汽輪機間歇性振動故障的處理方法

李森林

（上海金聯熱電有限公司，上海 201506）

汽輪機間歇性振動故障的處理方法

李森林

（上海金聯熱電有限公司，上海 201506）

在背壓汽輪機組出現間歇性振動時，首先通過汽缸位移值監視、振動頻譜監視進行故障排除分析，初步縮小故障原因范圍，通過設備檢查找到主要問題。此方法可在不揭缸的情況下有效解決背壓機組間歇性振動故障，可為同類設備的故障診斷和處理提供參考。

汽輪機；間歇性振動；故障；處理方法

近年來，我國熱電廠有了更多的發展機遇，同時也肩負著對社會供電穩定性的責任，汽輪機作為熱電廠設備的重要組成部分，其運行狀態好壞直接影響供電可靠性、企業的安全生產以及企業的經濟效益，振動是直接關系到汽輪發電機組正常運行的一項重要技術指標[1]。隨著電廠自動化程度的提高，必然要求設備的可靠性增強，機組參數的提高和容量的增加，使得機組軸系增長，機組振動增大的可能性增加，并且一旦發生事故，造成的經濟損失巨大，而汽輪機間歇性振動故障是機組振動類型中最難消除的缺陷[2]。由于汽輪機的作為電廠的三大主要設備之一，對汽輪機振動的研究從20世紀60年代就引起了世界相關人士的重視，國內在基礎理論研究方面也做了大量工作，并取得許多成果，但具有突破性成果較少，在工程應用方面也缺少關鍵性進展，理論方面的研究有很多，比如對汽輪機碰磨引起的振動就分為以高校為主的研究人員針對簡化模型所做的以理論和實驗為主的研究,另一類是研究所和工廠為主的研究技術人員針對現場故障進行分析、排除和總結[3]。汽輪機組設備運行狀況是否良好一般會通過機組轉子的振動表現出來，汽輪機振動監測與故障診斷技術的研究已經進行了數十年，積累了豐富的成果和實際經驗，汽輪機軸系振動通常具有很強的諧波性，軸系故障也多表現為某些諧波成分的變化，因而功率譜分析技術在故障特征提取中得到廣泛應用。但是功率譜分析存在3個主要缺陷：不能揭示由于機械設備非線性而產生的二次相位耦合現象；不能處理工程實際信號中存在的大量非高斯隨機信號；丟失了原始信號中的相位信息。而大型機組結構及運行狀態復雜、故障類型較多，轉子-軸承系統存在非線性特性，導致振動測量信號千變萬化，往往存在非平穩、非線性成分以及各類干擾噪聲，不同類型故障可能造成信號同一諧波成分的變化，故障信息交叉和混合，給故障特征的提取帶來困難，因此功率譜分析在一定程度上受到限制[4]。對于發電企業來說，怎么解決汽輪機振動故障的實際問題是最重要的，國內市場上目前對汽輪機振動頻譜的檢測設備雖然它對機組的普通振動有良好的確診方法，但它面對機組間歇性振動的復雜性以及診斷人員技術能力的參差不齊，很多情況下無法精密診斷故障原因和識別、判斷故障的嚴重程度，不能為企業科學檢修指明方向。熱電企業只有靠經驗來消除機組的間歇性振動，很多公司為了消除汽輪機間歇性振動可能花費一兩年時間，由此花費了大量的人力、物力、財力。本文結合工程實例，詳細介紹了處理此類型汽輪機間歇性振動故障的分析與處理方法，在不揭缸的情況下便捷的解決企業類似的實際難題。

1 情況介紹

某熱電廠用杭州汽輪機廠生產的HG32/20/10型汽輪機，汽輪機運行正常時#2軸瓦處軸振動維持在25 μ m左右，振幅開始出現波動后，振幅波動會間歇性反復發生，正?！l生一次波動（有時到振動報警跳機值）→回落到正常值，汽輪機#1軸瓦軸振動跟隨變化較小，振動的發生與工況負荷、轉速、油溫關系不大，振動發生時間間隔沒有規律可循，多數間歇性振動發生后會自動恢復正常（振幅達到跳機保護值除外）。機組由汽機、齒輪箱、發電機組成，共有6只軸承，每只軸承處有X相和Y相軸系振幅值在線檢測。

2 故障分析

鑒于現場能引起汽輪機間歇性振動的原因有很多，我們采用了機組3500軟件和ADR E5軟件對機組運行工況下的振動信號進行采樣和分析，以便縮小故障原因的范圍。汽輪機在額定轉速8923 r/min，額定負荷6 MW正常運行時振幅維持在20～33 μ m之間變化，當間歇性振動出現時振幅會超過30 μ m，間歇性軸振時只有#2軸承（即汽機后軸承）處軸X相、Y相振幅波動比較大，#1軸承處（即汽機前軸承）軸X相、Y相振幅跟隨變化微小，其他軸承處軸振動幅值基本維持正常，間歇性振動振幅值時高時低到一定高度又恢復正常運行，振動時間間隔沒有規律（見表1），振動幅值會在不定時間超過機組振動保護值而跳機。

汽輪機在額定轉速8 923 r/min，額定負荷6 MW運行正常時，汽輪機軸系6只軸承處軸振動X相、Y相頻譜的通頻、工頻、相位基本維持不變（見表2）。

在汽輪機額定負荷運行發生間歇性振動時，其他軸瓦處頻譜圖基本維持不變，間歇性振動前后軸心軌跡為橢圓形,重復性較好無發散和紊亂，無明顯尖角，軸心軌跡均為正進動，剔除振動波動以及轉速變化的影響，開機以來軸振動長期趨勢沒有增長跡象。只有汽輪機#2軸承處軸振動X相、Y相1倍頻振動趨勢變化，通頻跟隨變化，相位也跟隨變化，振動趨勢變化呈現波浪型趨勢，維持在一定范圍內波動，波動一定時間后又恢復正常，1X相位趨勢維持在160～240區間波動，1Y相位趨勢維持在260～340區間波動（見圖1）。

表1 汽輪機振幅監視值 μ m

表2 汽輪機正常運行軸系頻譜表

圖1 #2軸瓦處軸振動X相、Y相1倍頻振動趨勢圖

通過對汽輪機振幅監視值、汽輪機振動頻譜值分析，結合汽輪機動靜摩擦作用力分析及轉子振動方程式[5]：

式中：M為轉子質量，C1為橫向振動阻尼系數，K1為橫向變形剛度系數。

式中：C2為軸向振動阻尼系數，K2為軸向變形剛度系數。

式中：J為轉動慣量，C3為扭振阻尼系數，K3為扭曲變形剛度系數，G=Г·r

得出本次汽輪機間歇性振動的原因為動靜間歇性、輕微摩擦引起的結論。由此可以排除[6-9]：轉子彎曲永久變形、汽輪機汽缸內部與轉子動靜間隙小導致摩擦、汽缸變形。間歇性、輕微的動靜摩擦部位可能發生以下方面：軸承油擋齒（材質軟鋁）及軸承箱油封齒（材質軟鋁）與轉子有存在間歇性摩擦的可能；汽封處飽和蒸汽結垢引起垢質與轉子間歇性摩擦引起振動，而汽輪機蒸汽品質該電廠有嚴格的質量監控體系，發生結垢的可能性極小。所以下一步只需要檢查汽輪機的油檔和油封部位，無需對汽輪機進行揭缸檢查。

3 機組檢查與分析

2015年7月對HG32/20/10型汽輪機進行有針對性的停機檢查，主要檢查部位為軸系軸瓦處的油檔、油封，拆開#1軸承箱時發現油封內最外側一道槽油碳化結焦嚴重，并且碳化油焦有一定的硬度，油封泄油孔保持暢通沒有堵塞（見圖2）。

現象分析[10-11]：

油封泄油孔沒有堵塞說明油封不存在泄油不暢的情況；該電廠潤滑油為L-TSA46#汽輪機油，閃點≥180℃，實際運行時油封最外側溫度≤130℃（汽輪機運行時用測溫槍測得實際溫度），油封最外側與轉子接洽處溫度≤150℃（汽輪機運行時用測溫槍測得實際溫度），汽輪機運行時油封處溫度均小于180℃，說明油封處潤滑油碳化結焦不是由于1#軸承處汽缸保溫不好導致溫度過高傳熱至油封引起，油封最外側槽碳化結焦的原因是當汽輪機軸在額定速度8923 r/min運轉時，油封最外側槽只存在極少量的潤滑油，極少量的潤滑油及雜質與高速運轉的汽輪機軸反復碰撞摩擦產生局部高溫，而極少量的潤滑油滯留帶不走碰撞摩擦產生的溫度，此處產生局部高溫導致潤滑油碳化結焦，當碳化結焦塊堆積滿油封最外側槽與轉子接觸時，較硬的碳化結焦塊與汽輪機高速轉子產生碰撞摩擦、擠壓而引起汽輪機振動，較高振動過后會消減一部分較硬碳化結焦塊，當較硬的碳化結焦塊不與汽輪機軸接觸時振動恢復正常，由此表現出來的是機組一個間歇性振動發生后振動恢復正常；而極少量的潤滑油會源源不斷流到此處，繼續高溫碳化結焦，堆積到與機組高速軸接觸而再一次碰撞摩擦、擠壓導致汽輪機振動。

如此反復，汽輪機運行時表現出來的就是汽輪機軸間歇性振動。最后當油封最外側槽潤滑油的高溫碳化結焦塊擠壓到很高的硬度后再與汽輪機軸接觸時，就會產生一次較強烈的振動而導致振幅值超過保護而跳閘事故跳機，這與該汽輪機運行時的實際情況完全吻合。

圖2 油封最外側槽內油碳化結焦圖

4 故障處理方法

針對主要原因采取了以下方法：（1）泄油孔增大：油封內的泄油孔從?8增加到?10，增加泄油量避免有極少量潤滑油流經油封最外側槽內與汽輪機轉子發生碰撞摩擦、擠壓產生高溫碳化結焦的情況。（2）油封油擋改變：安裝時將油封最外側槽的兩片軟鋁質齒比油封前面槽的軟鋁質齒高0.02 mm,進一步阻擋潤滑油流經油封最外側槽內。（3）油封增加吹掃空氣：改型后的油封如圖3所示。油封從充氣接口處引入0.03 MPa（壓力由軸承箱內潤滑油壓和排油煙風機的負壓決定）的潔凈壓縮空氣，充氣接口1與環形腔室A聯通，壓縮空氣經a、b（油封上下兩半各有3個）孔道流經環形腔室B，由油封間隙從兩側排除，這樣一方面可以杜絕軸承座內回油向外泄漏，另外一方面也將沖向軸承座的汽封漏汽及雜質吹除掉，從而減少傳到軸承座的熱量和污染，油封下半有泄油孔將油回流至軸承座內。

圖3 改進型油封

經過以上改造處理以后，汽輪機運行至今沒有再發生間隙性振動的故障。

5 結語

通過以上的故障分析和處理方法，讓我們對機組存在的潛在故障有所了解，然后制定出具有針對性的檢修方案，縮短了處理此類故障的時間，提高了處理過程的工作效率；對油封的改造也永久性消除了油封再次積碳結焦的缺陷，為機組的經濟、安全運行提供有力的保障，并為同行處理此類故障提供了參考。引起汽輪機間歇性振動的原因有許多，下一步應繼續研究其他原因引起的汽輪機間歇性振動。

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