103-JT合成气压缩机组高压透平调速阀故障分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国寰球工程公司 作者:邢桂坤

  某大型合成氨装置新购置一台高压蒸汽透平,用于驱动合成气压缩机。在压缩机组重新启动开车时,调速阀先后3次出现故障,严重影响了整个合成氨装置的正常运行,造成重大经济损失。通过对蒸汽透平调速阀故障现象的分析、探讨,找出高压蒸汽透平调速阀故障的原因,提出了消除高压蒸汽透平调速阀故障的整改措施,为今后诊断和消除类似故障是一个有益的启迪。

  某大型合成氨装置中合成气压缩机(位号:103-J)是合成氨装置的关键设备,由单缸、反动式抽汽凝汽式蒸汽透平驱动(蒸汽透平位号103-JT)。蒸汽透平的具体参数如下:

  进汽压力(正常/最大):10.1/10.3MPa(a)

  进汽温度(正常/最大):440/455℃

  进汽流量(正常/最大):274/295t/h

  抽汽压力(正常/最大):3.92/4.22MPa(a)

  抽汽流量(正常/最大):220/244t/h

  工作转速(正常/最大):10423/10872r/min

  功 率(正常/额定):17738/20429kW

  机组采用两侧全周进汽且上排汽的结构。透平径向轴承为五块可倾瓦轴承,止推轴承为金斯伯雷型。

1、调速阀故障现象及处理措施

  在合成氨装置开车初期,由于种种原因装置的负荷只能在85%~90%范围内运行,这时对应透平转速为10030~10040r/min。2009年,装置满足全负荷运行条件,透平开始升速,打开全部调节阀,即调节阀处于全开状态,发现透平转速仅为9893r/min,达不到设计转速10423r/min。于是装置停车检修,对103-JT透平调速阀解体检查,发现调速阀第4个调节阀阀杆断裂(正常阀头与阀杆是螺纹连接,并用销钉锁死)。调节阀阀头位置及断裂情况见图1~3。

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图1 阀杆部分凸出阀梁部分凹进阀梁

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图2 阀杆

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图3 阀头

  在对断裂的调节阀整套阀梁组件更换后(图4所示),装置再次开车对103-JT透平进行加负荷提速实验,当调速阀阀位由76%开至95%时,透平转速变化仅为40r/min,最高仅为9910r/min。具体实验数据见表1。

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图4 第一次更换的整套阀梁组件

表1 实验数据

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  于是装置再次停车,对103-JT透平调速阀解体检查,发现4#调节阀阀杆断裂、阀头脱落,断裂情况见图5~6。

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图5 断掉的阀杆

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图6 阀杆横断面

  于是又采取的措施是改造阀梁组件(图7所示),阀梁两端的横断面改为弧线形,4#阀头的行程由原设计27.0±0.30mm,改为17.0±0.30mm(即3#、4#阀头同时开启)。

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图7 第二次更换的阀梁组件

  更换新型阀梁组件后,装置再次开车,调节阀全部打开,103-JT透平转速最高升为9366r/min后不再继续升速,还是没有达到设计转速。于是再次停车对103-JT调速阀组件解体检查,发现东侧的调速阀提干断裂,西侧的调速阀提杆弯曲,调速阀杆阀头完好。情况如图8,9所示。

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图8 正常阀杆

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图9 断裂的阀杆

2、调速阀故障分析及措施

  透平调速阀的结构大体有以下三种,即阀杆是全部凸出阀梁的、阀杆部分凸出部分凹进阀梁和阀杆全部凹在阀梁内。103-JT透平调速阀采用的是部分凸出部分凹进阀梁结构。

  由于103-JT透平调速阀采用的是部分凸出和部分凹进梁结构,使得透平升速过程中各阀头阀杆受力不均匀。103-JT阀梁组件共有4个阀头(具体分布见图1),其中1#、3#阀杆凹进阀梁,2#、4#阀杆凸出阀梁。正常运行时,4#阀头是最后开启的,此时透平进蒸汽量最大,阀头部分受力最大,阀头受力约5t,致使阀头与阀座紧密结合,凸出阀梁的阀杆受气流冲击力,产生振动或摆动,使阀杆与阀头螺纹连接处受到横向交变力,导致阀杆断裂。

  同时,在分析103-JT透平调速阀4#阀头故障原因时,也对其他同规模合成氨装置类似条件下运行的机组透平4#阀头组件进行了分析比较,发现尽管机组透平调速阀阀杆也有采用凸出阀梁结构的,但采用凸出梁结构的调节阀阀头阀杆直径一般较大,而且阀杆与阀头是整体锻造结构;而103-JT透平阀杆直径较小,刚性自然较差,承受侧向气流冲击力的能力较小,且阀头与阀杆是螺纹连接的分体式结构。

  改进措施:通过上述分析,认识到103-JT透平调速阀4#阀头多次出现断裂的原因,改进阀头组件的结构(图10所示),加大各阀头阀杆的直径,从原来的33mm增加至42mm。整改后装置再次开车,机组最高转速达到10166r/min,装置负荷为93%,此时4#阀头全部处于开启状态,机组运行良好,调速阀组件状况良好。

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图10 改造后的第4#阀头组

3、结论

  103-JT高压蒸汽透平调节阀故障主要原因是阀头组件结构和设计缺陷造成。103-JT透平调节阀是引进国外技术、国内消化吸收后自行设计制造的。希望在今后的技术引进及消化过程中,要开展大量艰苦、细致的工作,要知其然更要知其所以然,在熟练应用国内外各种设计计算软件的前提下,不断开发研制大量先进的设计计算软件,用以验证设计产品的安全可靠性,否则用户将付出惨重的经济和安全代价,给整个社会造成极大的浪费。

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