汽輪機和空氣壓縮機聯動試車振動異常原因分析和處理

張成　徐廣磊

摘 要：汽輪機和空氣壓縮機聯動試車振動過大會導致無法正常開車。由此，本文進行了兩次聯動試車，探討汽輪機和空氣壓縮機聯動試車振動異常的原因，最后提出改進處理方案，分析運行效果，并總結經驗，以期為其他學者的研究提供借鑒。

關鍵詞：汽輪機;空氣壓縮機;聯軸器;振動

中圖分類號：TK268.1 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）25-0073-03

Analysis and Treatment of Abnormal Vibration in Combined

Test Run of Steam Turbine Air Compressor

ZHANG Cheng XU Guanglei

（Kaifeng Air Separation Group Co.， Ltd.，Kaifeng Henan 475000）

Abstract： The vibration of turbine and air compressor linkage test run is too large， which leads to failure of normal start-up. Therefore， this paper had carried out two times of linkage test run to explore the causes of vibration abnormality in the linkage test run of steam turbine and air compressor. Finally， it put forward the improvement scheme， analyzed the operation effect， and summarized the experience， in order to provide reference for other scholars' research.

Keywords： steam turbine;air compressor;coupling;abnormal vibration

在煤化工型空分設備中，汽輪機作為壓縮機的驅動裝置得到了廣泛應用。離心壓縮機的用途廣泛，是制氧、石油化工等企業的關鍵性設備。整個機組在運行過程中的軸承振動值是評估機組運行參數是否正常的一大因素，對于振動異常或者頻繁波動，若不及時處理，很可能會對軸承軸瓦造成嚴重損傷，威脅整個機組的運行狀況，導致機組不能正常運轉，因此，軸系動平衡是機組調試過程中較為重要的一個環節。

本文以2013年山西天柱山化工廠14000空分設備空氣壓縮機組耗時3個月的聯動試車調試過程為案列來分析軸系動平衡的重要性。

1 一次聯動試車過程

山西天柱山化工廠14000空分設備現場配套1臺型號為DA1640-41型空氣壓縮機和NH32/03型汽輪機，均為國產制造，聯軸器由沈陽某大型聯軸器制造商生產[1]。本項目由于工期延期，導致聯軸器緊固件部分缺失和膜片型號與說明書不符，待重新更換后，開封空分集團有限公司設計研究院技術人員建議用戶將聯軸器返廠做高速動平衡校正，但用戶未聽取建議而僅在太原做了低速動平衡測試校正。待聯軸器返回，開封空分集團有限公司設計研究院技術人員發現聯軸器緊固螺栓和自鎖螺母被嚴重磨損，并且配重塊焊接位置不合理等，隨即和聯軸器廠商溝通商討聯軸器當前的可用性。廠商則建議更換被磨損件并要求將聯軸器返廠重新做高速動平衡測試校正，但用戶仍未聽取建議，堅持按計劃繼續做聯動試車。

2019年5月4日，汽輪機和空氣壓縮機按照原計劃初次聯動試車。升速過程中，汽輪機轉子振動值持續穩步增長。在汽輪機轉速約為4 800r/min時，前軸承振動值VE735、VE736和后軸承振動值VE737、VE738均超過規定停車值100μm，汽輪機立即“拍停”[2]。儀控人員檢查儀表排線情況，排除儀表干擾等其他原因，確定汽輪機振動值數據準確。因聯動試車之前汽輪機單獨試車時軸振動值都在設計指標范圍內，現場多方技術人員經過研究討論，一致認為機組軸系動平衡問題可能性較大，需要進行現場動平衡校正。

之后汽輪機廠家委派專家到現場，于5月10日再次聯動試車，并開始對機組做現場動平衡校正，用頻譜分析儀從控制箱派利斯TM0180前置器端子進行數據采集，捕捉汽輪機在振動瞬間的振動數據。5月10日上午11：00開始，經過初次的聯軸器兩端試重校正和幾次配重校正后，約到下午15：00，發現現場校正后效果并不理想，汽輪機前后軸承振動并未減小，相反有增大的趨勢。停止調校后，現場技術人員研究討論是否校正動平衡方向搞錯的可能性。下午16：00，校正測試重新開始，校正結果為轉速3 500r/min左右，汽輪機前后軸承振動值穩定在65μm左右，但等汽輪機繼續沖轉升高轉速約為6 000r/min時，前軸承兩個測點振動過大，均超過設計報警點，空氣壓縮機除低壓側軸承測點振動值接近50μm外，其余軸承測點均顯示在正常范圍內。研究分析發現，汽輪機的振動值VE735、VE736形成的軸心軌跡為橢圓形，則表示主要是轉子本身不平衡造成;而振動值VE737、VE738形成的軸心軌跡為不規則圖形，有毛刺和尖頂，則說明是轉子有碰磨情況發生而導致的，轉子軸心軌跡采樣分析示意圖如圖1所示。

2 一次聯動試車停車的原因分析

停機后，各方專家經過多次分析討論，認為造成汽輪機前軸承振動值過大的原因有如下幾種可能。

第一，汽輪機轉子本身的動平衡可能存在問題。據現場工作人員反映，汽輪機單獨試車時電動盤車工具曾出現機械故障，盤車工具嚴重磕碰轉子本身。

第二，聯軸器本身動平衡有較大問題。在現場動平衡校正測試結束后，開封空分集團有限公司設計研究院技術人員通過對空氣壓縮機和汽輪機對中數據進行復校，發現汽輪機和空氣壓縮機兩端面平行度是0.04mm，外圓徑向跳為0.16mm。這個數據在聯軸器的膜片補償系數之內，因此不會對汽輪機的振動造成影響。此外，頻譜分析顯示，振動以一倍工頻為主，排除因對中因素造成振動過大的原因。因此，聯軸器本身動平衡問題很可能是破壞軸系動平衡、引起汽輪機前軸承振動大的主要原因之一。

第三，開封空分集團有限公司設計研究院技術人員在現場發現聯軸器墊圈尺寸有誤，經現場機械修磨加工后，技術人員要求對聯軸器再重做動平衡，同時要求更換做動平衡的測試廠家，但用戶沒有聽取建議，堅持繼續聯動試車。這也是造成聯動試車振動過大的主要原因之一。聯軸器墊圈如圖2所示。

第四，針對現場動平衡效果不理想的情況，技術人員根據試車日志和數據分析，并且和聯軸器廠家溝通數次后，認為聯軸器雖然經過兩次動平衡校正，但都是在低速狀態下做的動平衡校正，并未按照聯軸器制造商要求在額定轉速（6 870r/min）下做高速動平衡校正，特別是用戶第一次單獨找有關單位做低速校正動平衡后，聯軸器緊固螺栓和螺母已經被嚴重磨損，實際已經不能再繼續使用，很可能導致高速動平衡狀態并不穩定，從而影響機組軸系動平衡狀態，因此導致汽輪機升速時還未達到額定轉速就因振動值達到高限報警[3]。根據整個機組運轉情況，技術人員建議將聯軸器做返廠檢查，并做高速動平衡校正。

3 二次聯動試車

5月中旬，聯軸器被返廠進行整修并更換必要緊固件及膜片，同時做高速動平衡校正。5月29日重新進行現場聯動試車，其間，聯軸器廠家亦派專家指導現場動平衡工作。表1為當日聯動試車機組軸承振動情況記錄。

此次返廠，高速動平衡校正并沒有取得任何效果。由以上數據可以看出，在汽輪機轉速為3 500r/min時，汽輪機前軸承振動值最高是104μm，達到停機報警值，后軸承振動值最高達到77.5μm，也達到報警值。此外，頻譜分析顯示，其振動能量一倍頻占其能量的95%以上，工頻為主要峰值，說明主要原因為轉子本身不平衡導致，所以要解決帶負荷的動平衡問題[4]。轉子軸心軌跡示意圖如圖3所示。

4 二次停車的原因分析

綜上所述，汽輪機前后軸振動值增大的同時，空氣壓縮機低壓端軸振動值也隨之加大，具有聯動效應，可以確定機該機組的軸系動平衡問題很嚴重。

第一，在現場聯動試車結束后，技術人員分別對汽輪機組和空氣壓縮機組進行拆機檢查。經過對空氣壓縮機機身流道進行檢查，發現空氣壓縮機機體一級蝸殼蝸舌處有因鑄造原因而多出的多余結構，如圖4所示。

此處多余結構嚴重堵塞了氣體流出蝸殼的流道，使得經過一級葉輪的壓縮氣體在多余結構處產生亂流和堆積，并造成壓力過高，不斷沖擊蝸殼本身機體，這也是造成空氣壓縮機一級（低壓端）軸振動偏大的原因之一。

第二，擴壓器頂部與隔板間的間隙尺寸和各級葉輪出口處與擴壓器進口交界處的寬度差有些偏差，按照設計人員圖紙要求，此處交界處的寬度誤差太大，如圖5所示。

技術人員經研究分析得出，擴壓器隔板制造時由于加工誤差導致組裝時和原設計尺寸偏差過大，并且在安裝時技師并未進行磨合修正，這樣經四級擴壓器出口處氣體在流經此處流道時，因為有此誤差造成的機體阻礙同樣會造成氣體亂流現象和不斷沖擊機殼本身造成振動。

第三，一級蝸殼由于被設計為上下分體式，拆機開蓋檢查后發現上下蝸殼結合面有較大錯位，氣體流經上下結合面處會造成亂流或沖擊機體本身的問題。

第四，綜合波形頻譜圖綜合判斷，汽輪機轉子和聯軸器本身應該有有較大的動平衡問題。

5 改進處理方案

6月中旬，根據兩次聯動試車情況，技術人員認為聯軸器本身動平衡問題嚴重，決定更換新聯軸器，并要求汽輪機廠家將汽輪機轉子也做返廠高速動平衡校正。在新聯軸器加工生產期間，空氣壓縮機轉子、汽輪機轉子各自返廠進行高速動平衡調校。對于空氣壓縮機一級蝸殼流道局部多余結構進行切除修補，蝸殼分體下機殼和各擴壓器隔板則按照圖紙要求進行現場修磨，蝸殼分體上機殼須返廠進行機械加工整修。

6 運行效果

7月初待安裝好新聯軸器，就位做好高速動平衡的空氣壓縮機轉子和汽輪機轉子，重新校正機組對中數據，使之符合設計要求。7月底準備工作就緒后，機組一次性聯動開車成功，汽輪機和空氣壓縮機各項振動指標均達到設計要求。

7 經驗總結

空分設備的原料壓縮空氣由空氣壓縮機組提供，機組運行效果直接影響空分設備產品產量。日常運行中，維護人員需要密切注意壓縮機組各運行參數的變化，尤其是軸系各軸振動值的變化趨勢。技術人員應根據不同的軸振動值工況，認真分析其產生的原因，避免隱患擴大，以免造成機組故障停車或者設備損壞，為盡快恢復機組正常運行提供正確的對策解決方案。

參考文獻：

[1]A.麥約爾.機器與汽輪機基礎的振動分析與設計[M].張有齡，譯.北京：中國工業出版社，1966.

[2]S.P.鐵木森科.機械振動學[M].翁心惘，徐華舫，譯.北京：機械工業出版社，1963.

[3] M.P諾頓.工程噪聲和振動分析基礎[M].盛元生，顧偉豪，韓健民，等譯.北京：航空工業出版社，1993.

[4]施維新.汽輪機工作轉速下轉軸碰磨振動特征及其診斷[J].河北電力技術，1994（3）：1-19.