對高速渦輪機械與離心泵狀態監測技術異同的研究

陳明華，葉劍，肖宇

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

海洋石油大型泵類，如外輸泵、注水泵以及高速渦輪機械類，如燃氣輪機、離心壓縮機都屬于關鍵動設備，為保障設備運行可靠性，普遍應用了狀態監測技術。這兩類設備因結構及運行環境不同，在監測硬件系統、軟件工具、數據分析特點方面又存在諸多差異，詳述如下。

1 設備結構及運行環境差異（表1）

表1

2 監測系統差異（表2）

表2

3 監測數據及數據分析工具差異（表3）

表3

對于振動監測數據及數據分析方面的差異下文結合設備轉子簡單模型的轉子動力學數學模型，以不平衡為例進行討論。

對于同樣使用動壓滑動軸承的旋轉機械，包括離心泵及離心壓縮機，其簡單模型中在不平衡力作用下強迫振動的振動響應數學表達式，式（1）。

其中，Aejα為振動矢量，α為振動高點位置，δ為質量重點位置；m為不平衡質量；r為不平衡質量距旋轉中心距離；Ω為轉速，不平衡質量與轉速同步；K為轉子靜態剛度；M為轉子質量；D為轉子阻尼常數；λ為油膜流體周向平均速度比。

由式（1）可知，轉子的振動大小取決于不平衡力與轉子的動態剛度的比。

海上燃機等高速渦輪機械設計上均在一階臨界轉速上運行，設K、D、λ為常數，則僅與轉子轉速大小相關；當時，徑向動態剛度為零，轉子共振，振動最大，相位滯后90度。當轉速遠大于一階臨界轉速時，以轉子質心為中心旋轉，振動大小接近于質量偏心距r。

上文假設轉子的剛度、阻尼不變，適用于設備工作轉速穩定工況下。在設備實際運行過程中，隨著轉速的變化，轉子軸頸在軸承中的位置，即偏心率，始終隨著轉子受力變化而不斷調整。對于橢圓瓦軸承，軸心在啟動過程中，不斷抬升。油膜軸承油膜剛度和阻尼是軸心偏心率非線性函數關系，總體上，高偏心率時，油膜軸承剛度大，阻尼大，低偏心率時，剛度小、阻尼小。油膜軸承在轉子承受動態、靜態載荷是其偏心率也會顯著變化，如，進氣載荷、不對中和齒輪嚙合力施加的載荷等，因此，油膜軸承不論是在起停車，還是在定速運轉的過程中，其剛度和阻尼是動態變化的，并影響動態剛度、臨界轉速和振型，并最終影響振動幅值的大小。

海上大多數離心泵轉子支撐軸承為滾動軸承，其振動響應的數學表達式可簡化為公式（3）。

海上平臺離心泵與高速渦輪機械不同，工作于轉子臨界轉速之下為剛性轉子，只有當靜態剛度K發生變化時，轉子振動才會進入共振影響區域。由此可知，剛性軸滾動軸承的泵類，工作轉速運行時，振幅大小主要受激振力不平衡力大小、轉子軸系的靜態剛度影響，轉子振動矢量與激振力之間的夾角近似為零，因此很少用到瞬態分析工具分析離心泵啟停車過程的瞬態振動響應。

4 監測與診斷評估標準異同（表4）

表4

5 結語

綜上，離心泵與高速渦輪機械的振動監測技術存在諸多差異，對高速渦輪機械進行數據分析除了監測正常運行條件下的振動數據外，還應關注以下數據。

（1）設備啟停車瞬態數據。

（2）觀察設備慢滾動矢量數據及其變化。

（3）關注設備運行過程的操作、工藝量數據、振動數據的關聯變化情況。

（4）觀察設備較長時間段的振動矢量幅值與方向變化趨勢。

必要時，還應進行與故障診斷相關單位專項測試，主要包括以下測試。

（1）機組升、降速振動試驗，以確定機組實際軸系臨界轉速及過臨界的振動特性。

（2）發電機的勵磁電流試驗，判斷機組故障時電氣故障還是機械故障。

（3）汽輪機組的有功負荷試驗，判斷機組負荷調整過程中，汽輪機機械狀態和熱狀態變化對機組振動的影響。

（4）軸承動剛度測試及軸承座外部振動特性試驗，測量軸承及其連接部位的振動，以確定其振動特性和連接狀況。

（5）結構固有頻率測試，確定軸承座，端蓋等固定鋼結構固有頻率，確定是否存在結構共振。

（6）機組軸系動態標高試驗，測量機組在升、降速和帶負荷過程中軸系個軸承標高的變化。