某型燃氣輪發電機組異常振動分析及處理

歐陽向上，付岳峰，林萬安

（漣源鋼鐵股份有限公司，湖南婁底 417009）

引言

某廠一臺自備發電機組（機組編號G003#）為三菱重工成套生產的M251S 型燃氣輪發電機組，其與余熱鍋爐、汽輪發電機組組成的燃氣-蒸汽聯合循環機組效率達到38%。聯合循環機組采用分軸布置，年發電38 000 萬kWh 以上，具有較好的經濟效益和社會效益。

G003#機組主要由燃氣輪機、主齒輪箱、高爐煤氣壓縮機、發電機、啟動裝置等組成，整個軸系較為復雜。燃氣輪機和高爐煤氣壓縮機軸承均采用可傾瓦，主齒輪箱軸承采用圓筒瓦，發電機軸承采用橢圓瓦。運行時，燃機轉速5 015 r/min，發電機轉速3 000 r/min，煤氣壓縮機轉速6 064 r/min。軸系布置見圖1。

圖1 M251S燃氣輪發電機組軸系布置圖

機組7 個軸承設置軸振動測點，檢測軸系的運行狀態，分別設置在燃機轉子2個軸承處、煤氣壓縮機轉子2 個軸承處、發電機的2 個軸承處及啟動裝置靠發電機側的軸承處（見圖1中1#～7#），而主齒輪箱和啟動裝置的其他軸承未設置振動測點。該機組從2007 年3 月投運至今，振動一直比較穩定。最近的一次大修于2021 年1 月完成，大修后機組各軸承振動均正常。

1 振動現象及特征

2022 年8 月20 日開始該機組燃機的1#軸承處軸振動出現了波動，平均每天波動1～2次，且波動幅值越高、發生波動間隔的時間就越長，在8 月23 日11 點31 分1#軸振動最大值達到127 μm，接近跳機值（1#軸承振動趨勢見圖2），而其他軸承振動正常。且每次波動后下降速率較快，能夠恢復到以前正常時的振動水平（20 μm左右）。

圖2 1#軸振動變化趨勢

G003#機組振動變化過程為：前20～30 min 從正常水平緩慢上升，在最后幾分鐘迅速爬升到峰值后，在幾分鐘內快速下降恢復到正常值。在振動緩慢上升階段，加減負荷、升降潤滑油溫、升降潤滑油壓，對振動基本沒有影響。

為確保機組安全連續運行，盡快找到燃機發生振動波動的原因，8 月29 日開始對燃機的1#、2#軸振動頻譜進行了檢測。由于振動變化沒有時間規律，連續監測了24 h。監測發現振動波動時，1#軸振動變化主要體現在83.57 Hz 的工頻分量（燃機轉速5 015 r/min）（見圖3），在1#軸振動波動的時候，監測的其他軸振動平穩。

圖3 1#軸振動頻譜檢測

從振動頻譜來看，導致1#軸振動波動大的因素主要為工頻分量（1X），其他頻段分量基本無變化。振動與負荷沒有明顯對應關系，振動波動后，恢復性很好，均回到了正常時的振動水平。

2 振動原因分析

2.1 采用排除法查找振動原因

引起工頻振動的原因主要有轉子質量不平衡、轉子熱彎曲、轉子上部件脫落、轉子不對中、聯軸器松動、動靜碰摩、結構共振、結構剛度不足等。由于原因較多，于是采用排除法來確定原因。因機組運行多年且穩定，結構共振、結構剛度不足等因素可以排除。

（1）轉軸質量不平衡。一般以工頻為主，振幅應該是穩定的，不會發生突變。且該機組在2021年1 月完成大修啟機時，廠家現場技術指導人員曾對整個啟機和帶負荷過程進行監測，轉子不平衡量很小，該機組采用的燃料和空氣均進行了凈化處理，運行過程中積垢可能性也很小，且振動發生波動后能夠快速復原，說明該燃機轉軸的平衡沒有問題。

（2）轉動部件脫落。振動瞬時變化，且不會恢復到原來的振動水平。而G003#機組振動從正常水平開始發生變化，前30 min 處于緩慢上升階段，在最后幾分鐘迅速爬升到峰值后，在幾分鐘內快速下降恢復到正常值，不會反復，說明這也不是造成振動的原因。

（3）轉子熱變形主要振動特征是工頻振幅增加，大都發生在機組啟動帶負荷階段，此時轉子溫度升高，材質內應力釋放引起轉子熱變形，工頻振動增大。G003#燃機已經連續高負荷運行近3個月，運行熱值相對穩定，基本控制在3 300～3 400 kJ/m3之間、BPT 溫度偏差小于20 ℃，整個轉子和缸體的溫度場都已均勻，如果轉子存在內應力，應早已釋放。

（4）聯軸器松動。它與負荷有對應關系，而該機組進行反復加減負荷試驗時，振動沒有出現波動，聯軸器松動可排除。

（5）轉軸不對中。一般存在2X 分量，且轉軸不對中一般出現在安裝或檢修后，且不會出現這種振動波動現象。

排除上述原因后，那么機組動靜碰摩導致振動波動的可能性最大。

2.2 機組動靜碰摩部位的預判

一般情況下，機組動靜碰摩為局部碰摩，轉子因高速旋轉會使摩擦部位產生局部高溫，使轉子發生熱變形，從而產生新的不平衡。在未發生碰摩故障時，振動高點H滯后于原始不平衡A一個角度，碰摩發生后高點產生高溫使其發生形變，結果產生一個熱不平衡B，這個熱不平衡B 與原始不平衡A 合成為新的不平衡C。新的不平衡C 逆轉一個滯后角出現新的振動高點H1，繼續摩擦形成熱不平衡B1，B1 與C 進一步合成形成C1，以此類推，使得在碰摩故障中相位不斷增加，甚至呈周期性變化（見圖4）。摩擦振動還包含碰撞的現象，會使振動頻率出現高頻、低頻成分［1］。

圖4 轉子摩擦振動示意圖

動靜碰摩還會使轉子發生橫向自由振動，其振動頻率與轉子渦動頻率一致，是碰摩過程的主要頻率。同時轉子在旋轉過程中會繞轉子中心點振動，其運動軌跡就是軸心軌跡，當動靜碰摩發生時，軸心軌跡也會隨著轉子的渦動而發生渦動。動靜碰摩的振動特征主要以1 倍頻為主，有可能還伴隨高頻或低頻，同時相位增加甚至出現周期性變化。該機組1#軸振動波動主要是工頻變化導致振動增大，1#軸振相位相應發生變化，振動恢復后相位也隨之恢復，其它各軸振相位均無變化。對振動波動前后的幅值、相位進行比較，重復性較好。由此認為該機組發生動靜碰摩。

通常發生動靜碰摩主要有轉子與軸瓦、氣封片或油擋之間發生碰摩。通過瓦溫與振動數據比較，振動發生波動時，瓦溫穩定無變化，基本排除軸瓦與轉子摩擦的可能。在進行原因分析時，該機組運行人員反映在當日點檢時發現該機組1#軸承處的油霧管道外壁溫度偏低。經過技術人員現場測量確認1#軸承油霧管道溫度僅30 ℃，空壓機進口處的2#軸承油霧管道溫度達到48.4 ℃，而其他同型號燃機（該公司共有3臺同型號燃機）1#軸承油霧管道溫度達到51.4 ℃。G003#燃機1#軸承溫度明顯偏低，而1#軸承油溫與其他機組相比很正常，說明該軸承油霧管道存在堵塞，有可能造成油擋積碳。綜合機組僅1#軸振動突變的情況，預判為1#軸承油擋積碳導致的G003#機組發生了軟碰摩。

3 處理過程及改進措施

3.1 現場處理過程

在對故障原因進行分析后，該廠組織對G003#燃機進行了檢修，機組解體后發現1#軸承外油擋內存在著大量的碳化物，在油擋下半部靠高溫側附著了一個約3 mm 厚、300 mm 長的碳環附著物，碳環已經磨得十分光滑（見圖5）。同時還發現在內外油擋之間還有積油。將油擋下半部拆卸后，發現該油擋回到軸承油室的回油孔基本堵死。油霧管道內部異物較多，出現堵塞現象。

圖5 1#軸承外油擋下半部附著物

3.2 積碳及回油孔堵塞原因分析

從1#軸承座示意圖可以看出，油擋處有1 根密封空氣管給油擋提供密封空氣，避免高溫煙氣從油擋處進入軸承室內（見圖6）。在軸瓦附近位置有1 根油霧管道，及時將軸承室內的油煙抽出軸承室，以保證軸承室微負壓。內、外油擋之間腔室有1 根油擋回油管，從軸瓦泄漏出來的油通過這根油管回到軸承室再排回油箱。一旦油霧管道堵塞將使軸承室內壓力高于密封空氣壓力，軸承室內油通過軸封漏入到高溫的煙氣，煙氣使得軸封漏出的油高溫碳化，碳化物不斷積累導致與轉軸發生碰摩，部分脫落的碳化物又將油擋回油管堵塞。

圖6 1#軸承座示意圖

3.3 處理措施

清理油擋上積碳，疏通油擋回油管和油霧管道，檢查密封氣管道，更換油擋，確保油擋和軸之間的間隙在合格范圍內。經過上述處理后，機組振動恢復正常，1#軸承振動一直穩定在20 μm 左右。同時在運行過程中要定期監測密封空氣壓力、油霧管道溫度是否正常，一旦出現異常就要及時調整和處理，避免油擋積碳。

4 結語

保持燃氣輪發電機組振動的平穩性才能保證機組長期安全穩定運行，對實際運行中產生的振動，通過振動分析儀器進行在線分析，可以及時查找到引發異常振動的原因并進行處理，保證機組的安全運行。