子制造误差、装配误差以及材质不均匀等原因引起。
渐发性不平衡由转子在生产过程中不均匀结垢，介质中粉尘的不均匀沉积，介质所含颗粒对叶片及叶轮的不均匀磨损以及工作介质对转子的腐蚀等因素造成。表现为振动幅值随运行时间的延长逐渐增大。
在生产实际中，烟机旋转轴在各个方向上刚度有差别，轴承的支撑刚度沿各向分布也不同，因而，转子因不平衡质量在相应在x、y方向不仅振幅不同，而且相位差也不是900，因此转子的轴心轨迹不是圆而是椭圆。
通过分析数据及频谱，得出以下初步判断：
（1）烟气轮机组各测点的振动主要表现为93HZ，振源在于压缩机转子的不平衡量。
（2）压缩机垂直方向的振动比较大，方向性比较明显，检查轴瓦间隙是否合适及基础是否有松动。
根据以上分析结果，对机组地脚螺栓、机组进出口管线及其支座进行了细致排查，发现机组地脚螺栓紧固无松动。由于检测到出口管线的弹簧支座振动较大，达到约30mm/s，所以在现场调整机组弹簧支座压缩量，观察机组振动情况，经试验发现在调整过程中机组的垂直振动值没有减小，振动值没有发生根本变化，从而可以初步判断机组振动与机组基础无关，振动原因在于机组转子的不平衡或者机组轴承间隙偏大。
8月5日停下机组，对机组拆修，并逐项检查了以下项目。
（1）拆开机组轴承测量间隙检查，测量轴承顶间隙（抬轴法）0.25mm，在标准值0.18～0.26 mm范围内，轴承间隙符合要求；
（2）烟机转子吊出检查发现一级、二级叶轮流道入口积灰较多，清理粘结的灰垢，见图5-2。
（3）抽出烟机出口弹簧支座检查，检查发现弹簧性能良好，没有出现断裂等现象。
（4）拆开烟机入口及出口风道的人孔进行检查，发现风道内有少量的灰尘和杂物，并清理干净。
检修完毕后，机组在6日回装好，7日启动风机，并入系统。ITCC控制系统检测到风机南瓦垂直振动值为约35μm，机组振动异常的情况已完全消除。
六、预防与消除烟气轮机常见振动的措施
综上所述，由于烟气轮机在石化生产中的重要性和工作介质中含有催化剂固体颗粒的具体情况，在生产实际中，首先要控制进入烟气轮机工作介质中催化剂颗粒的浓度，其次中加强对烟气轮机机组的在线监测，及时发现异常振动，并结合历史记录，准确判断振动产生的原因，为机组的检修指明方向，节约检修时间。
参考文献
[1]力学，赵凯华 罗蔚茵，高等教育出版社，2003.
[2]振动力学，倪振华，西安交通大学出版社，1988.
[3]机泵维修钳工，中国石油化工集团公司人事部，中国石化出版社，2011.
[4]机械设备故障诊断实用技术，杨国安，中国石化出版社，2007.