空分汽輪機碰摩案例分析

張世偉　徐東鎮　張保太

（1.中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內蒙古　鄂爾多斯　017300；2.GE本特利監測與控制，江蘇　南京　210005）

空分汽輪機碰摩案例分析

張世偉1徐東鎮2張保太1

（1.中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內蒙古鄂爾多斯017300；2.GE本特利監測與控制，江蘇南京210005）

基于GE本特利的System1狀態監測及故障診斷平臺，對空分汽輪機上的兩個典型的碰摩案例（嚴重摩擦、輕微碰摩）進行了對比介紹，為類似機組碰摩方面的狀態監測及故障診斷提供技術參考。

空分；汽輪機；碰摩

本文涉及的空分壓縮機組均由汽輪機進行拖動。汽輪機的類型屬于單缸抽凝式。汽輪機運行過程中的碰摩故障較為常見，主要是由于安裝、熱膨脹、管道、啟停機控制、負荷變化、抽汽、凝汽狀況等造成動靜間隙的異常變化，從而造成碰摩。因此關注汽輪機碰摩發生的機理、形式和故障診斷，對有效監控、指導機組的運行和檢修十分必要。以下結合兩個典型碰摩案例，對其機理、診斷分析進行論述。

一、碰摩的機理及故障特征

第一、軸中心平均位置（直流量）異常，如非轉動部件翹曲、管道應變、地基問題、溫升不均、殼體的變形、內部外部不對中等。

第二、軸心軌跡（交流量）偏大，如由于不平衡、轉子彎曲或流體激振引起過大的轉軸振動。

第三、內部間隙不足。

從本質上講，是轉子的軸中心平均位置（直流量）和軸心軌跡（交流量）疊加后超過了轉子和定子的可用間隙。不同的產生原因表現出不同的力的形式，力的性質不同，帶來的故障特征就會產生差異，在此不作進一步的闡述。碰摩發生時的故障特征主要由碰摩發生時的力的特性所決定，它們是沖擊力和摩擦力，如圖1所示。

沖擊力帶來對動靜部件的沖擊作用，可能會改變轉子運動軌跡及帶來敲擊效應，在某種轉速條件下激發分頻特征。摩擦力阻礙振動方向并產生熱效應，帶來不同程度熱彎曲，引發合成不平衡力的變化，從而帶來1倍轉頻（同步）響應的變化；同時動靜間隙的接觸時間，造成一定的削波和高次諧波特征；摩擦力的存在，帶來反向的受力特征，引起反進動分量的變化，足夠大的摩擦，可能會導致振動方向完全或局部反向，即出現反進動。同時碰摩程度不同，會產生不同的剛度效應。表1是兩個案例的特征總結。表1特征建立在理論和有限經驗總結之上，且隨著動靜接觸時間，探頭距離碰摩位置的遠近，特征會有所區別，此表僅供參考。本文提到的案例僅涉及到RPMo＜2xRPMr的嚴重摩擦和RPMo≥2xRPMr的輕微碰摩，對于RPMo≥2xRPMr的嚴重摩擦及RPMo＜2xRPMr的輕微碰摩未作說明。

圖1　碰摩受力示意圖

二、案例介紹

1.汽輪機嚴重摩擦

（1）機組信息

空分裝置空壓、增壓機組汽輪機兩端分別驅動空壓機和增壓機。汽輪機屬于單缸抽凝式，進汽側靠近增壓機，排汽側靠近空壓機。機組轉速5369r/min，汽輪機輸出功率30501kW。臨界轉速接近3800r/min，因此汽輪機運行轉速小于2x一階臨界轉速。

表1　本文案例碰摩故障特征

（2）案例背景

機組處在正常運行過程中，此前機組會間隔1到2天就啟停機一次。汽輪機軸振在10s中增加，靠空壓機其中一個測點振動增加達到跳機值，其他測點也存在同趨勢的變化，振動變化最大的主要是汽輪機靠近空壓機的測點。

（3）診斷分析

從圖2的軸振趨勢圖可知，軸振變化的主要頻率成分是1x同步響應，幅值和相位均發生變化，雖然變化時間不長，但并不是瞬間發生的（1～2s間），而是逐漸變化，這一點有別于轉子平衡狀態的突變，但符合碰摩的幅值和相位特征。振動增大后軸心軌跡（圖3）說明靠近進汽側垂直方向預載荷的存在，另外全頻瀑布圖中也呈現出反進動分量的增大，而排汽側1x正進動分量更顯著，這是嚴重摩擦的表現，且摩擦部位可能靠近排汽側。

摩擦問題基本確認后，就要分析探討誘發摩擦的可能原因。在振動增大之前，汽輪機兩側的軸振幅值很小，可以排除離心力過大造成的摩擦。接下來需要重點關注軸中心平均位置的特點。兩次的軸中心平均位置在啟機進入工作轉速后，汽輪機兩側的軸心位置均開始下降，并穩定在某個位置，這是缸體及軸承座熱膨脹的結果。但本次跳機的軸中心平均位置相對正常的圖形，汽輪機兩側的熱態穩定運行時的位置出現了明顯的偏差（相差120μm），且相對正常的那次，汽輪機進汽側軸心位置在啟機過程中抬升高度明顯較低（僅抬升到80μm，正常抬升到250μm），在低速狀態下，軸頸抬升較為困難，說明在進汽側附加了額外的預載荷，這與圖3的軸心軌跡也能對應起來。由此可見機組在幾次啟停機運行后，出現了熱態不對中的狀態，這可能與汽輪機的熱膨脹不均勻有關。

（4）現場反饋

機組停機后對汽輪機進行了揭缸檢查，發現靠近排汽側的低壓級靜葉與轉子嚴重摩擦（圖4）。測量發現汽輪機對中狀態偏差較大。

2.汽輪機輕微碰摩

（1）機組信息

空分裝置氮壓機組，汽輪機帶動齒輪箱，驅動氮壓機。汽輪機屬于單缸抽凝式，機組轉速8800r/min，汽輪機輸出功率111164kW。臨界轉速接近3800r/ min，因此汽輪機運行轉速高于2x一階臨界轉速。

（2）案例背景

機組處在正常運行過程中，汽輪機兩側測點均出現軸振波動現象，波動最高幅值接近報警值。

圖2　汽輪機兩側軸振變化趨勢（201A/B：進汽側；202A/B：排汽側）

圖3　振動增大前后汽輪機兩側軸心軌跡

（3）診斷分析

汽輪機軸振的振動趨勢見圖5，4個測點均出現波動現象，波動的主要頻率成分是同步響應1x。圖6的極坐標圖反映了同步響應矢量的變化特點，相位存在變化，但不是很大，表現為不平緩和不連續的圓圈。波動時，1x頻率成分的正反進動分量均出現變化，尤其是進汽側。以上描述，均反映出輕微碰摩的特征。綜上所述，由輕微碰摩的故障現象可以確定，問題可能是油擋結垢，摩擦后又重新積聚。

圖4　低壓級靜葉及轉子摩擦實拍

圖5　汽輪機軸振趨勢

圖6　汽輪機兩側1x極坐標圖

（4）現場反饋

現場持續運行一段時間后，狀態較為穩定，大修時發現進汽側前汽封處有高溫印記，油擋結垢碰摩（圖7）。

圖7　現場實拍汽輪機進汽側汽封及油擋部位

三、結語

第一、碰摩屬于某種問題的繼發故障，故障特征與機組的運行轉速、碰摩嚴重程度等密切關聯，要結合不同特征，做到有效準確判斷。

第二、注意把握故障變化特征，并結合歷史數據的變化，對問題的程度和原因作出判斷，可靠的在線監測系統至關重要。

第三、對嚴重摩擦及根本原因的分析判斷，可以防止二次啟機帶來的未知影響，并為檢修提供合理化建議。

對輕微碰摩的判斷，有助于把握設備問題的原因，有效地監控機組運行，為生產與檢修的合理安排提供參考。

TM311

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（2015-08-10）