高爐透平機振動異常故障判斷及處理

伍海明

摘 要：廣西柳鋼中金不銹鋼有限公司煉鐵廠2號高爐配1套高爐TRT發電機組，主要利用高爐煤氣所具有的壓力能和熱能，通過透平膨脹做功，帶動發電機發電，進行能量回收利用的一種節能裝置，很大程度解決了冶金行業的用電自給問題。一旦透平機機組不能正常運行，將導致高爐煤氣余壓無法實現動能轉化，公司將每天損失5萬元電費。以廣西柳鋼中金不銹鋼有限公司煉鐵廠2號高爐TRT透平機故障為例，著重介紹燃氣渦輪機故障診斷、故障排查及原因分析、振動頻譜分析等，分析透平機振動異常原因，采取相應措施取得了良好效果，為同類問題的處理提供了分析思路。

關鍵詞：透平膨脹機；振動；故障；分析思路

DIAGNOSIS AND HANDLING OF ABNORMAL VIBRATION FAULTS IN BLAST FURNACE TURBINES

Wu Haiming

（Iron Making Plant of Guangxi Liugang Zhongjin Stainless Steel Co.， Ltd.? ? Yulin? ? 537624， China）

Abstract：Guangxi Liugang Zhongjin Stainless Steel Co.， Ltd.'s Blast Furnace No. 2 Ironmaking Plant is equipped with a set of TRT generators for the furnace， which mainly uses the pressure and heat energy of the blast furnace gas to generate electricity through turbine expansion and drive the generator to achieve energy recovery. This is an energy-saving device that largely solves the problem of power self-sufficiency in the metallurgical industry. Once the turbine unit fails to operate properly， the excess pressure of the blast furnace gas cannot be converted into kinetic energy， and the company will lose 50 000 yuan in electricity bills every day. This article focuses on the diagnosis of gas turbine faults， troubleshooting and root cause analysis， vibration spectrum analysis， and other related topics. Using the example of the TRT turbine failure in the No. 2 blast furnace of Guangxi Liugang Zhongjin Stainless Steel Co.， Ltd.'s ironmaking plant， the article analyzes the cause of abnormal turbine vibration and takes appropriate measures to achieve good results， providing analysis ideas for similar problems.

Key words： turbine;vibration;fault;analysis ideas

0? ? 引? ? 言

現階段，信息化技術在冶金行業應用越來越廣，設備信息化監測也越來越成熟。對透平膨脹機組進行在線監測，可以提前預知設備的工作狀態以及故障的發展趨勢，對保證企業的安全生產有重大意義。振動診斷是有效判別機械設備不平衡、不對中、基礎松動、湍流、喘振、轉子偏心、軸承故障、聯軸器異常等故障的設備診斷工作中最常用的手段之一。相比其他非破壞性分析檢測訊號（如電壓、電流、溫度、壓力等），振動訊號是一種能提供豐富信息的訊號。對于一套完整的預知維護系統而言，要覆蓋所有的信號分析檢測技術，而震動分析檢測技術就是預知維護系統的根本所在。

廣西柳鋼中金不銹鋼有限公司煉鐵廠2號高爐透平膨脹機，型號規格為MPG90，透平膨脹機徑向振動值多次瞬間升高后達到設定值150 um，造成跳機，嚴重影響生產經營成本。

1? ? 燃氣渦輪機故障診斷（頻譜里蘊含機器故障信息）

1.1? ? 轉子不平衡（葉片磨損或結垢、軸彎曲）

使用位移信號來進行普通的頻譜分析，如果能夠看到很高的1X波峰，那么就是出現轉子不平衡。

由于葉片破裂、翹曲或點蝕等引起結構改變，通常會在葉片通過頻率（渦輪葉片數X軸轉速）處出現一個很強的波峰，會導致頻譜上葉片通過頻率處的振幅顯著升高。

轉子磨損不一致，或者轉子發生部分損壞，如葉片損壞等，則葉片通過頻率將被軸的轉速所調制，并在頻譜中形成邊頻帶。

1.2? ? 聯軸器不對中

轉子軸線角度不對中使得兩軸彎曲受力，導致兩端軸承的軸向上產生很強的1X振動和較弱2X振動，并且通常還會出現較強的3X波峰。可以看出1X、2X和3X波峰的重要性，因此準確測定出機器的運轉速度非常重要。

轉子不同軸導致兩端軸承的徑向（垂直和水平方向）上都會產生很強的2X和1X振動，大多數情況下2X的振幅要高于1X振幅。但與不平衡不同，二者的振幅不一定會相等。實際上，其中一個的幅值可能是另一個的兩倍以上。

1.3? ? 松動造成振動

1.3.1? ? 旋轉松動

滑動軸承間隙過大時會產生如下所示的0.5諧波。這通常被稱為半階分量或次諧波。摩擦和嚴重的沖擊都會產生這樣的諧波。甚至有時還可能會產生1/3階的諧波。

1.3.2? ? 結構松動

如果水平方向上的1X基頻振動遠大于垂直方向上的1X振動，那么就可以懷疑是松動引起的故障。如果水平方向上的1X振動小于或近似等于垂直方向上的1X振動，那么就很有可能是不平衡故障[1]。

1.3.3? ? 軸承座松動

頻譜中有1 X、2 X和3 X的振動分量（但通常沒有更多的諧波），當故障嚴重時，頻譜中甚至還會出現0.5 X的波峰[2]。

2? ? 故障排查和原因分析

2.1? ? 故障經過與數據分析

煤氣透平機5月8日振動開始波動，透平進氣側VT2011X停機前從86 μm突然跳升到95 μm并達到新平衡，表現為小幅度突變。23點35分再次爬升到 130 μm并達到新平衡，表現為大幅度突變。23點45分爬升到 150 μm聯鎖值，造成跳機。

此過程中，高爐透平膨脹機頻譜監測主要以1X倍頻為主導，軸承兩端相位相差179.3 °，兩支承處同方向振動相位差接近。結合燃氣渦輪機頻譜分析可判定為主軸動不平衡。

透平機主軸動不平衡原因分析與措施見表4。

2.3? ? 推理判斷

結合高爐透平膨脹機頻譜分析與時域波形圖可以判定，透平機主軸動不平衡且存在主軸矢量突然變化，造成時透平兩側振動值（VT2011X、VT2011Y、VT2012X、VT2011Y）同步突變增加，判斷為葉片上爐灰突然部分脫落透平機主軸動不平衡。

2.4? ? 結垢對比

透平機開箱后發現透平機裝置主軸葉輪 、二級動葉片以及進、出口管道等部位形成厚度不一層狀結垢現象 （如圖13a） 。

經維修人員對主軸葉輪、動葉片、靜葉片結垢進行高壓水清除后（如圖13b），檢查主軸葉片未發現葉片有刮痕和磨損現象。

2.5? ? 反向論證

若透平機動葉片均勻結垢后在某時段單一或多塊結垢脫落→透平機主軸旋轉矢量分布不均→透平機主軸動不平衡（頻譜特征：1X占主導）→透平機主軸時域波形突變后形成新的振動值并保持穩定（結垢二次脫落時，透平機主軸時域波形突變導致透平機振動值超150 μm聯鎖值造成跳機），因此二級動葉片結垢是本次透平機故障主要原因。

2.6? ? 聯軸器對中數據

為進一步消除其它條件因素影響，我們對透平機聯軸器進行重新對中，數據如圖14所示。

通過維護保養后，透平機恢復正常使用，因此提醒我們要緊抓煤氣結垢主要原因，從高爐原料上解決透平機結垢根源問題。

3? ? 結? ? 論

通過頻譜分析掌握設備運行狀態，判斷故障部位和原因，并對設備運行狀態進行預測，能夠在設備運行過程中或基本不拆卸的情況下進行分析，識別有無故障，明確故障嚴重程度并作出故障趨勢分析，這將為同類設備檢修打好基礎，有效避免設備故障擴大化，確保公司生產運營穩定。

參考文獻

[1]? ? 黃志堅.機械設備振動故障監測與診斷[M].北京：化學工業出版社，2010.

[2]? ? 何杉. 旋轉機械頻譜智能分析系統的研究與實現[D]. 大連： 大連理工大學， 2009.