合成循環(huán)氣壓縮機蒸汽輪機振動分析及處理

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(1.濮陽永金化工有限公司，河南 濮陽 457004 ; 2.河南長興建設集團有限責任公司，河南 濮陽 457000)

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合成循環(huán)氣壓縮機蒸汽輪機振動分析及處理

高明亮1，王志云2

(1.濮陽永金化工有限公司，河南 濮陽 457004 ; 2.河南長興建設集團有限責任公司，河南 濮陽 457000)

汽輪機組是化工裝置的核心設備，振動也是其主要故障，文章分析了乙二醇裝置合成循環(huán)氣壓縮機振動的原因及特征，采取了處理措施。

合成循環(huán)氣壓縮機 ； 蒸汽輪機 ； 汽流激振 ； 故障

0 前言

某廠年產20萬t乙二醇裝置合成循環(huán)氣壓縮機采用沈鼓DMCL804離心式壓縮機，其驅動機采用杭州中能HS5313背壓沖動式蒸汽輪機，其主要性能參數見表1。兩端的徑向軸承采用二油楔軸承，每個徑向軸承裝有互成90°的兩個本特利3 300振動探頭。控制裝置采用SKZ-01-CM-10速關控制器，調節(jié)閥采用雙閥桿結構，有4個閥頭。轉子采用整鍛轉子，材料為優(yōu)質鉻鉬釩鋼，有1個雙列調節(jié)級和4個壓力級。一階臨界轉速4 240 r/min，二階臨界轉速7 967 r/min，轉子質量1 820 kg，潤滑油采用46號L-TSA汽輪機油。

表1 蒸汽輪機主要性能參數

1 問題的產生

機組開車運行兩年，調速機構運行正常，前軸承via163和后軸承via165振動由28 μm左右上升至38 μm。通過頻譜分析，發(fā)現(xiàn)主要出現(xiàn)一倍頻和半倍頻幅值，判斷轉子本身出現(xiàn)一定變化，動平衡受到破壞，同時軸承出現(xiàn)磨損。停機后出現(xiàn)了異常的振動升高，解體后該轉子在DH50動平衡機上做高速動平衡，在第一級葉輪修正面處增加了80 g配重，兩端軸承處達到了小于1.12 mm/s的平衡精度要求。檢查軸承巴氏合金有一定程度的磨損，軸承間隙超標，經調整后回裝。

1.1第一次單試汽輪機情況

啟動后進入1 200 r/min暖機，前軸承via163振值28 μm左右，后軸承via165振值16 μm左右，45 min后進入1 800 r/min暖機，前后軸承振值基本穩(wěn)定。暖機40 min后，前后軸承振動值均出現(xiàn)上升，其中前軸承via163達到44 μm，降低暖機轉速至1 400 r/min后，前后軸承振值下降。10 min后，前后軸承振動值又出現(xiàn)上升，此時轉速1 600 r/min，后軸承振動達到74 μm，降低轉速后振動值又顯著下降，振動趨勢比轉速信號滯后，此時判斷機組不能連續(xù)運行，停機。

停機后，高壓蒸汽調節(jié)閥不回復零位，出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，調節(jié)閥靜態(tài)試驗數據出現(xiàn)偏差。

1.2檢修處理及第二次單試汽輪機情況

復查檢修資料，轉子在檢修期間檢查轉子跳動0.05 mm，符合要求，同時做動平衡合格，基本排除轉子不平衡的可能；復查前后軸承的檢修資料，前后軸承的瓦量和瓦背緊力符合要求，巴氏合金進行的刮研也符合要求，各個汽封間隙及轉子在缸體中心的情況也符合要求。準備再次試機，在試機前采取以下措施：①針對停車時調節(jié)閥靜態(tài)數據偏差問題，對調節(jié)閥閥桿和填料進行檢查，發(fā)現(xiàn)閥桿有一定程度磨損，對閥桿和填料處理后靜態(tài)調試合格。②由于該次是大修后首次啟動機組出現(xiàn)問題，本次全面排查了蒸汽系統(tǒng)及缸體導淋系統(tǒng)，排除缸體導淋排水不暢導致水擊的問題。③由于滑銷系統(tǒng)僅有前端缸體軸向膨脹的監(jiān)測，在開機前對缸體前后各架四個百分表，觀察缸體橫向膨脹位移情況。④為更準確分析判斷原因，使用分析儀直接從本特利3300表架上采集振動數據進行振動分析評價，評判標準為相應的國家振動標準、相關等同國家標準或企業(yè)相關標準。

啟動前嚴格控制缸體上下部的溫差范圍80～100 ℃，同時適當延長暖機的時間，機組在轉速為1 800 r/min暖機，經過暖機前軸承via163振值由29 μm降至25 μm。通過頻譜分析，主要是工頻，但也有部分半頻的分量。機組過臨界后，蒸汽調節(jié)閥調節(jié)信號vsic151出現(xiàn)波動，蒸汽流量也出現(xiàn)波動，轉速達到5 220 r/min后，后軸承via165達到71.7 μm，前軸承via163最高達到57 μm，頻譜分析出現(xiàn)豐富的頻譜特征，同時波動也很大，既有工頻成分，也有2、3、4倍頻及高頻成分，同時低頻成分超過工頻幅值。檢查汽機橫向膨脹比較均勻，四個百分表誤差在0.2 mm以內。降低轉速至4 800 r/min，振動值出現(xiàn)下降，10 min后又出現(xiàn)大幅度波動上升，機組上缸有異常響聲，機組停機，蒸汽調節(jié)閥未有效關閉，關閉主蒸汽大閥后機組轉速降至零。

2 原因分析

汽輪機作為一種大型機械設備，其組成部件數量較多，各部件之間的聯(lián)系也較復雜，與本次異常振動相關的有以下原因。

2.1機組動靜碰磨

機組發(fā)生碰磨時，振動時域波形發(fā)生畸變，出現(xiàn)削波現(xiàn)象，同時在振動信號中有異常信號。同時碰磨有豐富的頻譜特征，既有工頻成分，也有2、3、4倍及高頻成分，也有半頻及固定頻率等低頻成分。

2.2汽流激振

汽流激振力通常來自以下幾個方面：①葉頂間隙激振力。汽輪機葉輪在偏心位置時，由于葉頂間隙沿圓周方向不同，蒸汽在不同間隙位置處的泄漏量不均勻，使得作用在葉輪沿圓周向的切向力不相等，就會產生作用于葉輪中心的橫向力，也稱為間隙激振力。②汽封汽流激振力。由于轉子的動態(tài)偏心，引起軸封和隔板汽封腔中沿周向蒸汽壓力分布不均勻，產生一個垂直于轉子偏移方向的合力，使轉子運動趨于不穩(wěn)定。③作用于轉子上的蒸汽力。由于缸體進汽方式的影響，高壓蒸汽產生一個作用于轉子的蒸汽力，造成轉子流通部分間隙的變化。此蒸汽力的大小和方向受各噴嘴開啟順序、開度所影響。汽輪機的調節(jié)級由于承受噴嘴噴出的高溫高壓蒸汽，該處的蒸汽溫度、壓力、速度和密度最大。該處是部分進汽，且在不同工況各噴嘴的汽流流量不同，該級的汽流激振力是引起汽輪機振動的重要因素。不同工況汽門噴嘴開啟情況不同，本機有4個噴嘴，在均勻進汽的情況力激振力較小，在進汽不對稱且不均勻的情況下，激振力的大小和方向變化劇烈，容易引起振動。

汽流激振對負荷比較敏感，發(fā)生在高壓轉子或高中壓轉子上。產生的低頻振動以接近0.5倍頻分量為主，嚴重時與轉子一階臨界轉速相吻合。

根據振動的特征，判斷由于調節(jié)蒸汽分配造成的汽流激振，在低速情況下對轉子影響不大，但在過臨界之后，激振力突然增大，機組處于失穩(wěn)狀態(tài)，出現(xiàn)轉子碰磨，加劇了機組振動。

3 檢修處理

解體機組高壓調節(jié)閥后，4號噴嘴閥頭脫落，閥蝶螺紋損壞，該閥頭由螺紋固定在閥蝶螺栓上，同時用銷釘鉚牢，由于該閥頭處于蒸汽進口，受到沖擊較大，由于長期運行銷釘松動脫落，該閥頭從閥蝶螺栓上松脫。汽閥配置示意圖如圖1所示。

圖1 汽閥配置示意圖

由圖1得知，查機組資料得知該汽輪機調節(jié)閥共有4個閥頭，其中1號閥頭閥徑50 mm，2號閥頭閥徑56 mm，3號閥頭閥徑56 mm，4號閥頭閥徑45 mm。1號閥頭升程3 mm(即調節(jié)閥行程達到3 mm時該閥頭開始動作，以下同理)；2號閥頭升程12 mm；3號閥頭升程18 mm；4號閥頭升程23.5 mm。隨著負荷的增加，閥頭順序打開，在汽輪機單試過程中，由于負荷較小，根據汽閥配置圖我們得知僅有1號閥頭打開，而4號閥頭脫落失效，導致調節(jié)級配汽嚴重不平衡，隨著轉速的提高，輪室內的壓力升高，不平衡力矩越來越大，轉子失穩(wěn)，出現(xiàn)了動靜摩擦，加劇了機組的振動。

對閥頭和閥蝶螺栓更換新件，并將閥頭與固定銷用氬弧焊點死，同時將其它三個閥頭與固定銷點焊處理，消除了隱患。

由于開車進度原因，檢修后開車直接帶壓縮機啟動，暖機時前軸承via163和后軸承via165振值均在15 μm左右，過臨界后各軸承振值在20～24 μm，機組進入正常運行區(qū)后，各軸承振值在23～29 μm，檢修效果較好。

4 結束語

汽輪機在運行過程中，不僅要承受汽流的作用力和由葉片、葉輪本身離心力所引起的應力，而且承受著由溫度差所引起的熱應力等多種作用力，因此汽輪機的振動在所難免。要獲得正確的振動故障診斷，要認識機組的振動特征規(guī)律，收集振動數據，進行仔細的分析和推理，才能對汽輪機振動故障作出準確的判斷。

2017-04-10

高明亮(1975-)，男，高級工程師，從事化工設備方面管理工作，電話：13721728230。

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