合成气压缩机组汽轮机末级叶片断裂原因分析及应对
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缩机组汽轮机末级叶片断裂原因分析及应对
· ６１ ·
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。
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 ５ＥＨ７ＢＤ。 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 ８８ＭＰａ、 额定进汽温度 ５２０℃，额定进汽流量 ７７ｔ／ｈ、正常 进汽流量 ７２ｔ／ｈ，额定转速 １１８７０ｒ／ｍｉｎ、正常转 速 １１６５０ｒ／ｍｉｎ，正常功率 １０３６１ｋＷ；抽汽蒸 汽压力 ３８ＭＰａ、抽汽蒸汽温度 ４１２℃，抽汽量 ０～４０ｔ／ｈ；汽轮机轴振动报警值 ３１μｍ，汽轮机
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。
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 ０～４０ｔ／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 ４４ｔ／ｈ左右。汽轮机 中抽系统曾尝试投用，但因 ９８ＭＰａ蒸汽管网压 力 波 动 较 为 频 繁，３８ＭＰａ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。
３ 汽轮机末级叶片断裂的原因分析
３１ 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
第 ３期 ２０２０年 ５月
中 氮 肥 ＭＳｉｚｅｄＮｉｔｒｏｇｅｎｏｕｓＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒＰｒｏｇｒｅｓｓ
Ｎｏ３ Ｍａｙ２０２０
合成气压缩机组汽轮机末级叶片 断裂原因分析及应对
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 ２×６００ｋｔ／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。
［收稿日期］２０１９０８１８ ［作者简介］郭 涛（１９８０—），男，河南洛阳人，工程师。
轴振动联锁值 ５０μｍ。
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 １５０μｍ （满量程），后经仪表技 术人员检查，确认仪表示数无误。
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
［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］ＴＫ２６３３ ［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 ２×６００ｋｔ／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 ３００ｋｔ／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。
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。 ３２ 中抽系统未投用致管线积液冲击叶片
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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。
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 ５ＥＨ７ＢＤ。 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 ８８ＭＰａ、 额定进汽温度 ５２０℃，额定进汽流量 ７７ｔ／ｈ、正常 进汽流量 ７２ｔ／ｈ，额定转速 １１８７０ｒ／ｍｉｎ、正常转 速 １１６５０ｒ／ｍｉｎ，正常功率 １０３６１ｋＷ；抽汽蒸 汽压力 ３８ＭＰａ、抽汽蒸汽温度 ４１２℃，抽汽量 ０～４０ｔ／ｈ；汽轮机轴振动报警值 ３１μｍ，汽轮机
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。
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 ０～４０ｔ／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 ４４ｔ／ｈ左右。汽轮机 中抽系统曾尝试投用，但因 ９８ＭＰａ蒸汽管网压 力 波 动 较 为 频 繁，３８ＭＰａ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。
３ 汽轮机末级叶片断裂的原因分析
３１ 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
第 ３期 ２０２０年 ５月
中 氮 肥 ＭＳｉｚｅｄＮｉｔｒｏｇｅｎｏｕｓＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒＰｒｏｇｒｅｓｓ
Ｎｏ３ Ｍａｙ２０２０
合成气压缩机组汽轮机末级叶片 断裂原因分析及应对
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 ２×６００ｋｔ／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。
［收稿日期］２０１９０８１８ ［作者简介］郭 涛（１９８０—），男，河南洛阳人，工程师。
轴振动联锁值 ５０μｍ。
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 １５０μｍ （满量程），后经仪表技 术人员检查，确认仪表示数无误。
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
［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］ＴＫ２６３３ ［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 ２×６００ｋｔ／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 ３００ｋｔ／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。
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。 ３２ 中抽系统未投用致管线积液冲击叶片