某9F多聯(lián)供燃?xì)饽茉凑卷?xiàng)目配套汽輪機(jī)振動故障分析和治理

劉袁新

摘要：本文以某9F多聯(lián)供燃?xì)饽茉凑卷?xiàng)目為研究對象，從工程實(shí)際問題出發(fā)，分析汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的碰磨故障現(xiàn)象和影響因素，提出治理方法，為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的故障分析和治理提供方案。

關(guān)鍵詞：9FA聯(lián)合循環(huán)機(jī)組;汽輪機(jī);碰磨;振動分析;故障處理

1? 概述

隨著現(xiàn)代工業(yè)及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，為了提高燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，制造廠將設(shè)備軸徑向通流間隙等裝配數(shù)據(jù)設(shè)置得越來越小，精度越來越高，若檢修安裝人員稍有不慎，沒有有效控制通流間隙等高精度部件的裝配，就很容易導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生異常振動的現(xiàn)象。[1]

2? 汽輪機(jī)故障現(xiàn)象

某9F多聯(lián)供燃?xì)饽茉凑卷?xiàng)目在生產(chǎn)運(yùn)行過程中出現(xiàn)了汽輪機(jī)不同程度的振動問題，主要表現(xiàn)是啟停機(jī)過程高壓轉(zhuǎn)子振動嚴(yán)重超標(biāo)，帶負(fù)荷過程高壓轉(zhuǎn)子軸振還存在交叉波動，現(xiàn)象及特點(diǎn)如下：①機(jī)組空載和穩(wěn)定負(fù)荷工況下，軸振不超過86微米。②振動問題主要表現(xiàn)在高壓轉(zhuǎn)子兩端，有時也帶動中壓轉(zhuǎn)子振動爬升，多發(fā)生在升降轉(zhuǎn)速以及變負(fù)荷階段。③汽輪機(jī)自整套啟動開始，啟動及帶負(fù)荷運(yùn)行過程，軸振異常升高，且振幅和相位均呈現(xiàn)無規(guī)律不穩(wěn)定波動。④帶負(fù)荷過程中振動爬升至高點(diǎn)后，有時能自動回落，有時通過減負(fù)荷等手段干擾后可以回落。⑤振動變化存在著一定滯后性。⑥負(fù)荷穩(wěn)定時，1X軸振幅在80-160微米范圍內(nèi)波動。⑦停機(jī)過程中，過臨界轉(zhuǎn)速范圍時的軸振明顯高于升速過臨界的數(shù)值。⑧停機(jī)后，高壓轉(zhuǎn)子偏心異常升高，表現(xiàn)出典型的熱彎曲特征。⑨振動爬升時，振動相角跟隨變化。

2.1 升負(fù)荷過程振動特征

冷態(tài)啟動沖轉(zhuǎn)過程中，汽輪機(jī)在通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域時，1X軸振爬升至110μm左右。定速空載約10分鐘后軸振降至90μm，隨后再次上升。并網(wǎng)初期軸振略有下降，之后再次爬升，負(fù)荷升至約60MW后軸振快速上升，并在104MW左右達(dá)到峰值187μm左右，之后軸振逐漸下降。經(jīng)過較長時間定速暖機(jī)，振動穩(wěn)定在90μm左右。如圖1所示。

2.2 穩(wěn)定負(fù)荷階段振動特征

汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行一段時間后，投入AGC運(yùn)行，負(fù)荷調(diào)整情況下#1、#2瓦振動存在失穩(wěn)異常波動現(xiàn)象。如圖2所示。

2.3 停機(jī)過程振動特征

汽輪機(jī)打閘停機(jī)過程中，惰走至高壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域時軸振明顯大于啟動過程振幅，且振動情況一直持續(xù)到轉(zhuǎn)速惰走至零。如圖3所示。

盤車投入初期，高壓轉(zhuǎn)子存在熱彎曲跡象，高壓轉(zhuǎn)子晃度最高達(dá)80μm以上，高壓缸內(nèi)能聽到金屬摩擦聲。投入連續(xù)盤車后，隨著時間的推移，轉(zhuǎn)子晃度逐漸減小直至恢復(fù)正常值。

3? 振動故障識別

分析振動頻譜圖，可發(fā)現(xiàn)該9F多聯(lián)供燃?xì)饽茉凑卷?xiàng)目汽輪機(jī)#1軸承長期處于碰磨的臨界狀態(tài)，隨著機(jī)組負(fù)荷的變換、啟動過程中脹差的變化，使得#1軸承出現(xiàn)碰磨現(xiàn)象，導(dǎo)致#1軸承處的軸振每一段時間（無規(guī)律）出現(xiàn)波動。分析過程如下：

升速過程，振幅高于正常水平;穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速時，蒸汽溫度、壓力等參數(shù)不變，但是振幅仍會出現(xiàn)波動，如圖4所示。

額定轉(zhuǎn)速下，振幅是一條平滑連續(xù)的曲線;當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時，振幅有可能會出現(xiàn)波動，而且波動滯后于工況的變化，但沒有明顯的固定周期;振動波動后，振幅一般都能恢復(fù)到正常水平，但每次都需經(jīng)歷較長時間，而且經(jīng)過一段時間后又會再次發(fā)生[2]，如圖5所示。

停機(jī)過程中，惰走至高壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域時振幅明顯較啟動時大，如圖6所示。

振動波動前，高壓缸前軸承（#1軸承）軸心軌跡高度扁平，顯示X方向存在較大的徑向載荷;振動波動時，軸心軌跡圖的橢圓率（Y/X）變小，顯示X方向的約束由于振動的波動而減小，如圖7所示。

振動幅值波峰位置（穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)期間），平均軸心位置發(fā)生了突變;振動幅值波峰過后（穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)期間），平均軸心位置發(fā)生了顯著偏移，說明動靜碰磨已經(jīng)脫開，如圖8所示。

振動波動前，次同步振動為正向進(jìn)動分量;振動波動時，顯示出明顯的反向移動分量，說明存在作用方向與旋轉(zhuǎn)方向相反的切向摩擦力，如圖9所示。

振動波動時，頻譜成分主要表現(xiàn)為一倍頻（基頻），其他倍頻較少，符合摩擦振動的特性，如圖10所示。

對比啟停機(jī)波特圖，停機(jī)過程的振動比啟動過程大得多，而且相位變化明顯，反映出轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了改變，如圖11所示。

投入盤車初期，高壓轉(zhuǎn)子存在熱彎曲跡象，高壓轉(zhuǎn)子#1軸承測點(diǎn)位置晃度升高，且高壓缸內(nèi)能聽到金屬摩擦聲;連續(xù)盤車過后，隨著時間的推移，轉(zhuǎn)子晃度逐漸減小直至恢復(fù)正常值（約30μm），如圖12所示。

通過對振動發(fā)生時的特征、數(shù)據(jù)及圖譜分析，可以確定振動異常是由動靜碰磨引起的。轉(zhuǎn)子與汽封相碰時，有切向力存在。切向力推動轉(zhuǎn)子繞O點(diǎn)作反向渦動，如圖13所示。

4? 振動故障確認(rèn)

一般情況下，汽輪機(jī)組動靜碰磨多發(fā)生在汽封等位置，且多數(shù)是徑向碰磨。一般徑向碰磨，會使汽封片或油擋磨損，形成合理配合間隙，待轉(zhuǎn)子冷卻、彎曲恢復(fù)后，再次開機(jī)沖轉(zhuǎn)，消除碰磨故障。[3]但該機(jī)組多次啟動后仍然存在振動異常現(xiàn)象，需解體后進(jìn)一步分析，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)高中壓缸下缸軸封部位汽封圈存在不同程度的卷邊痕跡;高中壓轉(zhuǎn)子軸封位置存在不同程度的碰磨痕跡;前軸承箱擋油環(huán)和中軸承箱前后擋油環(huán)均存在較為嚴(yán)重的積碳現(xiàn)象;原本用于對高壓內(nèi)缸進(jìn)行軸向及垂直定位的L鍵的掛耳與對應(yīng)的外上缸部位壓縮變形。

5? 振動因素分析

結(jié)合該機(jī)組啟停、運(yùn)行、檢修的情況分析，除了間隙設(shè)置和調(diào)整不合理，機(jī)組還可能存在其他不同因素造成碰磨，需要進(jìn)一步對汽輪機(jī)及管道系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、運(yùn)行進(jìn)行全面的檢查，提出各種可能影響機(jī)組振動的因素，逐項(xiàng)排查，治理消除。經(jīng)分析，提出以下主要可能存在的問題：①高壓內(nèi)缸豎直方向定位;②貓爪熱膨脹;③前箱膨脹不暢;④高壓進(jìn)汽與排汽管道推力;⑤高排通風(fēng)閥運(yùn)行方式;⑥橢圓瓦動特性差。

6? 振動異常治理

根據(jù)以上分析，專業(yè)技術(shù)人員提出多種解決方案，經(jīng)綜合考慮安全、費(fèi)用、工期等多方面因素，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，決定開展以下幾個主要工作。[4]對機(jī)組問題進(jìn)行治理：

①高壓缸L鍵優(yōu)化。更改L型調(diào)整墊片形式，以限制高壓內(nèi)缸在機(jī)組運(yùn)行過程中上浮，有效避免高壓缸動靜部件發(fā)生徑向碰磨。②通流間隙重新調(diào)整。綜合考慮缸體部件熱膨脹量，結(jié)合汽封磨損實(shí)際情況，調(diào)整高中壓缸通流間隙至合適范圍。③優(yōu)化機(jī)組啟動方式，取消高排通風(fēng)系統(tǒng)及其閥前疏水，改用高、中壓缸聯(lián)合啟動的方式。④車削#1軸承烏金面寬度，減小長徑比，以提高軸瓦穩(wěn)定性。⑤為高壓缸貓爪增加冷卻水管，校核本體管道支吊架調(diào)整情況等，排除了其他可能影響因素。

除此之外，現(xiàn)場還分析了其它相關(guān)可能因素，如運(yùn)行中各軸承潤滑油溫度的對比和調(diào)整，汽缸兩側(cè)膨脹偏差等隱患，提高了機(jī)組的安全性;增設(shè)貓爪墊片冷卻水，以減小貓爪溫度，降低墊塊膨脹對缸體中心的影響;全面檢查調(diào)整管道支吊架，為高排管道增加橫向力限位支架，減小管道橫向膨脹對缸體中心的影響。

7? 振動治理效果

機(jī)組在做完以上檢修及調(diào)整后，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，振動合格，如表1所示。

8? 研究展望

目前，國內(nèi)在發(fā)電設(shè)備故障診斷方面還存在一定的不足，特別是在如何利用人工智能開展大數(shù)據(jù)分析和專家遠(yuǎn)程診斷，為發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供指導(dǎo)，以及科學(xué)合理進(jìn)行檢修決策方面還存在短板，需要我們繼續(xù)在這些方面進(jìn)行努力。

實(shí)際應(yīng)用過程中，我們要依靠信息融合技術(shù)，將振動分析和其他故障特征提取技術(shù)相結(jié)合，加強(qiáng)對振動的監(jiān)視和數(shù)據(jù)積累分析，對振動故障機(jī)理及診斷方法做更為全面、深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊國安.機(jī)械設(shè)備故障診斷實(shí)用技術(shù)[M].中國電力出版社， 2014.

[2]Bently Nevada， Machinery Diagnostics Technical Training Book.

[3]劉峻華，黃樹紅.汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)的發(fā)展與展望[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2000，42（1）：1-6.

[4]寇勝利.汽輪發(fā)電機(jī)組的振動及現(xiàn)場平衡[M].中國電力出版社，2007.