汽輪機振動分析與故障診斷

余浩進(內蒙古久泰新材料有限公司，內蒙古 呼和浩特 010200)

0 引言

煤制乙二醇項目是在新材料、新能源、生物可降解的產業(yè)發(fā)展思路下的重要項目，汽輪機是該項目的關鍵設備，具有大型、高速、連續(xù)工作且處于核心地位的特點，其運行狀況好壞直接影響企業(yè)的生產，一旦出現振動高將引起停機。而出現振動高進行原因分析時，往往只能在儀表和工藝參數方面得到較準確的結論，而對于汽輪機本身機械方面的只能分析可能的原因，需要解體驗證，借助故障診斷儀器能準確的診斷出汽輪機機械方面的問題。研究并應用先進的故障診斷技術不僅可以早期發(fā)現故障，避免惡性事故的發(fā)生，可以更有效的指導設備的維修管理，從根本上解決目前設備定期維修不足和維修過剩的問題，通過及時檢測汽輪機振動變化，掌握歷史頻譜圖和設備的劣化，可有效防止損傷設備關鍵部件，延長使用壽命，提高可靠性，可以在有限的使用壽命周期內創(chuàng)造最大的價值，作為制定設備維護策略的有效方法。

1 汽輪機概況

本項目壓縮機分別采用汽輪機、電動機、膨脹機驅動，本文主要介紹汽輪機驅動的B單元丙烯汽輪機和A單元空分汽輪機，均為9.8 MPa過熱蒸汽驅動，參數分別為進汽量58、118.3 t/h，功率14 500、37 426 kW，轉速3 910～4 830、4 823 r/min，軸承跨距2 870、3 340 mm，轉子重量3.4、7.4 t，滑動軸承均為可傾瓦形式，推力軸承均為米歇爾形式。

2 存在的問題

2.1 共性問題

自試車以來蒸汽品質一直不好，兩年后丙烯汽輪機和空分汽輪機均出現蒸汽消耗量增加，分析是過流部分結垢導致，多次采取低壓飽和蒸汽清洗的方法對汽輪機轉子進行清洗，清洗后有所好轉，但很快又出現蒸汽消耗量增加的現象，特別是空分汽輪機出現調速閥全開時轉速下降的情況。

經過近兩個月的取樣分析，汽輪機蒸汽冷凝液部分化驗結果，二氧化硅為23.3、40.2、66.4、18.9、26、14、20.4、24、31.9、19.7 μg/L，電導率為21.1、22.9、15.8、18.12、14.72、11.8、13.6、12.25、15、11.34 μs/cm，根據GB/T 12145—2016 《火力發(fā)電機組及蒸汽動力設備水汽質量》要求，蒸汽質量為二氧化硅20 μg/L、電導率0.15 μs/cm，凝結水質量標準為電導率0.3 μs/cm，可見二氧化硅時有超標，最高3倍多，電導率超標情況嚴重，約40～70倍，最高113倍。

在某研究院技術監(jiān)督報告中指出，鍋爐爐水硅含量偏大，最高5 mg/L，過熱蒸汽氫電導率超標，最高達1.1 μs/cm，應通過加強爐水排污降低其硅含量至合格范圍。

2.2 丙烯汽輪機

次年5月，汽輪機排氣端軸承振值153 Y開始出現波動，振動峰值逐次升高，且出現波峰的周期越來越短，振值波動持續(xù)40 min左右后恢復正常，7月3日，振值達到51.7 μm，超過報警值50 μm，該軸承振值聯鎖值為75 μm；8月6日，振值達到74.8 μm，提前進入大修。

2.3 空分汽輪機

次年4月，汽輪機累計運行約8 000 h，排氣端軸承振值VI981X達49 μm，同時調速閥全開轉速仍然下降，經清洗后效果明顯；9月之后，進氣端軸承振值VI982 X偏高，經常升至接近報警值后下降，最高至61.35 μm，期間對轉子進行了低壓飽和蒸汽清洗，到投運4年后大修前，振值最高值穩(wěn)定在報警值附近。軸承振值報警值為59.5 μm，聯鎖值為79.3 μm。

3 振動原因分析

3.1 丙烯汽輪機

自發(fā)生振值波動開始，從多方面進行排查，始終沒有發(fā)現產生振動的根本原因，可能的原因及結果如下。

(1)振動探頭和接線，153 Y與其他三個測點振值同時波動，未發(fā)現松動等異常現象，排除此原因；

(2)負荷調整引起振動，對相同負荷或不同負荷的振動情況進行對比，未發(fā)現異常；

(3)末端排氣通路，真空良好，疏水通暢，排除水擊可能；

(4)潤滑油，分析報告結果顯示油質合格；

(5)結垢嚴重導致發(fā)生碰磨，無法驗證，需解體檢查；

(6)動、靜件碰磨，可能是汽封間隙有問題，高壓氣體竄入低壓缸引起熱彎曲，無法驗證，需解體檢查。

在分析無果的情況下，委托原廠進行頻譜分析，結果顯示振動波動以一倍頻分量為主，40 min左右后恢復正常，壓縮機振動數據穩(wěn)定。由此判斷屬于強迫振動，轉子的動平衡狀態(tài)發(fā)生了變化，氣缸內部中后端發(fā)生輕微碰磨的可能性較大，軸承座油檔密封齒也可能存在動靜碰磨但概率較小。機組均不存在油膜渦動、汽流激振。建議盡快停機檢查，先打開軸承座檢查油檔，如果沒有發(fā)現問題，解體檢查氣缸內部碰磨情況。

后經解體驗證，油檔密封齒沒有發(fā)現磨損，氣缸中后部結垢嚴重，汽封間隙減小，引起碰磨，結垢沉積物磨完后振值恢復正常，當結垢沉積物到達一定厚度時，又引起碰磨導致振動。頻譜分析結果正確，頻譜分析能較準確的發(fā)現問題所在。

3.2 空分汽輪機

發(fā)生振動異常偏高后，與丙烯汽輪機類似，沒有找到根本原因，但沒有進行頻譜分析。考慮到振值穩(wěn)定，為了保證生產，一直保持運行。投運4年后大修時，解體發(fā)現轉子結垢嚴重，進氣端6圈汽封被打斷，懷疑是裝置試車時蒸汽管道有雜物所致。本次大修經歷了三次解體七次試車兩次動平衡，每次聯鎖停車均因排氣端VI981 X振值高，后兩次解體及振動大的原因分析如下。

(1)第二次解體

經過2次聯動、1次單體試車，均在轉速為2 160 r/m左右時，VI981 X振值高聯鎖停車。解體后發(fā)現葉輪間汽封處徑向有碰磨，懷疑汽封間隙不夠。因無原廠數據，轉子吊出前對各部間隙進行了記錄，回裝時對汽封間隙進行了復查，與解體前是一致的。為解決振動，對碰磨部位擴大了汽封間隙。其他可能的原因分析如下。

①沖轉前速關閥漏氣，如漏氣會引起上、下缸溫差大導致振動，測溫儀表顯示缸內溫度低，不存在溫差；

②軸瓦間隙，軸瓦與庫存新軸瓦厚度相同，且低轉速時不會造成大的振動導致跳車；

③對中，汽輪機、空壓機、增壓機軸系均未變動，且聯軸器長，對中不好不會造成大的振動導致跳車，單體試車已排除此因素；

④發(fā)生碰磨，現場無膨脹指示裝置，可能因汽封原始間隙未考慮膨脹，或原始裝配有誤差引起碰磨，需檢查汽封碰磨的情況；

⑤轉子撓度偏大，已做靜、動平衡，排除此因素。

(2)第三次解體

擴大間隙后對各部間隙進行了認真復查，回裝后進行了2次單體試車，并通過架設百分表檢查膨脹，在轉速為2 160 r/m左右時，仍因VI981 X振值高聯鎖停車。解體后發(fā)現汽封片處有軸向碰磨，除上次解體的原因分析外，還進行了以下分析和檢查。

①缸體膨脹不充分，下次試車時延長低速暖機時間，使缸體充分膨脹；

②高壓端軸承箱卡澀，經檢查滑銷，排除了此因素；

③動平衡，重新做了動平衡，結果顯示合格，并對測振帶表面進行了處理；

④管道應力，回裝時主蒸汽管管口對中情況較好，并對油管進行了檢查。

回裝后經過2次聯動試車，均延長暖機時間30 min，并通過架設百分表檢查膨脹，兩次試車均成功。雖然最后開車成功，但沒有頻譜分析儀輔助進行準確的查找振動高的原因，致使原因分析只能憑經驗進行判斷，并且多進行了一次動平衡試驗，延長了檢修工期。

4 故障診斷技術

機械設備故障診斷技術是利用測取機械設備在運行中或者相對靜態(tài)條件下的狀態(tài)信息，通過對所測得信號進行分析和處理，并結合診斷對象的歷史狀態(tài)，來定量識別機械設備及其零部件的實時技術狀態(tài)，并預知有關異常故障和預測未來的技術狀態(tài)，從而確定必要對策的技術，它包含兩方面的內容：一是對設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)測；二是在發(fā)現異常情況后對設備的故障進行分析、診斷。該技術首先來自軍事上的需要，在第二次世界大戰(zhàn)初期問世，經過電子計算機技術、現代測試技術、信號處理技術及信號識別技術的發(fā)展，利用計算機對機械設備故障進行有效的輔助監(jiān)測和診斷已成為重要的診斷手段，其發(fā)展已進入“不解體化、高精度化、智能化、網絡化”的趨勢[1]。下面總結一下該技術在汽輪機轉子和滑動軸承故障診斷方面的應用。

汽輪機屬高速旋轉機械，由于旋轉質量的不平衡、對中不良、動靜件摩擦等原因都會引起振動，振動會產生反復變動的巨大載荷，不但會降低壽命和可靠性，而且還可能發(fā)生嚴重的破壞事故，給生產帶來很大的經濟損失[1]。表1對頻譜分析時各種故障的特征和振動敏感參數進行了總結，從表中可以看出，不同故障的特征和振動敏感參數不同，通過頻譜分析可以對汽輪機機械方面的故障做出準確的診斷。

表1 故障特征和敏感參數

5 結語

汽輪機是煤制乙二醇項目的關鍵設備，一旦出現振動高引起停機，將造成巨大的經濟損失和嚴重的后果。而出現振動高進行常規(guī)的原因分析時，對于汽輪機本身機械方面的只能得到可能的結論，需要解體驗證。借助故障診斷儀器能準確地診斷出汽輪機機械方面存在的問題，可以更有效的指導汽輪機的維修管理，能掌握歷史頻譜圖和劣化，可有效防止汽輪機中關鍵部件的損傷，延長汽輪機的使用壽命，提高汽輪機工作的可靠性，可以在有限的使用壽命周期內創(chuàng)造最大的價值，作為制定汽輪機維護策略的有效方法，頻譜分析應受到各工業(yè)領域的重視[1-2]。