一拖二空壓機組振動狀態監測分析與故障處理

孔光躍

（神華鄂爾多斯煤制油公司，內蒙古鄂爾多斯 017209）

0 引言

近5年來隨著國家煤化工產業的發展，煤氣化技術大量應用，為氣化爐提供正常生產所需氧氣的空分（制氧）裝置中壓縮機組的安全平穩運行的重要性凸顯。某公司為殼牌粉煤氣化裝置配套的2套空分裝置50 000 Nm3/h（O2），壓縮機組全部進口，空氣/氮氣增壓壓縮機組采用一拖二（主空壓機與增壓機采用同一臺超高壓全凝式蒸汽透平驅動）布置，汽輪機（型號DK080/170R，額定功率43291 kW，工作轉速4597 r/min，蒸汽壓力/溫度9 MPa/530℃），主空壓機（型號RIKT125-4）與增壓氮氣壓縮機（型號RG45-5）、增速箱（型號TSQ110SX）分別位于汽輪機兩側。

空分裝置進口一拖二空壓機組自從2008年開車以來一直運行較平穩，但是從2014年開始，2套進口機組陸續在運行中出現異常，主要表現為：汽輪機軸承振動高、循環氮壓機軸承振動超標等導致聯鎖停機次數增多，對生產及機組安全造成威脅。通過對機組的運行狀態進行跟蹤監測，結合機組運行工藝參數，從振動角度對機組進行了全面的綜合分析，制定了相應的治理措施并取得了良好的效果。

1 機組運行狀況

該進口機組2008年開車以來已經運行6 a沒有進行過大修。110單元汽輪機2014年7月21日開始，高壓側VXI1176測點振動值上升至（30～40）μm 并有上漲趨勢，之前（18～25）μm；2015年8月30日，該機組因儀表故障聯鎖停機，再次開車后汽輪機振動值仍維持較高狀態，而且出現不定期、無規律的異常波動。該汽輪機的4個軸承振動監控點報警值為60 μm，聯鎖停機值為80 μm。2016年5月起，汽輪機軸承振動波動時4個測點振幅都有不同程度升高，測點VXI1176/VXI1179的漲幅較大，VXI1176最高振幅達到93.7 μm。同時，該機組氮壓機第五級壓縮機振動也多次發生超過報警值并接近聯鎖值的情況。

2 狀態監測及故障診斷理論

2.1 狀態監測定義

狀態監測其實就是指針對運行設備可以對其狀況進行連續測量的儀器，以及對設備過去和現在狀態進行記錄的技術，而故障診斷則是指對設備的運行狀況（正常與否）和趨勢進行分析判斷，并且給出相應的治理對策和建議的過程。

狀態監測的最終目的是對設備運行狀態（是否正常運行）進行判斷，在發現異常情況時可以實施停車跳閘、報警等操作；故障診斷是針對設備的技術狀態進行鑒別，確定其正常情況，在發現故障后對其性質、發生位置進行確認，給出故障起因的同時對故障的趨勢進行預報，從而給出針對性的排除建議或者方法。

在設備診斷過程中，兩個最為關鍵的過程就是狀態監測、故障診斷，兩者相互區別又緊密聯系。針對靜止或者運行的設備獲取其狀態信息，在分析、處理這些狀態信息后再與設備歷史狀況相結合，以此對設備技術狀態進行定量掌控，對設備的壽命進行預測，在技術層面為設備的運行、維修提供支持。

通過利用多種方法獲取設備的狀態信息，當下使用較廣泛、普遍的一種方法就是振動監測與診斷。當內部出現異常后，機器便會發出異常的聲音和振動，其性能也會受到影響，發生變化。利用測量、分析機械振動信息的方法，在不解體甚至不停機的狀況下便可判斷出設備出現故障的性質，以及劣化的具體位置。振動測技術與儀器發展相對較為成熟，已經在經濟、社會中得到了廣泛應用，創造了較為可觀的效益，備受企業青睞。

2.2 設備狀態評價

對設備進行簡易診斷時，設備狀態評價是其中較為關鍵的一項內容。它主要是基于特定的振動方法或者標準，對設備所處狀態進行判斷，確保設備的正常運行，同時也為故障的定位和解決提供支持。設備振動特性存在的差異性較為顯著，所以在相似的運行情況下，不同設備所表現出的振動水平差異性也較為明顯。在一臺設備上，振動水平可能具有較好的效果，然而在其他設備上可能會造成嚴重后果，為此，設備不同，使用的振動標準也有所區別。實際工作時可以利用諸多方法實施和完成設備狀態評價標準的構建，其中趨勢圖、類比判斷、振動標準等方法最為普遍。

2.3 頻域分析方法

通常會在域中分析和處理信號，比如頻率、時間、幅度等，同樣是觀察和分析信號，但是它們的出發點和角度有所不同，對應的處理方法分別稱為頻域分析、時域分析、幅域分析等。為對設備的狀態進行更為及時準確的判斷，對故障進行準確的診斷，首先要對相關于設備狀態的物理量有一定的了解，特別是其在時間上表現出的變化規律。

在大型旋轉機械中，使用最多的方法是頻域分析法，功率譜、幅值譜是頻譜中最為常見的，前者表示隨著振動頻率的變化，振動功率所對應的分布情況，有著較為明確的物理意義；后者主要針對各頻率的諧波，表示其振動分量具有的振幅，主要特點是直觀性較強。頻譜分析的作用和目的是正確分解信號中所包含的各個頻率成分。設備故障診斷過程中，使用最多的一種信號處理方法是頻譜分析，它以頻譜分析法為基礎。傅氏變換是最常見也是使用最廣泛的變換方法，利用該方法可以方便地分解復雜信號，進而得到無限或者有限個頻率的簡諧分量，故障信息間存在著較為清晰的關系。

2.4 設備故障診斷

設備故障診斷是指設備在運行中或者在基本不解體設備的情況下，對設備故障的性質、原因、部位、程度等進行識別診斷，并提供維修維護措施。分為簡易診斷和精密診斷2個層次簡易診斷即設備的“健康檢查”。具體實施時，往往監測設備的某一個特征量，根據量值的范圍判斷設備是正常還是異常。如果對設備進行定期或連續監測，便可以得到一些有規律的東西，并借此進行預測或預報。簡易診斷的作用是監測和保護，目的是對設備的狀態做出迅速而有效的概括和評價。精密診斷是在簡易診斷基礎上更深層次的診斷，通常需要更多的信息，目的是判斷故障的性質、原因、部位、程度等，并提供設備檢修或治理決策。

3 狀態監測分析

該機組是由曼透平公司提供的由1臺汽輪機驅動、1臺單軸主空壓機和1臺多軸增壓機組成。汽輪機配置了2個徑向軸承和1個推力軸承，主空壓機配置了2個徑向軸承和1個推力軸承，增壓機配置了10個徑向軸承和2個推力軸承。軸振動、軸位移和鍵相以及增壓機殼體振動由本特利振動探頭加派利斯變送器測量。

3.1 振動平穩時振動特征

汽輪機4個測點振動頻率以工頻為主，1X、2X工頻值較大（圖1）。

如圖1a所示，汽輪機1X振動通道頻譜中以工頻為主，且較大，存在少量低倍頻成分。

如圖1b所示，汽輪機1Y振動通道頻譜中以工頻為主，存在少量低倍頻成分。

如圖1c所示，汽輪機2X振動通道頻譜中以工頻為主，存在少量低倍頻成分。

如圖1d所示，汽輪機2Y振動通道頻譜中以工頻為主，存在少量低倍頻成分。

從圖2波形圖中可以看出，汽輪機波形中存在毛刺。從圖3軸心軌跡圖中可以看出，汽輪機高壓側軸心軌跡重復性不好。

3.2 振動增大時振動特征

從圖4中可以看出，汽輪機4個測點振動頻率以工頻為主大，測點1X、2X工頻值較大。對比發現，34.18 Hz頻率（0.45倍頻）增大明顯，工頻也有所上漲。

從圖4a中可以看出，汽輪機1X振動通道頻譜中以工頻為主，且較大，存在少量低倍頻成分。對比圖1發現34.18 Hz頻率（0.45倍頻）增大明顯，工頻也有明顯上漲。

從圖4b中可以看出，汽輪機1Y振動通道頻譜中以工頻為主，存在少量低倍頻成分。對比發現，34.18 Hz頻率（0.45倍頻）增大明顯，工頻也有明顯上漲。

圖1 振動平穩時4個測點頻譜

從圖4c可以看出，汽輪機2X振動通道頻譜中以工頻為主，且工頻較大，存在少量低倍頻成分。對比發現，34.18 Hz頻率（0.45倍頻）增大明顯，工頻也有明顯上漲。

從圖4d中可以看出，汽輪機2Y振動通道頻譜中以工頻為主，存在少量低倍頻成分。對比發現，34.18 Hz頻率（0.45倍頻）增大明顯，工頻也有明顯上漲。

從波形圖中可以看出，汽輪機振動通道波形中存在毛刺（圖5）。從軸心軌跡圖可以看出，汽輪機高低壓側軸心軌跡重復性不好（圖6）。

圖2 振動平穩時通道波形

圖3 振動平穩時低壓側軸心軌跡

4 狀態監測分析結論

通過以上分析，可得出如下結論：

（1）觀察現場振動趨勢，發現振動的波動有很強的規律性，并且波動幅度比較大。根據現場的振動趨勢特征，初步排除汽輪機轉子本身不平衡所導致振動波動。

（2）在測試過程中，振幅值有近10 μm的波動。通過頻譜對比觀察，引起振動的頻率由34.18 Hz（0.45倍頻）低頻及工頻共同作用引起。

（3）通過觀察波形圖發現，4個通道的波形圖中均存在一定毛刺現象，甚至存在削波情況。根據這一特征，懷疑汽輪機轉子與定子間存在一定的碰摩現象。

（4）觀察測試中的軸心軌跡發現，軸心軌跡重復性差，懷疑汽輪機轉子持續受到外部激振力擾動，可能存在摩擦力。

（5）根據現場實際情況并結合測試頻譜分析，初步懷疑汽輪機振動突跳主要與轉子受到摩擦力擾動有關。由于該汽輪機運行已經有8 a，懷疑在汽輪機各汽封間隙較小處存在污垢、油煙等積累，導致動靜部件間隙變小，出現間歇性的摩擦現象。摩擦導致轉子局部受熱，形成局部熱彎曲，以致在頻譜中出現低頻及工頻成分增大的現象。當振動達到一定值，積累的污垢減少，間隙變大在汽輪機未進行任何調整的情況下，振值自動恢復原態。

圖4 振動增大時4個測點振動頻譜

圖5 振動增大時通道波形

圖6 振動增大時軸心軌跡

（6）盡快做好檢修計劃，對汽輪機內部的間隙進行檢查，同時由于轉子的工頻能量比較大，對汽輪機轉子進行高速動平衡，以保證長周期穩定運行。

（7）氮壓機第5級軸振動的原因是不平衡引起。大修期間對第4、第5級轉子及葉輪進行高速動平衡。

5 故障處理

5.1 拆檢情況

由于全廠停工給空分裝置檢修時間有限，同時為節省外商現場服務費用，結合振動監測分析的結論，制定了明確、有針對性的檢修計劃：對汽輪機轉子和氮壓機高速動平衡；檢查軸瓦磨損；復查機組同心度。

5.1.1 汽輪機部分

2016年9月20日12：58，110單元停工。9月26日開始拆檢汽輪機，拆除內缸后進行全面的檢查情況如下。

（1）汽輪機末級配重塊有沖蝕，成齒形缺失

（2）4#進汽筒上部的第一層密封環沖蝕嚴重，部分已缺失。

（3）低壓側軸封處的汽封片較多存在歪、倒的現象，高壓側軸封處汽封片較好。

（4） 低壓側軸承箱油封上集聚大量油污，與軸有摩擦痕跡（圖 7）。

（5）沖動級后轉子及定子上的汽封片損傷、脫落的較嚴重，其余各級及平衡鼓處的汽封片較好（圖8）。

（6）汽輪機動、靜葉片結垢普遍（圖9）。

（7）汽輪機高、低壓側徑向瓦情況較好，付推力瓦及主推力瓦下半部分瓦塊較好，但主推瓦上半部分6塊瓦局部有發黑現象，初步判斷是因局部高溫輕微積碳引起。

圖7 油封油泥聚集

圖8 沖動級后轉子汽封片

圖9 汽輪機葉片結垢

5.2 修理及更換情況

（1）汽輪機轉子外送做高速動平衡。轉子上更換了5道損壞的汽封片（一級后3道、二級和三級后各1道），清理積垢。10月9日，轉子及內缸到達現場回裝。

（2）更換汽輪機高壓缸沖動級后的3道汽封片。

（3）更換轉子末級被沖蝕的動平衡塊。

（4）更換轉子盤車齒輪。

（5）清理低壓側油封處積聚的油泥等雜物，按標準調整油封間隙。

（6）其余部件按照常規檢修進行。

5.3 檢修后運行

110單元一拖二機組于10月19日13∶55，汽輪機開機，汽輪機各軸承部位振動值在17 μm左右，第4、第5級氮壓機轉子振動值在10 μm左右。

6 結論

通過對空壓機組的振動頻率分析，結合機組使用的年限，初步判斷汽輪機振動突跳主要與轉子受到摩擦力擾動有關。再通過拆檢檢修，發現汽輪機部分和增壓機部分多處存在摩擦嚴重、閉合不好的情況，經處理，機組的振動情況有了明顯的下降，取得了明顯的效果。上述故障經正確處理后，保障了機組安全平穩運行，是一個用狀態監測和振動分析方法對機組進行數字化管理和指導檢修的成功案例。