郭涛
（河南晋开化工投资控股集团有限责任公司，河南 开封475000）
［摘 要］河南晋开化工投资控股集团有限责任公司二分公司2×600 kt/a合成氨装置有4台抽凝式汽轮机拖动的合成气压缩机，2018年5月19日，正处于满负荷运行的1台合成气压缩机（7#机组）突然跳车，经检查发现，其汽轮机末级叶轮有1个叶片断裂，并且损伤了相连的多个叶片。结合生产实际及历史运行数据，分析与探究汽轮机末级叶片断裂的原因。7#机组汽轮机转子返回原厂家修复后，根据汽轮机末级叶片断裂原因的分析，对汽轮机的运行进行了多项优化，并制定了减少外界因素对汽轮机叶片造成影响的防范措施，以保证机组的长周期、稳定运行，从而助力整个合成氨装置的稳定运行。
［关键词］合成气压缩机组；汽轮机；末级叶片断裂；原因分析；运行优化；防范措施
［中图分类号］TK263.3 ［文献标志码］B ［文章编号］ 1004-9932（2020）03-0060-03
河南晋开化工投资控股集团有限责任公司二分公司2×600 kt/a合成氨装置氨合成工段共有4台合成气压缩机，单台机组对应的生产能力为300 kt/a，机组由配套的汽轮机拖动。2013年系统开始试车，4台合成气压缩机相继投运；2018年5月19日，其中1台合成气压缩机组（7#机组）汽轮机末级叶片突然断裂，合成氨装置被迫减负荷至75%，7#机组汽轮机进入大修程序。
1 合成气压缩机组配套汽轮机简介
4台汽轮机均为锦西化工机械集团有限公司设计制造的抽凝式汽轮机，型号为5EH-7BD。汽轮机转子共由7级叶轮组成，第二级叶轮后设置有中抽系统，引出蒸汽至外管网。汽轮机正常运行时，主要监控轮室压力（一级后压力）、三级后压力这两个表征汽轮机运行状况优劣的重要指标。
汽轮机主要性能参数：额定进汽压力8.8 MPa、额定进汽温度520 ℃，额定进汽流量77 t/h、正常进汽流量72 t/h，额定转速11 870 r/min、正常转速11 650 r/min，正常功率10 361 kW；抽汽蒸汽压力3.8 MPa、抽汽蒸汽温度412 ℃，抽汽量0～40 t/h；汽轮机轴振动报警值31 μm，汽轮机轴振动联锁值50 μm。
2 汽轮机叶片断裂过程
2018年5月19日，正处于满负荷运行的7#机组突然跳车，ITCC系统显示跳车原因为汽轮机轴振动值高联锁。操作人员随即查询监控趋势，发现7#机组汽轮机的4个轴振动值在跳车瞬间同时涨至150 μm（满量程），后经仪表技术人员检查，确认仪表示数无误。
由于没有找到7#机组汽轮机轴振动值突然上涨的原因，值班人员决定尝试重启，但发现7#机组冲转后在低速状态下其汽轮机轴振动值依然较高，且汽缸内有异常摩擦声，随即停车。在确认过汽轮机所有阀门状态且制定好安全措施后，安排检修人员打开汽轮机排气侧观察孔检查，发现末级叶轮有1个叶片断裂，并且损伤了相连的多个叶片。
3 汽轮机末级叶片断裂的原因分析
3.1 汽轮机通流部分结垢致叶片所受应力增加
进入汽轮机的蒸汽中或多或少总会携带有一些杂质，如SiO2、Na+以及其他一些金属离子，这些杂质在随蒸汽流动中粘附、沉积在叶片表面形成结垢，垢层使叶片表面粗糙、型线改变，并使蒸汽流道变窄，汽轮机出力也因进汽流量减小、效率降低而下降；同时，叶片结垢会使叶片的弯曲应力和离心应力增大，而且容易引起腐蚀致叶片寿命缩短。大量机组的运行经验表明，通流部分结垢不仅影响机组的经济性，而且危及运行的安全性和可靠性。提高蒸汽品质可使汽轮机有效运行时间延长，但汽轮机转子及通流部分结垢不可避免，通过对汽轮机轮室压力进行监控可以大致作出判断，当汽轮机轮室压力超出许可值时应及时进行清洗。
查阅7#机组运行记录发现，自开车以来，7#机组轮室压力和三级后压力逐年上涨，2018年已接近设计值的上限，这其实就是汽轮机通流部分结垢增多的表现。汽轮机检修时，揭缸查看发现转子和通流部分的静叶片上有大量的结垢。这些结垢使汽轮机通流部分面积减小，叶片的弯曲应力和离心应力增大，当超过叶片的许用应力后，叶片就可能受到损伤，当损伤累积到一定程度时，就可能造成叶片断裂。
3.2 中抽系统未投用致管线积液冲击叶片
合成气压缩机组汽轮机为抽凝式，可以根据蒸汽用户的需求采取不同的工况运行，抽汽调节量在0～40 t/h之间。4台合成气压缩机组汽轮机开车初期能满足合成氨装置的负荷需求，其产量和消耗（汽耗）基本上达到设计要求，全凝工况时汽轮机蒸汽耗量在44 t/h左右。汽轮机中抽系统曾尝试投用，但因9.8 MPa蒸汽管网压力波动较为频繁，3.8 MPa蒸汽管网压力不稳定，加上中抽系统仪表控制方面不够完善，造成机组多次跳车，当时为了保证生产系统的稳定运行，汽轮机中抽系统被迫退出运行，汽轮机转入全凝工况运行。在此后的生产中，由于对中抽系统的相关技术缺乏理论研究及实际经验，且基于生产系统运行以稳定为主的指导方针，汽轮机中抽系统一直没有投用。
现场中抽蒸汽从汽轮机底部引出，在汽轮机和外送切断阀之间有一段U形弯管，其底部设置有低点疏水，机组开停车时疏水阀打开一部分，以排除积液，正常生产时疏水阀处于关闭状态。由于汽轮机中抽系统未投用，蒸汽外送切断阀处于关闭状态，中抽蒸汽外送管线在正常生产时温度较低，在U形弯管底部可能会有冷凝液富集，如果机组遇到大幅减负荷，富集的冷凝液就可能汽化，汽化的饱和蒸汽携带液滴进入汽轮机内部，液滴遇到高速旋转的叶片就会形成液击，就可能对汽轮机叶片造成不可挽回的损伤。
另外，中抽系统未投用，汽轮机二级以后流通的蒸汽量相对较大，叶轮受到的应力相应增大，这在一定程度上也加速了末级叶片的损伤。
3.3 停机时汽缸内漏入蒸汽致叶片腐蚀
更多内容详见《中氮肥》2020年第3期