降低汽輪機(jī)軸承振動異常的技術(shù)研究及應(yīng)用

董靖宇

（神華準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司，鄂爾多斯 017000）

汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠的重要設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且運(yùn)行環(huán)境惡劣。汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組故障率高，特別是軸承異常振動若發(fā)現(xiàn)和處理不及時(shí)，極易損壞汽輪機(jī)軸瓦，加劇轉(zhuǎn)子彎曲而引發(fā)大軸斷裂事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。為了全面加強(qiáng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的可靠性，降低故障發(fā)生率，全面分析和研究汽輪機(jī)軸承異常振動原因，同時(shí)提出了科學(xué)有效的處理措施。

1 汽輪機(jī)組軸承工作概述

在基礎(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)，滑動軸承至關(guān)重要，其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)對旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作性能具有較大影響。旋轉(zhuǎn)機(jī)械工作期間，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)多由軸瓦和軸頸表面油膜支撐。工作過程中，軸瓦發(fā)生問題極易導(dǎo)致油膜失衡。軸承溫度較高時(shí)，也會導(dǎo)致振動異常問題。如果不及時(shí)處理上述因素，軸承溫度將不斷升高，不僅會損傷軸承，還會增加安全事故發(fā)生率[1-3]。

2 汽輪機(jī)軸承振動不穩(wěn)定因素分析

2.1 氣流激振導(dǎo)致振幅過大

火電廠汽輪機(jī)運(yùn)行期間極易發(fā)生汽輪激振問題。引發(fā)此種現(xiàn)象的原因，主要包括兩個(gè)方面。一方面，汽輪機(jī)利用葉輪和渦輪葉片，可以將蒸汽的能量轉(zhuǎn)化為動能。蒸汽會連續(xù)撞擊葉片，以實(shí)現(xiàn)操作。然而，汽輪機(jī)葉輪面積大且葉片長度長，蒸汽流到達(dá)汽輪機(jī)末端時(shí)極易引發(fā)故障問題[4]。另一方面，葉輪葉片具備收縮性和膨脹性特點(diǎn)，在連續(xù)振動時(shí)會改變?nèi)~片性質(zhì)，影響渦輪工作，如加振和減振等。判斷此種現(xiàn)象時(shí)，必須借助氣流振動頻率的穩(wěn)定性。若頻率增加，表明氣流存在嚴(yán)重加振情況。渦輪機(jī)若處于低頻狀態(tài)，則會增加氣流差異和運(yùn)行參數(shù)差異。

2.2 轉(zhuǎn)子熱變形導(dǎo)致機(jī)組異常振動

轉(zhuǎn)子屬于機(jī)器重要組成部件，對機(jī)器運(yùn)行影響比較大，圖1為轉(zhuǎn)子內(nèi)結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)機(jī)器安裝容量擴(kuò)大、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱變形現(xiàn)象時(shí)，將會導(dǎo)致機(jī)器異常振動。一方面，基于轉(zhuǎn)子熱變形機(jī)振動特性分析發(fā)現(xiàn)，振動振幅與轉(zhuǎn)子工作時(shí)間有關(guān)。如果轉(zhuǎn)子運(yùn)行時(shí)間較長，會散發(fā)大量熱量，使溫度急劇上升。機(jī)器過載會嚴(yán)重影響渦輪機(jī)冷卻系統(tǒng)，并改變轉(zhuǎn)子自身金屬性能。當(dāng)機(jī)器以給定速度運(yùn)行時(shí)，大部分渦輪轉(zhuǎn)子會發(fā)生熱變形。另一方面，轉(zhuǎn)子持續(xù)發(fā)熱后會出現(xiàn)變形[5-7]。“凹痕”機(jī)器會卡在工作通道內(nèi)，從而引發(fā)異常振動。根據(jù)材料和散發(fā)熱量的不同，內(nèi)應(yīng)力會出現(xiàn)明顯變化。轉(zhuǎn)子受熱時(shí)不僅會逐漸增加多重振動，而且會因熱擴(kuò)散頻率導(dǎo)致材料相變，加劇轉(zhuǎn)子的異常振動情況。

2.3 摩擦振動導(dǎo)致振動加劇

因摩擦導(dǎo)致的振動增加主要包括以下幾個(gè)方面。第一，當(dāng)受到轉(zhuǎn)子影響時(shí)，機(jī)器做出關(guān)聯(lián)動作時(shí)，內(nèi)部溫度會持續(xù)升高。機(jī)器內(nèi)部和外部的氣壓差對振動信號變化的影響較大。在持續(xù)變化中，線性沖擊會影響主頻率，從而出現(xiàn)不平衡力使得振動加劇。第二，當(dāng)轉(zhuǎn)子與軸承摩擦?xí)r，極易出現(xiàn)波形分化[8]。當(dāng)分化數(shù)較大時(shí)，將會增加振動頻率。第三，在連續(xù)運(yùn)行中，渦輪機(jī)會突然停止，此時(shí)會改變相位，加劇軸承臨界值，使原溫度升高。當(dāng)溫度持續(xù)升高時(shí)，將會引發(fā)渦輪摩擦振動。

圖1 轉(zhuǎn)子內(nèi)結(jié)構(gòu)圖

2.4 軸封供汽壓力影響

在蒸汽輪機(jī)中，軸封屬于重要組件。軸封材料和形狀不符合要求，將會引發(fā)軸承振動。對于材料結(jié)構(gòu)來說，需要借助高壓標(biāo)簽完成材料安裝。蒸汽輪機(jī)運(yùn)行期間無法避免機(jī)器溫度升高。高壓條件下，軸封為零部件，外部結(jié)構(gòu)脆弱，因此會產(chǎn)生軟化問題。在高溫蒸汽加熱影響下，軸封極易出現(xiàn)熱變形，致使高壓端與低壓端蒸汽泄漏。此外，當(dāng)軸承處于壓力不均運(yùn)行環(huán)境時(shí)，也會產(chǎn)生內(nèi)部振動問題。

2.5 潤滑油溫度高

由于蒸汽與空氣氣流混合，蒸汽冷卻后會凝結(jié)為水流。由于水流在油內(nèi)不會蒸發(fā)，此時(shí)就會出現(xiàn)潤滑油帶水現(xiàn)象，導(dǎo)致潤滑油質(zhì)量和運(yùn)行效率降低。潤滑油溫度高，多是由于冷油器冷卻效果不佳所致[9]。機(jī)組轉(zhuǎn)動中，軸承潤滑油溫度持續(xù)升高時(shí)若受到冷卻器故障影響，將會導(dǎo)致潤滑油泄漏。冷油器材料、操作水平以及安裝方法均會影響潤滑油冷卻效果。若沒有及時(shí)處理上述問題，將會導(dǎo)致潤滑油變質(zhì)和軸承損壞，進(jìn)一步加大單元軸承振動率。

2.6 運(yùn)行人員不良操作習(xí)慣與誤操作

在操作期間，技術(shù)人員自身習(xí)慣和失誤操作等行為也會引發(fā)軸承振動異常問題。在運(yùn)行過程中，技術(shù)人員未按照標(biāo)準(zhǔn)流程步驟開展操作，當(dāng)機(jī)組停止運(yùn)行和潤滑油供油中斷時(shí)，會使軸承丟失支撐點(diǎn)，加劇渦輪部分摩擦，從而出現(xiàn)摩擦震蕩現(xiàn)象。如果未及時(shí)處理摩擦問題，將會導(dǎo)致機(jī)組損毀，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

3 汽輪機(jī)軸承振動處理技術(shù)與方式分析

3.1 全面檢查和排除氣流激振現(xiàn)象

在操作實(shí)踐中，技術(shù)人員必須高度關(guān)注氣流加振問題：第一，操作過程中，定期檢查機(jī)組結(jié)構(gòu)與性能，如渦輪裝置，應(yīng)當(dāng)詳細(xì)記錄渦輪氣流振動信息。第二，檢查員以年、月為基準(zhǔn)，對比分析不同時(shí)期的振動數(shù)據(jù)，如振動周期和振動持續(xù)時(shí)間等，同時(shí)記錄機(jī)械軸承振動最大值和最小值，描繪振動曲線圖，計(jì)算具體的振動數(shù)值。在分析振動曲線時(shí)，需要依照曲線運(yùn)動變化趨勢，掌握渦輪負(fù)荷臨界點(diǎn)速度狀態(tài)，同時(shí)采取有效措施予以處理[10]。

3.2 控制轉(zhuǎn)子溫度

第一，技術(shù)人員注重轉(zhuǎn)子檢查、調(diào)整與配置工作。在優(yōu)化配置中，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)重心，控制轉(zhuǎn)子溫度，降低軸承頻率，以控制振動頻率。第二，員工應(yīng)當(dāng)定期監(jiān)測轉(zhuǎn)子溫度和偏心度，同時(shí)延長機(jī)器檢查時(shí)間，確保偏心轉(zhuǎn)子軸調(diào)整為直軸，避免出現(xiàn)彎曲狀態(tài)，同時(shí)治理轉(zhuǎn)子熱彎曲問題。第三，注重停機(jī)管理，確保轉(zhuǎn)子均勻受熱，避免轉(zhuǎn)子受熱彎曲所致超高振動現(xiàn)象。

3.3 掌握摩擦振動原理，降低摩擦振動

員工應(yīng)當(dāng)分析摩擦基本原理，以此消除摩擦振動影響。按照相關(guān)研究顯示，振動摩擦問題多出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子熱性能彎曲狀態(tài)下，導(dǎo)致渦輪機(jī)組振動不規(guī)則。轉(zhuǎn)子的受力面積不同，產(chǎn)生的摩擦力大小也不同。摩擦力較大會增加轉(zhuǎn)子運(yùn)行溫度，致使斷面振動劇烈。如果振動持續(xù)加強(qiáng)，由于受到摩擦過熱影響，轉(zhuǎn)子熱性能會不斷增加，從而呈現(xiàn)出彎曲狀態(tài)。因此，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)依照摩擦原理排查振動成因，詳細(xì)記錄振動頻率，將其作為轉(zhuǎn)子運(yùn)行質(zhì)量的檢驗(yàn)依據(jù)。需合理調(diào)節(jié)和控制機(jī)器運(yùn)行的溫度頻率，調(diào)節(jié)軸承運(yùn)行位置，以消除振動隱患。此外，需統(tǒng)計(jì)分析渦輪負(fù)載、運(yùn)行時(shí)間以及轉(zhuǎn)速，優(yōu)化調(diào)整截面位置平衡性與均勻性，降低摩擦熱性能，消除高溫運(yùn)行的威脅性。同時(shí)，需注重維護(hù)轉(zhuǎn)子熱性能，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)子彎曲現(xiàn)象。

3.4 密切監(jiān)測振動，優(yōu)化軸系監(jiān)控保護(hù)裝置

系統(tǒng)運(yùn)行中，振動監(jiān)測屬于重要內(nèi)容，必須合理選擇機(jī)械軸承材料。第一，統(tǒng)一滾動式材料，能夠持續(xù)監(jiān)測軸承系統(tǒng)。第二，操作過程中，操作人員必須按照標(biāo)準(zhǔn)要求優(yōu)化和調(diào)整軸承裝置，同時(shí)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化操作步驟，確保軸承系統(tǒng)運(yùn)行效益。第三，通過軸向監(jiān)測保護(hù)裝置能夠檢測軸承運(yùn)行狀態(tài)。檢測因子包括汽輪機(jī)運(yùn)行速度、摩擦大小以及運(yùn)行時(shí)間等。一般情況下，振動監(jiān)測系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間段內(nèi)可以顯示不同軸封位置的系統(tǒng)壓力，同時(shí)分析溫度與氣壓力關(guān)系。當(dāng)處于高壓、高溫條件時(shí)，系統(tǒng)可以自動報(bào)警，為工作人員提供警報(bào)信息，使人員能夠盡早優(yōu)化監(jiān)控設(shè)備，爭取故障排查和處理的時(shí)間。

3.5 完善軸承自動裝置，密切監(jiān)視和調(diào)整軸封

改進(jìn)軸封自動裝置時(shí)，應(yīng)以套筒間隙為基準(zhǔn)調(diào)整軸封間隙，采用反復(fù)試驗(yàn)方式確保輪封距離調(diào)整到位，同時(shí)利用壓差法調(diào)整軸封裝置壓力差。應(yīng)用高效過濾設(shè)備能夠避免水軸蓋水分流出，同時(shí)可以消除蒸汽、冷凝水，使軸蓋處于正常壓力狀態(tài)，維護(hù)蒸汽質(zhì)量。通過應(yīng)用自動化裝置能夠保障機(jī)器軸封管理效果。軸承運(yùn)行狀態(tài)下，完善自動化裝置有助于加大軸封功率，防止發(fā)生滾動壓力導(dǎo)致機(jī)械振動不穩(wěn)定的問題。

3.6 加強(qiáng)潤滑油系統(tǒng)保護(hù)，做好油質(zhì)監(jiān)督

需優(yōu)化改進(jìn)潤滑油系統(tǒng)鏈條保護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)監(jiān)控潤滑油帶水現(xiàn)象。圖2為汽機(jī)油系統(tǒng)框架圖。第一，按照油冷卻器的標(biāo)準(zhǔn)要求，確保操作規(guī)范性。油冷卻器壓力必須低于冷水壓力，且通過機(jī)油壓力維護(hù)冷卻器。設(shè)備裝置維護(hù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注重定期化監(jiān)測，確保油冷卻器檢修與養(yǎng)護(hù)的科學(xué)化，防止?jié)櫥托孤Ｗ⒅貦z查潤滑油質(zhì)量，以免積累大量油污雜質(zhì)影響潤滑油系統(tǒng)運(yùn)行效果。第二，在監(jiān)測潤滑油壓力時(shí)，可以建立聯(lián)鎖保護(hù)裝置，以確保潤滑油供給系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖2 汽機(jī)油系統(tǒng)框架圖

3.7 凝汽器達(dá)到最佳真空狀態(tài)

為了確保汽輪機(jī)正常運(yùn)行，使凝汽器處于真空狀態(tài)，必須注意以下幾個(gè)方面。第一，工作人員應(yīng)當(dāng)科學(xué)看待凝汽器裝置，在全方位封閉條件下加大檢查與管護(hù)力度，以免出現(xiàn)泄漏問題影響凝汽器真空效果。第二，工作人員應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)檢查水泵，合理控制水溫，將水泵水溫控制在26 ℃以內(nèi)。通過檢查與排查及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并及時(shí)采取措施予以處理，維護(hù)水泵運(yùn)行正常化。第三，保證循環(huán)水達(dá)標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)測循環(huán)水工作狀態(tài)，去除水體雜質(zhì)，提升循環(huán)水系統(tǒng)運(yùn)行率與質(zhì)量。第四，合理控制水位，既可以提升汽輪機(jī)工作效率，又可以減少煤炭資源浪費(fèi)。

3.8 提高操作人員的技術(shù)水平

在火電廠運(yùn)行管理中，必須全面提升操作人員的技能水平，確保其遵循標(biāo)準(zhǔn)要求開展檢查與操作工作。要加強(qiáng)操作人員的事故處理能力，全面縮小事故處理范圍。按照實(shí)際情況，操作人員應(yīng)制定詳細(xì)的應(yīng)急處理計(jì)劃，以免出現(xiàn)故障遺留問題，維護(hù)裝置運(yùn)行穩(wěn)定性。此外，操作人員還應(yīng)當(dāng)定期監(jiān)測和分析設(shè)備性能與功能，加大設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)力度。

3.9 其他改進(jìn)措施

第一，控制油箱。機(jī)油系統(tǒng)、油箱系統(tǒng)運(yùn)行期間，應(yīng)當(dāng)落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)操作要求，避免產(chǎn)生誤操作行為。定期檢查油箱，注重廢舊油液的排放與過濾處理。定期調(diào)節(jié)燃油箱排氣扇進(jìn)氣門，使燃油箱內(nèi)部處于負(fù)壓狀態(tài)，確保油氣正常分離。第二，控制輔助油泵。在停止和啟動渦輪前，測試所有輔助油泵。啟動前注重測試油泵鏈，定期檢查油泵性能，保障輔助油泵穩(wěn)定。第三，油冷卻器。在操作油冷卻器前，應(yīng)當(dāng)確保裝置性能完好。關(guān)閉油冷卻器前，必須控制潤滑油油壓，確保油溫穩(wěn)定，以免影響冷卻器運(yùn)行。為了防止冷卻水進(jìn)入冷卻器油側(cè)，應(yīng)當(dāng)調(diào)整油壓，避免油壓升高導(dǎo)致冷卻水壓力升高。在啟動和關(guān)閉機(jī)器時(shí)，應(yīng)當(dāng)確保冷卻水壓力無變化，同時(shí)檢查冷油器械泄漏情況。第四，渦輪軸承溫度控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，如果溫度持續(xù)升高，則嚴(yán)禁檢查裝置。同時(shí)，當(dāng)燃料燃盡和水沖擊較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)立即停機(jī)檢查。安全隱患消除后，才可以開機(jī)運(yùn)行。此外，制定標(biāo)準(zhǔn)化檢查流程，確保裝置檢修與養(yǎng)護(hù)的全面性，以免遺留故障問題。第五，機(jī)械運(yùn)行過程中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)密切監(jiān)視軸承振動問題。當(dāng)軸承發(fā)出警報(bào)且振動明顯升高時(shí)，需要降低機(jī)械負(fù)荷，將其恢復(fù)至開機(jī)前負(fù)荷狀態(tài)。

4 結(jié)語

軸承是汽輪機(jī)的重要組成部件，因此必須確保其運(yùn)行穩(wěn)定，以提高運(yùn)行效率。因此，利用信息化技術(shù)建立軸承運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，深入分析汽輪機(jī)軸承振動異常原因，提出了相應(yīng)的解決措施。同時(shí)，相關(guān)工作人員應(yīng)加大維護(hù)與養(yǎng)護(hù)力度，保障汽輪機(jī)處于安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。