給水泵汽輪機間歇性振動故障的分析與診斷

邊技超，白雅賀,2，高　倩

(1. 中國能源建設集團北京電力設備總廠有限公司 特種工業汽輪機廠，北京 102401；2. 華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206)

0　概　述

目前，大部分發電廠的鍋爐給水泵均采用汽輪機拖動。相比于電動機拖動而言，汽輪機拖動給水泵可減少廠用電，提高機組的熱效率，提高給水泵運行的可靠性及減少投資額[1，2]。給水泵汽輪機的穩定運行，直接關系到整個發電機組安全及高效運行。高速旋轉設備的非線性振動，包括半速渦動、低頻振蕩、碰摩等故障，將嚴重影響機組的穩定運行。高速旋轉設備發生碰摩等故障后，輕則導致汽封、油檔等部件的磨損，縮短部件的使用壽命、降低汽輪機效率，嚴重時，則會導致葉片斷裂、主軸彎曲，甚至使整個汽輪機損壞，造成巨大的經濟損失及引發生產安全事故[3-6]。現通過研究故障實例，分析和研究給水泵汽輪機的間歇性振動狀態。根據振動的發生條件、表現特征，提出了處理故障的方法，為類似振動故障的處理，提供參考。

1　設備概況

1.1　軸系的布置

某熱電廠的主汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸抽汽凝汽式汽輪機，配套的鍋爐給水泵動力源是給水泵汽輪機。

給水泵汽輪機與給水泵組成的軸系結構，如圖1所示。軸系中的聯軸器為撓性聯軸器，汽輪機側1號與2號軸承為固定瓦推力軸承，進油方式為侵入式。1號軸承是推力軸承與徑向軸承組成的聯合軸承。徑向軸承襯瓦表面與推力軸承工作面及非工作面上都涂有烏金，并裝有熱電阻作為溫度探頭，設置了超溫報警及報警提示。給水泵汽輪機的額定轉速，約為5 400 r/min。

圖1軸系結構示意圖

1.2　振動現象

該給水泵汽輪機于2016年初投入運行，在2016年9月，已出現間歇性振動現象。間歇性振動的波動曲線，如圖2所示。

圖2間歇性振動的波動曲線

振動時，檢測了汽動給水泵組的基本參數及運行情況。

(1)熱力參數正常。經檢查，發現進汽壓力、進汽溫度、前后軸承溫度、潤滑油溫度、單列級溫度以及汽泵入口流量、壓力等參數，均沒有發生波動。

(2)給水泵側的3號、4號振動測點，運行正常。

(3)發生振動的間隔時間無規律。發生振動的間隔時間，最短為1天，最長約為8天。

(4)發生間隙性振動時，1號軸承處測點顯示的振動幅值，明顯增加。1號測點的X方向振幅，從約20 μm增至約50 μm。1號測點Y方向振幅，從約50 μm增至約70 μm。2號軸承處測點的振幅，則有小幅下降。4個測點的具體振動值，如表1所示。

表14個測點的振動時刻及振幅值單位：μm

2　振動故障的分析與診斷

2.1　振動特征

在振動發生時，存在一些典型的振動特征，以1號測點X方向上的振幅為例進行說明。從圖3的頻譜分析可知，此時，除工頻振動之外，還存在1/2倍頻的低頻振動，以及2倍頻、3倍頻等的高頻振動。另外，在圖4的左圖中，為正常運行時的振動波形圖，右圖為振動波動時刻的振動波形圖。此時的波形圖存在輕微的削峰現象。這2種振動現象，在旋轉機械設備中，均為轉動設備與靜件發生動靜碰摩的典型特征。

圖3振動波動時刻頻譜結構圖

圖4振動波動時刻波形圖變化情況

2.2　理論分析

對于旋轉設備發生的動靜碰摩故障，可簡化為簡單的拉法爾轉子模型進行分析[7]。拉法爾轉子動

圖5拉法爾轉子動靜碰摩模型

靜碰摩的模型，如圖5所示。

根據拉法爾轉子的運動方程式，得：

(1)

式(1)中，

C—當量阻尼；

M—當量質量；

K—當量剛度；

ω—旋轉角速度；

e—偏心距。

m—圓盤質量。

通過推導式(1)，可得此模型的一階臨界轉速為：

(2)

所以，當碰摩發生時，此時的臨界轉速會升高，并可得公式：

(3)

在式(3)中：

A1—工頻振幅；

A2—二倍頻振幅；

ωc—渦動角速度。

另外，因為產生碰摩，轉子上存在沖擊力及摩擦力，這2種力都具有非線性的特性，所以，會產生一定數量的諧波分量。若產生嚴重的碰摩現象，將使轉子的運動呈現一定的混沌特性。但在實際運行過程中，大部分碰摩都屬于輕度碰摩，所以，在振動圖譜上，主要以工頻振幅的變化為主，其他頻譜的分量較少。

2.3　故障診斷及分析

根據分析，初步判斷此給水泵汽輪機轉子存在周期性的輕度徑向碰摩，而引起此類現象的發生，主要有幾個方面的原因。

(1)前、后油檔與轉子存在碰摩現象。

(2)前、后軸承與轉子存在碰摩現象。

(3)在高、低壓軸封及隔板汽封處，存在碰摩現象。

如果因軸承的磨損，導致了支撐剛度的不足，引起碰摩，將會表現為振動波動周期越來越短、振幅值越來越大。由于高低壓軸封、隔板汽封處的間隙較小、缸體受熱膨脹變形等原因引起碰摩，一般在啟機初期，就會出現碰摩，且不存在周期性的振動。所以，產生振動的最大原因，可能是由于前、后油檔與轉子發生了碰摩。

在運行過程中，前軸承箱內為微負壓狀態，很容易導致配汽機構上脫落的保溫材料、外界灰塵等雜質被吸入油檔密封齒之間的縫隙，從而形成油垢。在高溫環境下，油垢被碳化固結，當積垢過多時，將與此處的轉子發生摩擦和擠壓，從而造成振幅值的增大。而當油垢被磨平或脫落后，消除了碰摩現象，振幅值又恢復正常。如此不斷重復，導致了給水泵汽輪機的間歇性振動故障。1號軸承油檔積垢的實物，如圖6所示。

圖61號軸承油檔積垢實物圖

對機組進行C級檢修時，發現前后軸承完好，沒有碰摩痕跡。但查看前后油檔時，發現在1號軸承油檔的密封齒間，已經積滿油垢，且由于油垢過多，導致油檔底部的出油口被嚴重堵塞，潤滑油已不能通過。因此，離軸承較遠部位的積灰已呈顯干燥狀態。現場環境較差的狀態，如圖7所示。

圖7現場環境

經分析后，可判斷造成前油檔處嚴重積垢的主要原因，是油箱排煙風機處的擋板開度較大，使得前軸承箱的負壓較低，灰塵雜質被大量吸入油檔。現場環境較差，存在大量的保溫材料碎片及灰塵，為油垢的形成提供了條件。

3　處理措施

在檢修過程中，采取了一系列的措施。

(1)仔細清理了油檔處的雜物。清理后的結果，如圖8所示。

(2)制定了相應的操作規范，可長期保持現場環境的整潔。

(3)減小排煙風機出擋板的開度，從而適當調整了前軸承箱的負壓，避免雜質再次被吸入油檔。

圖8清理后的油檔

采取各項措施后，重新安裝了油檔。再次啟動機組運行，發現1號、2號的4個測點處間歇性振動已消失，并且振幅值長期保持在25～30 μm。

4　結　語

通過實例，分析了給水泵汽輪機發生間歇性振動的故障原因。根據振動發生的條件和表現特征，并給出了處理方法。

(1)發生此類間歇性振動故障，主要原因是由于間隙的調整不當、前軸承箱的負壓過大、現場環境較差，導致油檔密封齒間的油垢過多，轉子之間的間隙逐漸減小，當振幅值大于間隙值時，就會發生碰摩或摩擦。

(2)此類間歇性振動故障的表現特征，是發生振動的間隔時間不固定，振幅值不會逐漸增大或者逐漸減小。

(3)清理油檔處的油垢及雜質后，同時減小了排煙風機處的擋板開度，防止雜質再被吸入油檔，從而消除了此類間歇性的振動故障。

參考文獻:

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摘自上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠技術部《信息簡訊》第232期