高低溫膨脹機是氧氮液化裝置的核心裝備。長期運行后，低溫膨脹機因運行環境導致其本身 機械性能改變，按照常規開機操作設備導致轉子失穩高振動跳機的異常情況。通過數據分析，技術人員總 結歸納出現操作手冊之外的“過臨界轉速”區間，后續采取了一些方法與措施，確保了該裝置得以安全平 穩運行。
【關鍵詞】高低溫膨脹機；臨界轉速；止推溫度；噴嘴；轉子
某公司從 2005 年開始使用法國科萊斯達低溫 設備（杭州）有限公司（以下簡稱“CRYOSTAR”） 制造的增壓透平膨脹機，型號 2TC120/32-AS，隨著 公司規模的不斷發展，該機型陸續增加至 2 臺套， 在中國市場 CRYOSTAR 同類型設備運營也有多 套。
2TC120/32-AS 機型結構布局緊湊，效率高，噪 音低。作為氣態氧氮液化裝置的關鍵核心設備，我 們在確保膨脹機長周期安全穩定經濟運行與設備 維護保養方面，取得了一些經驗，分享討論如下。
1、2TC120/32-AS 型膨脹機組簡介
該套 2TC120/32-AS 型膨脹機包括進出口過濾 器、高溫增壓膨脹機本體、低溫增壓膨脹機本體、 快速切斷系統、冷卻器系統、潤滑油站、儀控系統、 防喘振系統等七大部分組成。
1.1 2TC120/32-AS 型膨脹機高溫段技術參數
1) 一體化機殼；
2）單機為單軸形式，一端驅動膨脹端，另一端制 動增壓端；
3）級間共一臺臥式中間冷卻器分別安裝在高溫膨 脹機增壓端出口；
4）高溫膨脹機
增壓端：
入口壓力為 2.697MPa（A）；出口壓力為 4.147MPa （A）；流量為 34000Nm3/h；效率為 81.0%；轉速 37400rpm；
膨脹端：
入口壓力為 2.685MPa（A）；出口壓力為 0.569MPa （A）；流量為 22500Nm3/h；效率為 88.5%；轉速 37400rpm；
1.2 2TC120/32-AS 型膨脹機低溫段技術參數
1) 一體化機殼；
2）單機為單軸形式，一端驅動膨脹端，另一端制 動增壓端；
3）級間共一臺臥式中間冷卻器分別安裝在低溫膨 脹機增壓端出口；
4）低溫膨脹機
增壓端：
入口壓力為 4.105MPa（A）；出口壓力為 5.591MPa （A）；流量為 33900Nm3/h；效率為 81.0%；轉速 31400rpm；
膨脹端：
入口壓力為 5.530MPa（A）；出口壓力為 0.578MPa （A）；流量為 23500Nm3/h；效率為 86.5%；轉速 31400rpm
1.3 2TC120/32-AS 型膨脹機主要流程（圖 1）
1.4 2TC120/32-AS 型膨脹機主機主要結構（圖 2）
圖 2 2TC120/32-AS 型膨脹機截面圖
1）膨脹端；
2）增壓端
3）主機殼
2、某次開機異常情況和改進措施
在近 15 年運行 2TC120/32-AS 型膨脹機的過程 中，從未發生較大以上影響生產的設備事故，該機 型總體運行情況良好。在 2017 年 4 月 30 日我們遇 到了一起開機異常情況，我們通過大數據分析，對 該設備開機操作模式進行了調整，確保了順利開 機，具體情況及處理辦法如下：
2.1 2017 年 4 月 30 日開機異常過程描述
1）第一次振動高自停：
2017 年 4 月 30 日 7:55 二 號 液 化 裝 置 2TC120/32-AS 型膨脹機組因高溫機增壓端軸振高 連鎖自停,自停前高溫膨脹機進口溫度-19.2℃，出口 溫度-103.8℃，各項機械性能指標正常。經人員檢 查軸振動檢測線路及檢測元件正常，為了避免設備 本身機械故障，盲目二次開機造成事故擴大化，維 修人員將高溫膨脹機增壓端入口短管拆除，對設備進行盤車并對葉輪外觀進行檢查，各項機械檢查均 正常。因沒有發現明顯故障點，經討論決定再次開 機。
2）第二次振動高自停：
當日 21:30 第二啟動液化膨脹機，操作人員按 正常操作對膨脹機進行加負荷升速，當高溫膨脹機 轉速突破臨界轉速，達到約 32000rpm 時高溫膨脹 機膨脹端軸振動值在一分鐘之內達到高連鎖停機 值，異常停機。
3）第三次振動高自停：
考慮到開機升速期間各項機械性能指標正常， 僅安排儀控人員對高溫膨脹機兩個振動前置放大 器進行備件更換，處理后于當日 23:38 第二次啟動 膨脹機，當高溫膨脹機轉速達到 28000rpm 時再次 發生振動高連鎖自停事件。
4）優化操作后第三次開機正常
根據 4 月 30 日整改開停機事件分析，并結合 各項機械數據指標（振動、軸溫、油壓、油溫、負 載等），該公司設備專家初步判斷，該高溫膨脹機 轉子因 2017 年年初大修更換主軸后，雖然進行過 動平衡調教，但運行數月后動態平衡發生了變化， 導致該機加載升速在一定轉速區間時轉子失穩。分 析大數據后設備專家考慮到當日前面幾次開機時 各項機械指標正常，排除軸承問題，認為目前高溫 膨脹機新出現了臨界轉速區，通過優化操作能夠解 決該問題。經與工藝人員磋商優化操作程序后，于 2017 年 5 月 1 日 1:40 第三次啟動該膨脹機組，過 新出現的臨界轉速時在一分鐘內提升轉速超過 32000rpm 后，順利越過振動異常區，后續轉為正常 操作，整體液化裝置 2:00 液氮液氧合格進罐。
2.2 開機過程高振動異常區域原因分析
結合 2017 年 4 月 30 日開機過程趨勢圖（圖 3）， 并復盤當天運行狀態，我們就造成此次振動異常轉 子失穩的原因進行了如下總結：
圖 3 2017 年 4 月 30 日幾次開機過程趨勢圖
1）第一次振動高自停的原因是：當時操作人員現 場點檢，正在用手機接打電話，信號受到干擾。我 們通過后續停機進行模擬測試，印證了此原因。
2）后面振動高自停的原因是：2017 年 2 月該液化
裝置進行大修時發現高溫膨脹機轉子葉輪磨損嚴 重（見圖 4），考慮無葉輪備件僅更換新主軸，進行 動平衡調教，大修開機后其振動值一直處于 20μm 左右高位。由此可見其機械性能受葉輪系統的影響 確實大打折扣，機械性能受系統影響較大、較敏感。連續運行數月后，其臨界轉速發生偏移。轉子在慢 速通過該區時失穩。
圖 4 高溫膨脹機增壓端磨損的葉輪照片
3）考慮設備在停機前能夠到達滿負荷工作狀態， 同時，在 4 月 30 日當天幾次開機過程中，各項機 械運行指標未見異常，證明機械設備本身沒有致命 的問題，具備優化操作后開機基本條件。
4）4 月 30 日 7:55 分的停機從數據來看疑似喘振， 喘振原因疑似為入口過濾器因氣液夾帶堵塞，但從 拆卸短管檢查來看并未有發現相關證據。2.3 工藝操作優化調整要點
經過 2017 年 5 月 1 日凌晨成功加載升速開機， 我們總結了幾點，關于高低溫膨脹機在轉子失穩， 出現新的臨界轉速區的情況下，優化操作的關鍵 點，具體如下：
1）前序工藝中循環氮壓機出口壓力（正常運行 2.6MPa（G））在膨脹機升速中≥2.2MPa（G），確 保膨脹機得到持續的氣源保證。
2）高低溫膨脹機在啟機前如果是冷態開車，必須 在開機前對膨脹機加溫 20 分鐘左右，以確保高溫 膨脹機入口溫度-30℃以上，低溫膨脹機入口溫度 -115℃以上，以降低膨脹機加載時的負載。
3）高低溫膨脹機油壓維持 9.5~10bar。
4）確保密封氣與輪背差壓約 5bar，以確保背壓。
5）高溫膨脹機轉速在突破 22700rpm~27800rpm 第 二臨界轉速區后保持在 28500rpm 約 2 分鐘。將低 溫膨脹機導葉開度緩慢開至 30%同時關注低溫膨 脹機止推軸承溫度控制 80℃以內，高溫膨脹機振動控制在8~11μm。以確保后續突破新臨界轉速區前， 各項運行指標穩定。
6）高溫膨脹機在突破新轉速區時，必須在 2 分鐘 之內快速開大導葉至 48%，以確保高溫膨脹機快速 通過這個新增的臨界轉速區 — — 29000rpm~31000rpm,當快速通過該區后，穩定高溫 膨脹機轉速至 32500rpm，低溫膨脹機導葉緩慢開大 至 75%同時關小回流閥。
7）當液氮液氧產品進儲槽后，穩定 87%左右液化 負荷約 24 小時后再調整高溫膨脹機導葉至 55%， 期間循環氮壓機出口壓力逐步增至 25bar。上述過新臨界轉速區的優化措施一直到新的 轉子更換后才結束執行。
3、經驗總結
通過對 2017 年 4 月 30 日高低溫膨脹機異常停 機事件原因分析與總結，使得我們對 CRYOSTAR 品牌的 2TC120/32-AS 型膨脹機有了更深刻的了解 與認識。為了確保機組長周期安全穩定運行，出現 類似故障后能及時恢復生產，我們將多年以來對該 型膨脹機的運行維護經驗總結如下：
3.1 定期狀態監測與分析
從 2005 年開始至今，我們堅持對關鍵旋轉設 備進行頻譜、潤滑油品質以及趨近溫差等系統性監 測。一方面我們對設備能夠實時監控，另一方面， 我們保留了設備的監測大數據，為后續各項數據分 析提供了有效幫助。3.2 振動異常停機時處理思路
旋轉設備出現高振動異常停機后，我們必須明 確一點，不能盲目重新開機，必須進行機電儀的相 關檢查后才能重新開機，這樣可以避免事故擴大 化。該廠同一款機型在 2007 年 12 月的一次高振動 停機后，各專業并未對膨脹機進行檢查，懷有僥幸 心理盲目開機，當時因為后冷卻器泄漏，冷卻水進 入蝸殼，開機后導致軸承及轉子損壞，影響生產長 達近 20 天。
3.3 大數據分析在故障分析中的作用
設備運行時的各項數據作為設備基礎信息保 存后，為后續故障分析提供了第一手資料。能夠給 工程師判斷問題提供強有力保證。有些振動高的問 題確實不一定是機械設備本身的原因，和工藝數據 變化息息相關。
3.4 高低溫膨脹機定期維保
膨脹機在工業氣體行業作為關鍵設備，很多同 行覺得膨脹機可靠性高，沒有什么可以檢修的內 容，但是，數次血淋淋的教訓告訴我們，堅持定期維護，能夠及時發現潛在隱患，避免非計劃停機， 杜絕重大設備事故。對于膨脹機的檢修維護我總結 了如下經驗：
1） 安裝過程中管道清潔決定著膨脹機的正常使用 年限。
2） 增壓端入口法蘭與外部管道法蘭無應力檢查不 僅僅在安裝調試時需要，在年度性維護時同樣 需要進行。
3） 主油泵聯軸器檢查。
4） 高低溫膨脹機解體大修機會難得，建議對影響 密封效果的密封部件一次性整體更換，以避免 重復檢修的發生。
5） 開機前對膨脹端、增壓端底部排污口檢查的必 要性，以排除漏油或進水的可能。
6） 膨脹機現場就地柜單獨接地與屏蔽網的設置， 避免電話或對講機信號干擾。
4 結束語
作為液化裝置的核心，2TC120/32-AS 型膨脹機 的長期、安全、穩定連續運行對于液化裝置的生產 至關重要。在長期的實踐中，我們對其膨脹機或同 類似機型的運行與維護進行了眾多有益探索，部分 經驗具有推廣價值。特此撰文，供大家一起探討。
作者簡介：李享（1981—），男，2012 年畢業于中 南大學機械與電子工程專業，中級工程師，工程碩 士研究生，現從事空分設備與工程相關的管理工 作。
作者：李享
聯系電話：13975276614
單位：湖南中益邦達能源科技有限公司
郵編：411101
地址：湖南省長沙市瀏陽經開區百竹路 17 號
參考文獻：
[1] 現代空分設備技術與操作原理[M]. 杭州出版 社 , 毛紹融,朱朔元,周智勇主編, 2005
[2] 流體的熱物理性質[M]. 中國石化出版社 , 童 景山編著, 1996
[3] 機械設備故障診斷實用技術[M]. 中國石化出 版社 , 楊國安, 2007
[4] 設備故障診斷[M]. 化學工業出版社 , 沈慶根, 鄭水英主編, 2006
[5] 設備故障診斷原理、技術及應用[M]. 科學出 版社 , 黃文虎等編著, 1996
