9FA聯合循環機組汽輪機傳感器支架共振故障的分析與處理

蔡文方，應光耀，吳文健，李衛軍

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

9FA聯合循環機組汽輪機傳感器支架共振故障的分析與處理

蔡文方，應光耀，吳文健，李衛軍

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

某9FA燃氣蒸汽聯合循環機組的90 MW汽輪機啟動過程中出現異常共振峰，導致機組無法沖轉至額定轉速。通過對振動數據的變化趨勢、頻譜特征及分頻相位差的分析，否定了共振峰來自轉子過臨界，排除了軸承座結構共振、基礎共振等原因，最后判斷原因為渦流傳感器支架發生共振。在對支架進行加固處理后，振動值恢復正常，避免了盲目采用動平衡手段降低振動的錯誤方法，介紹的支架共振特征和故障分析方法可為同類故障的分析診斷提供參考。

汽輪機；支架共振；傳感器；相位差；故障診斷

0 引言

渦流傳感器是一種利用電渦流原理測量轉子表面相對于傳感器頭部距離變化的非接觸式傳感器，可測取轉軸的徑向振動、轉軸在軸承中的靜態位置及鍵相信號，目前被廣泛應用在火力發電廠汽輪機組的振動測試中。

渦流傳感器安裝時使用金屬支架固定在轉軸測點附近的非轉動部件上，支架要有足夠的剛度，否則支架的固有頻率落入汽輪機的轉速范圍內就會發生共振。共振時傳感器輸出的是轉軸的振動信號與支架共振信號的合成，且支架的共振信號占主要部分，甚至完全掩蓋了實際的軸振信號。此時的信號不但不能為故障診斷提供準確的振動數據，反而會給診斷帶來干擾，甚至造成誤導。

1 設備概況

某9FA級燃氣蒸汽聯合循環熱電聯產機組，采用“1+1+1”多軸布置，即由1臺9FA型250 MW級燃氣輪發電機組+1臺90 MW級抽凝式供熱汽輪發電機組+1臺雙壓蒸汽余熱鍋爐。其中汽輪機組為哈爾濱汽輪機廠生產的LNC/N115-9.88/ 539/1.9型單缸、雙抽、凝汽式汽輪機，該機型采用軸向排汽，軸系示意見圖1。渦流傳感器安裝在軸承上瓦塊的側面，考慮到軸承水平剖分面，將傳感器安裝成左上45°和右上45°，如圖2所示。

圖1 機組軸系布置示意

圖2 傳感器支架示意

當傳感器探頭中的線圈有高頻電流通過時，即產生高頻電磁場并使得被測轉子軸頸表面產生感應電流。探頭線圈與金屬導體間的距離與兩者間的阻抗、電感和品質因子有著固定的函數關系，那么這個距離就可以通過這些電參數的變化轉化成電壓表示出來。轉軸振動時，軸表面與傳感器之間距離發生變化，而這個電壓隨之變化，這樣渦流傳感器就實現了對轉軸振動的測量。

2 振動異常現象

機組于2014年4月25日啟動，低轉速下振動良好，820 r/min時2X與2Y軸振（指2號瓦處的X與Y方向的轉軸振動）僅為66 μm與50 μm，當轉速升至850 r/min時，2X與2Y軸振迅速達到398 μm與365 μm，導致汽輪機跳閘。考慮機組啟動期間2號瓦振（指2號瓦處的軸承座振動）僅為1.1 mm/s且未出現峰值，其實際軸振值在30 r/min內不太可能變化300 μm以上，初步判斷該軸振數值沒有反映出在該轉速下的實際軸振情況。強制撤出2號軸振信號保護后，汽輪機于當天再次啟動成功沖轉至3 000 r/min，現場運行未見異常，啟機BODE（波特）圖見圖3。

回顧第2次機組啟動過程，當汽輪機轉速從820 r/min升至 850 r/min，2X與 2Y軸振從 51 μm與49 μm迅速達到383 μm與357 μm，2號瓦振僅1.1 mm/s，到890 r/min時軸振又迅速恢復到66 μm與46 μm；當轉速從1 590 r/min升至1 690 r/min時，2X與2Y軸振則從75 μm與78 μm爬升到618 μm與585 μm，隨后迅速減小，到1 790 r/min時軸振僅為70 μm與74 μm，升速期間2號振始終維持在1.1 mm/s左右。機組定速 3 000 r/min運行時，2號軸振在140～190 μm之間跳躍波動，引起振動值波動的主要是低頻分量。這次機組啟動過程中，2號軸振表現出以下特征：

（1）根據機組啟動振動BODE圖（圖3）顯示，2號軸振在轉速為850 r/min和1 690 r/min時2次出現振動峰值，振動爬升異常迅速，峰值陡峭，共振轉速范圍很窄，與一般轉子過臨界的振動特征有差異。

圖3 汽輪機啟動過程2X與2Y軸振的通頻BODE圖

（2）比較機組啟動過程中的2X與2Y軸振一倍頻BODE圖（圖4）和二倍頻BODE圖（圖5）可知，轉速為850 r/min時2X與2Y的軸振峰值以二倍頻為主，相位迅速變化，且此時的X與Y方向相位差為180°；轉速為 1 690 r/min時2X與2Y的軸振峰值則以一倍頻為主，相位變化明顯，同時也有180°的相位差，如表1所示。

表1 汽輪機第2次啟動時2號瓦軸振數據μm∠°

（3）整個機組啟動過程中，2號瓦振都很小，在軸振2次出現尖峰時瓦振都僅為1.1 mm/s，相鄰的1與3號軸振也僅為50 μm左右。

（4）2號軸振在2次共振峰出現前后的振動值很小，基本都在70 μm上下。汽輪機定速3 000 r/min后，2號軸振一直存在低頻分量，頻率成分約為28 Hz（見圖6），且波動不穩定。

圖4 汽輪機啟動過程2X與2Y軸振的一倍頻分量BODE圖

圖5 汽輪機啟動過程2X與2Y軸振的二倍頻分量BODE圖

圖6 汽輪機3 000 r/min時2X與2Y軸振的振動頻譜

（5）停機過程中，在汽輪機的轉速依次經過1 690 r/min和850 r/min時，2號軸振都出現了和啟動過程中同樣的振動尖峰。

3 分析診斷

3.1 軸振特征分析

從振動特征來看，汽輪機轉子臨近某一轉速時，振動幅值出現明顯的高峰值，并伴隨角度的大幅變化，振動現象似乎吻合轉子過臨界時的特性。然而仔細分析該瓦軸振特征，存在以下疑點：

（1）轉子過臨界時兩端支撐瓦的軸振會有相同趨勢，而2號軸振出現十分明顯的共振峰時，1號軸振沒有相同的趨勢。

（2）雖然機組軸振與瓦振的數值有大小差別，但正常情況下軸振與瓦振的變化規律應當同步，若轉子過臨界振動大，則軸振和瓦振的數值都會有所表現。2號軸振達到500 μm以上，已遠遠超過跳機值，而瓦振卻僅1 mm/s左右，兩者出現明顯的矛盾。

（3）若2號軸振尖峰為轉子的共振峰，則850 r/min和1 690 r/min就可能為該轉子的第一、二階臨界轉速，這與轉子設計臨界轉速相差甚遠。

（4）由于渦流傳感器為左上45°及右上45°安裝，所以2號軸振X與Y方向的一倍頻相位應該相差90°左右，而在1 690 r/min時，2X與2Y相位竟相差180°，理論上說不通。另外在轉速850 r/min時振動則以二倍頻分量為主，更是與轉子過臨界的特征大相徑庭。綜上考慮，可以排除2號軸振出現的峰值是轉子過臨界引起。

3.2 原因排查

實測的BODE圖中，幅頻曲線上出現的非臨界轉速峰值可能會來自下列原因：

（1）軸承座結構共振；

（2）轉子-軸承系統與基礎耦合形成共振；

（3）傳感器安裝部件共振；

（4）測量系統電信號干擾；

（5）轉子上存在不平衡量引起的非線性共振[1]。

軸承支撐系統在某轉速下發生共振，瓦振會出現較高的共振峰，甚至瓦振大于軸振，而2號瓦振在整個啟機過程中一直較小，未超過 1.5 mm/s，如表1所示，可以排除該原因。

機組啟動期間現場實測基礎、臺板、缸體等結構未發現明顯的振動突增現象，可排除轉子-軸承系統與基礎耦合形成共振。

機組啟動時軸振僅在汽輪機轉速為850 r/min及1 690 r/min時出現2次較明顯的尖峰，其他時間振動相對較小，幅值、相位比較穩定，振動信號未出現其他毛刺、突變等異常情況，且振動峰值的出現存在重復性，表明傳感器獲得的應該是正常的振動信號，儀控檢查也未發現測量系統存在故障，可以排除測量系統存在其他信號干擾或故障的可能。

BODE圖顯示，在2次出現振動峰值前，2號軸振僅為60～70 μm左右，汽輪機轉速為3 000 r/min時2X一倍頻也沒有超過90 μm，振動數據顯示轉子上不存在很大的不平衡量。

3.3 原因判定

出現第1個共振峰時，汽輪機的轉速變化30 r/min，2號軸振增加了300 μm以上；出現第2個共振峰時，轉速變化90 r/min，振動爬升量超過500 μm。在很窄的轉速范圍內振動急劇增大又急劇回落，共振峰很陡，共振區所跨范圍遠遠小于常見的軸系過臨界轉速時的共振區，這些振動特征完全符合傳感器安裝支架共振[2]現象。

從振動數據看，2次發生共振的轉速正好成倍數關系，在汽輪機轉速為850 r/min時共振頻率為二倍頻，而1 690 r/min時是一倍頻發生共振，由此可判斷是1 690 r/min對應的激振頻率（28.17 Hz）激發出了支架的固有頻率從而引起共振。而850 r/min轉速對應的激振頻率為14.17 Hz，正好是支架固有頻率的一半，該轉速下的二倍頻28.34 Hz正好激發出支架的固有頻率，使其發生共振，所以該轉速下共振表現出以二倍頻分量為主。

宏觀上，轉子1 690 r/min時的不平衡激振力激發出傳感器支架的固有頻率引發共振，微觀上即是轉子旋轉1周（周期為T），支架以某一對稱振型來回往復運動1次。振動相位實為當鍵相槽與鍵相傳感器重合時，振動傳感器逆轉向至轉子振動高點的角度，也即當振動傳感器與振動高點重合時，鍵相槽逆轉向至鍵相傳感器的角度。當支架發生共振時，振動高點不再是轉子上的振動最大值，而是支架在傳感器安裝位置的振動最大點，于是當轉子轉到某一角度時，支架X方向的振動達到最大，若此時鍵相槽逆轉向至鍵相傳感器的角度為φ，這時振動輸出值就顯示2X方向振動角度為φ，而當轉子轉過半圈（T/2周期）時，支架在Y方向振動將達到最大，而此時的角度已經變化180°，2Y方向的振動角度就是φ+180°。所以當該機組2號軸承支架發生共振時，X，Y方向的共振頻率分量相位差為180°而非90°，這是該故障的關鍵性判據。

4 處理措施

打開2號瓦軸承蓋，取出傳感器支架，實測其尺寸為寬30 mm，厚10 mm，半徑200 mm，支架鋼板相對較薄。一般可從兩方面改變支架的固有頻率，即改變支架剛度或改變其參振質量[3]，現場采取對該支架進行臨時加固的辦法。

加固方案為：對傳感器支架底部的支座加焊厚度為5 mm、尺寸為15 mm×15 mm×165 mm的角鋼，對半圓型支架采用4根半徑16 mm、長度420 mm的剛管對稱焊接加固，如圖7所示。加固后機組啟動過程未出現之前的共振尖峰，見圖8。后將支架更換成寬55 mm、厚20 mm的剛架，共振問題得到徹底解決。

圖7 加固前后的傳感器支架

圖8 支架加固后機組啟動過程2X與2Y軸振的通頻BODE圖

5 結語

振動故障診斷是建立在真實可靠的數據基礎之上，虛假的振動信號容易造成對機組運行狀態或故障類型的誤判。傳感器支架發生共振時，共振點轉速與轉子臨界轉速偏差較遠，共振峰異常陡峭，且軸振與瓦振不具有同步性，共振時X與Y方向的軸振相位差與傳感器安裝的角度差明顯不符。以上特征可為傳感器共振故障的診斷提供指導，避免將此共振峰誤認為成轉子過臨界而盲目采用動平衡手段處理。

渦流傳感器安裝在專用的支架上，支架固定在軸承座一側。支架要有足夠的剛度，其固有頻率至少要在工作頻率的10倍以上，倘若制作支架的鋼板太薄，或者現場安裝時螺栓有松動，都可能導致支架的固有頻率落入汽輪機的轉速范圍內，從而引起共振。因此，在設計制造階段就應避免此類問題的出現，而現場支架的安裝也須謹慎，必要時可用專用儀器復測安裝后的支架固有頻率，杜絕此類問題的發生。

[1]陸頌元.汽輪發電機組振動[M].北京：中國電力出版社，2000.

[2]寇勝利.軸振測量中的虛假信號[J].汽輪機技術，2012，54（2）∶147-150.

[3]高培.核電廠半速發電機傳感器支架共振解決方法研究[J].核動力工程，2013，34（4）∶133-135.

[4]李衛軍，吳文健，應光耀，等.半山發電廠7號燃氣機組軸系異常振動分析與處理[J].浙江電力，2014，33（10）∶49-52.

（本文編輯：陸 瑩）

Analysis and Treatment of Steam Turbine Sensor Bracket Resonance of 9FA Combined Cycle Units

CAI Wenfang，YING Guangyao，WU Wenjian，LI Weijun
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014 China，China）

An unusual formant occurred in startup of 90 MW steam turbine of 9FA steam-gas combined cycle units，due to which units can not run up to the rated speed.By analyzing trend of vibration data change，spectrum characteristics and frequency phase angel difference，it is denied that the formant is from the overcritical rotor，and bearing pedestal resonance，foundation resonance other reasons are excluded.It is recognized finally that the fault is caused by the bracket resonance of the eddy current sensor.The vibration returned to normal by reinforcement of the bracket，therefore blind balancing treatment is avoided.Bracket resonance characteristics and fault analysis method discussed in the paper can provide a reference for analysis and diagnosis of the similar faults.

steam turbine；bracket resonance；sensor；phase angle difference；fault diagnosis

TM866

B

1007-1881（2015）07-0041-05

國網浙江省電力公司科技項目（5211DS14005B），大型汽輪發電機組動力特性模擬與復雜振動故障治理研究。

2015-01-05

蔡文方（1986），男，工程師，主要從事旋轉機械振動故障測試、診斷及處理工作。