S109FA型單軸燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組臨界轉(zhuǎn)速軸振異常分析和處理

葛建春

(福建晉江天然氣發(fā)電有限公司，福建 晉江 362251)

GE公司的S109FA單軸燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組軸系主要由燃氣輪機轉(zhuǎn)子、負荷短軸、汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子、汽輪機低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子等組成，如圖1所示，其中1～5為可傾瓦軸承，6～8為橢圓瓦軸承，推力軸承位于1號軸承處，只有1號和2號軸承有頂軸油。對于兩班制調(diào)峰運行的機組，由于軸系長達42 m，經(jīng)常發(fā)生因軸承油膜失穩(wěn)、軸系不對中、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、動靜碰磨等造成的振動故障，嚴重影響機組的安全可靠運行。

圖1 軸系布置

本文主要研究了一起在正常停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3號軸承軸振異常偏大的故障案例，通過采取調(diào)節(jié)潤滑油溫度、軸系找中、調(diào)整軸承標高、全速空載等待、轉(zhuǎn)子平衡配重等方法探索臨時措施和根本處理方案，并進行原因分析和總結(jié)，為處理和避免類似故障積累經(jīng)驗。

1 機組振動現(xiàn)象

某燃氣電廠一期工程裝配四臺S109FA單軸燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，機組在投產(chǎn)初期啟停和滿負荷運行過程中各軸承振動情況良好，運行2年后，其中2臺機組頻繁發(fā)生停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動大故障，且隨運行時間增長而不斷惡化，如圖2和3所示，主要表象為：

(1) 滿負荷工況時各軸承軸振一般不大于0.10 mm，啟機至臨界轉(zhuǎn)速工況時各軸承最大軸振一般不超過0.15 mm。

(2) 停機至二階臨界轉(zhuǎn)速工況時，3X軸振大于0.20 mm，3Y及其它軸承軸振不大于0.10 mm，各軸承瓦振和瓦溫數(shù)據(jù)未發(fā)生明顯異常。

(3) 停機至二階臨界轉(zhuǎn)速工況時，3X軸振主要是一倍頻分量，且高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)軸承振動相位基本相同。

(4) 停機至二階臨界轉(zhuǎn)速工況時，3X偏大問題與機組冷熱態(tài)啟機運行方式無直接關(guān)聯(lián)。

圖2 停機降轉(zhuǎn)速過程3X軸振圖

圖3 停機降轉(zhuǎn)速過程3Y軸振圖

2 振動影響因素試驗研究

為避免故障進一步惡化，從以下幾方面進行探索性研究查找問題原因，并適時采用有效的臨時措施，為徹底根除故障爭取時間和積累分析數(shù)據(jù)。

2.1 改變潤滑油溫度

表1為潤滑油溫度對4號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響。從表1可以看出：

(1) 潤滑油溫度降低約3 ℃，3X升高0.006 mm；潤滑油溫度升高4.5 ℃，3X降低0.012 mm。因此，相同溫升和溫降時，提高溫度對3X影響更大。

(2) 停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時，3X振動大，3Y振動小，說明軸頸在3號軸承內(nèi)沿X方向偏移較大，此時X方向油膜增厚，若提高潤滑溫度，可降低X方向油膜厚度，從而降低X方向振動，Y方向振動基本不變。

(3) 油溫調(diào)整不易太高，一方面可能會引起軸承溫度高造成潤滑油油質(zhì)老化，另一方面可能會降低油壓影響潤滑效果。因此，通過提高油溫降低停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動的措施是受限的，效果也不佳。

表1 潤滑油溫度對4號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響

注：1) 機組正常停運時潤滑油溫度為49 ℃；

2) 潤滑油壓等參數(shù)未做調(diào)整。

2.2 停機解列至全速空載等待

表2為全速空載時長對3號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響。從表2可以看出：停機解列至全速空載等待時間越長，降速至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X和3Y振動下降幅度越大，效果越明顯。

表2 全速空載時長對3號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響

注：機組正常停運時潤滑油溫度、壓力等參數(shù)未做調(diào)整。

2.3 軸系找中

表3為軸系找中對4號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響。從表3可以看出：

(1) 第一次軸系找中后，停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X增大；第二次軸系找中后，停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動有小幅下降，但點火運行23次至2014年6月18日停機時達到0.185 mm，之后至下次找中前一直維持在0.180～0.210 mm；第三次軸系找中基本沒有效果。

(2) 啟動和正常運行過程中，各軸承瓦溫和振動均正常，軸系不對中不是停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動大問題的根本原因，找中效果也不明顯，如果找中不當可能會加劇3X振動幅值。

表3 軸系找中對4號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響

2.4 調(diào)整軸承標高

表4為調(diào)整軸承標高對3號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響。從表4可以看出：

(1) 調(diào)整3號軸承標高主要是增加負載，油膜厚度變薄，油膜剛度增大，可以暫時降低停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動，隨著運行時間增長會繼續(xù)惡化。

(2) 調(diào)整3號軸承標高要從軸系的負荷分配角度綜合進行考慮。如在2016年6月22日熱態(tài)啟動過程因4號軸承振動大跳閘，再次對4號軸承進行標高調(diào)整才暫時緩解振動故障。

表4 調(diào)整軸承標高對3號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響

2.5 燃氣輪機轉(zhuǎn)子配重

在燃氣輪機未揭缸檢修的情況下，一般在透平三級動葉輪盤配重，如圖4的③位置。在機組未檢修的情況下，一般在負荷短軸中間配重，如圖5的④位置；或在靠近汽輪機側(cè)的靠背輪配重，如圖5的⑤位置。

圖4 燃氣輪機透平轉(zhuǎn)子配重示意圖

圖5 負荷短軸配重示意圖

表5為燃氣輪機轉(zhuǎn)子配重對3號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響。從表5可以看出：燃氣輪機三級動葉輪盤配重(圖4的③位置)和負荷短軸中間配重(圖5的④位置)可適當降低停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動，但可能會對定速滿負荷工況下各軸承振動產(chǎn)生不利影響，效果不明顯。

表5 燃氣輪機轉(zhuǎn)子配重對3號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響

注：1) 燃機三動輪盤一次配重：③加552g∠330°；

2) 燃機三動輪盤二次配重：③拆552g∠330°，③加690g∠260°；

3) 負荷短軸中間配重：④加232g∠300°。

3 振動原因分析

通過上述大量試驗和頻譜分析，基本排除油膜渦動、軸系不對中、燃氣輪機轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡等因素對停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X軸振的影響。考慮到停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時，1號和2號軸承軸振較小，3號軸承軸振較大，且高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)軸承振動相位基本同相，初步推斷故障原因是由于高中壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起。

4 汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子動平衡試驗

汽輪機在未揭缸檢修的情況下，一般在兩側(cè)和中間位置配重，如圖6所示，其中⑥和⑧是兩側(cè)配重位置，⑦是中間配重位置。

圖6 高中壓轉(zhuǎn)子配重示意圖

4.1 高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)配重

表6為高中壓兩側(cè)配重對4號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響。從表6可以看出：在汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)配重(圖6的⑥和⑧位置)，可以暫時降低停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動，且振動幅值下降有限；隨運行時間增長，停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動會持續(xù)惡化至報警甚至跳閘。

表6 高中壓兩側(cè)配重對4號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響

注：1)“FS”指點火啟動次數(shù)；

2)第1次配重：⑥和⑧各加350g∠200°；

3)第2次配重：⑥和⑧各加500g∠128°；

4)第3次配重：⑥和⑧各拆500g∠128°，⑥和⑧各加272g∠254°。

4.2 高中壓轉(zhuǎn)子中間配重

表7為高中壓中間配重對4號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響。從表7可以看出：在汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子中間配重面配重(圖6的⑦位置)，可以較大降低停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動幅值，對其它軸承在啟停機及定速工況下的軸振無明顯影響，且不會隨運行時間增長而惡化，說明此方案才是消除故障的根本措施。

表7 高中壓中間配重對4號機臨界轉(zhuǎn)速3號軸振影響

注：1) “FS”指點火啟動次數(shù)；

2) 配重：⑦加554g∠250°。

4.3 原因分析

由于停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動大是由于汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子不平衡造成，且不平衡力位于高中壓轉(zhuǎn)子中間部位，當在高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)進行配重時，配重面和失衡面不重合，在3個力的作用下，隨著運行時間增長，轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)越來越大的彎曲變形，從而導致臨界轉(zhuǎn)速下振動越來越大，如圖7所示。當在高中壓轉(zhuǎn)子中間面配重時，則會避免轉(zhuǎn)子彎曲變形，從而徹底根除故障。

圖7 轉(zhuǎn)子彎曲變形示意圖

5 結(jié)語

(1) 軸系找中、燃氣輪機三級動葉輪盤配重、負荷短軸配重等方式基本無法有效降低停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動，有時反而會惡化，甚至會影響其它工況下各軸承振動。

(2) 延長停機解列至全速空載時長可以降低停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動，由于全速空載會造成天然氣和電量消耗影響經(jīng)濟性，只能作為應急臨時措施。

(3) 調(diào)整3號軸承標高可以作為臨時措施降低停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動，但也可能會引起相鄰軸承負荷分配發(fā)生變化造成其它振動異常，因此要綜合考慮進行軸系標高調(diào)整。

(4) 提高油溫和抬高3號軸承標高都是增加3號軸承負載，油膜厚度變薄，油膜剛度增大，降低停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動。提高油溫效果相對不明顯，一是受油溫提升幅度限制；二是提升油溫對所有軸承影響是同步的，而抬高3號軸承標高主要影響3號軸承。

(5) 在高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)配重可以緩解停機至二階臨界轉(zhuǎn)速時3X振動，由于配重面與失衡面不重合造成轉(zhuǎn)子彎曲變形加大，導致故障重復發(fā)生。

(6) 在高中壓轉(zhuǎn)子中間配重面進行動平衡可以根除故障，因此盡量在轉(zhuǎn)子失衡面進行配重。