燃氣發電機組的振動故障診斷分析

通用電氣檢測控制技術 彭順喜

通過對某大型油氣公司的一臺燃機進行的振動檢測和分析，探討了振動報警值的正確設定規則。通過不同的振動分析圖形，分析出振動原因，說明不同圖形在分析時的不同作用，完整的信號分析對于故障診斷非常重要。

一、簡介

某大型合資油氣公司的一臺余氣燃機發電機組投運約有7年，近1年來燃機與減速箱之間的中間軸靠近減速箱側軸承處發現振動幅值逐漸增大，超過報警值，雖然期間做過一次動平衡，但情況并未好轉。該機組在2012年6月底完成首次大修后，希望采集首次啟機振動數據，評估檢修后振動水平，分析問題產生的原因并提出治理方案。

該機組安裝的是本特利內華達的3500在線保護系統。本特利內華達的故障診斷團隊到達現場后，使用的診斷儀器是ADRE408。該儀器是本特利內華達新一代的高速動態信號采集、分析系統，由ADRE Sxp軟件和408 DSPi (Dynamic Signal Procession Instrument動態數據處理儀)多通道數據采集、處理儀器組成，能實施邊處理、邊顯示。它集成示波器、頻譜分析儀、濾波器、信號調制及數字信號記錄儀于同一平臺，特別設計適于網絡環境，可通過LAN/WAN遠程操作，還可以不依賴計算機獨立運行和存儲數據。ADRE 408從3500監測系統前面板的緩沖輸出采集信號。機組及傳感器布置圖如圖1所示。

圖1 機組及傳感器布置圖

除減速箱上安裝的是一支本特利330400加速度傳感器（靈敏度系數為100mV/g）外，其他所有傳感器均為本特利8mm XL渦流探頭，靈敏度系數均為7.87V/mm(200mV/mil)。

二、振動報警、跳機定值的設定討論

振動定值的設定一般在設備安裝調試階段由設備制造廠商給定。而設備制造廠商根據機器的特性結合國際振動標準確定振動定值。本機組高速軸（透平軸）的額定轉速為5163r/min，低速軸（發電機）的額定轉速為3 000r/min。

根據ISO 7919-3耦合的工業機器以及ISO 7919-4燃氣輪機組，振動的報警定值推薦如表1所示。

機組實際振動定值如表2所示。

從表1、2可以看到，燃機的定值略高于國際標準，發電機的定值與國際標準相同，差別比較大的是齒輪箱上的振動定值。根據ISO 7919-3，齒輪箱的定值應該是在適用的范圍內的。中間軸3#瓦的警告報警值（95）比齒輪箱高速軸的警告報警值（73）略大，估計是后來人為修改所致，可能的原因是3#瓦的振動幅值經常在警告報警上下，為免頻繁報警作的修改。

設備提供商在新安裝機組時，將設定值降低一檔，就是說將A/B設為警告報警，B/C設為跳機定值，這在新機組調試及其交工階段是可以理解的。但是用戶使用多年后，機組不再是新的機組，應該提高一檔，但用戶一直沒有去修改，因而飽受報警跳機之苦。建議這樣的用戶在詢問設備制造商后正式發文修改。

三、振動分析

由振動測試的結果來看，僅就振動趨勢而言，包括啟機，除3#瓦外振動通頻值都在較低的范圍，3#瓦的振動幅值正是用戶所困惑和擔憂的。

圖2是齒輪箱上的振動趨勢，使用mm/s2為單位，便于和美國齒輪制造者協會AGMA的標準比較，可以看到，振動還是較大的。

圖2 齒輪箱角速度通頻振動趨勢圖

圖3是4#瓦在慢轉速下的軸心軌跡圖，可以明顯地看到被測表面有明顯的缺陷，懷疑是存在銹斑等。慢轉速下的振動特性常常被忽視，本特利認為渦流傳感器能很好識別慢轉速下的缺陷，因為這些缺陷不是真正的振動，但可能導致振動信號的增大或者減小，在需要計算動平衡時需要補償掉，從而能準確地平衡轉子。3#瓦也發現了類似的特征。

圖3 4#瓦的軸心軌跡/時域波形圖——慢轉速缺陷

圖4是1#、2#、3#、4#瓦的平均軸中心位置圖，可以看到3#、4#瓦軸心位置較高，可能和對中不良及過大的軸承間隙有關。軸平均中心位置圖在振動故障診斷中有很大的作用，也是渦流傳感器的特點，很多故障通過軸中心位置圖可以清楚、快捷地得出結論。

圖4 高速軸1#～4#瓦的平均軸中心位置圖

圖5 3#、4#瓦的熱膨脹階段的極坐標圖

圖5是3#、4#瓦在熱膨脹階段，即轉速剛到達全速時至滿負荷，甚至滿負荷后的一段時間的極坐標圖，3#特別是X方向的1X矢量的相位變化較大。極坐標能很好地表達矢量的變化，特別是相位變化很大時。為了采集到機組啟機和完全膨脹后的完整數據，常常要求采集到滿負荷，并且連續保持滿負荷至少4h。如果滿負荷4h后看到振動還沒有穩定，甚至要求一直保持滿負荷，直至熱膨脹階段結束，進入真正的穩態。

圖6是3#在穩態時的軸心軌跡和時域波形圖，從其中看到了較為明顯的8字形軌跡，懷疑對中有問題。

圖6 3#瓦的軸心軌跡和時域波形圖

圖7 齒輪箱上加速度傳感器采集到的穩態下的譜圖

圖7是齒輪箱上的加速度傳感器采集的振動譜圖。從中看到了較大、明顯的2倍的齒輪嚙合頻率。有高速軸和低速軸的邊帶。說明齒輪因對中不良、間隙過大等原因出現明顯的沖擊。

四、結論

1.本特利的數據采集系統能提供強大的數據采集和數據分析功能。

2.完整的數據、信息分析對故障診斷非常重要。

3.振動報警定值需要謹慎審核。

4.齒輪箱與燃機的對中可能存在問題。

5.軸承的間隙可能過大。