某9F多聯(lián)供燃?xì)饽茉凑卷?xiàng)目配套汽輪機(jī)振動(dòng)故障分析和治理

劉袁新

摘要：本文以某9F多聯(lián)供燃?xì)饽茉凑卷?xiàng)目為研究對(duì)象，從工程實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，分析汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的碰磨故障現(xiàn)象和影響因素，提出治理方法，為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的故障分析和治理提供方案。

關(guān)鍵詞：9FA聯(lián)合循環(huán)機(jī)組;汽輪機(jī);碰磨;振動(dòng)分析;故障處理

1? 概述

隨著現(xiàn)代工業(yè)及科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，為了提高燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，制造廠將設(shè)備軸徑向通流間隙等裝配數(shù)據(jù)設(shè)置得越來(lái)越小，精度越來(lái)越高，若檢修安裝人員稍有不慎，沒(méi)有有效控制通流間隙等高精度部件的裝配，就很容易導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生異常振動(dòng)的現(xiàn)象。[1]

2? 汽輪機(jī)故障現(xiàn)象

某9F多聯(lián)供燃?xì)饽茉凑卷?xiàng)目在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了汽輪機(jī)不同程度的振動(dòng)問(wèn)題，主要表現(xiàn)是啟停機(jī)過(guò)程高壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，帶負(fù)荷過(guò)程高壓轉(zhuǎn)子軸振還存在交叉波動(dòng)，現(xiàn)象及特點(diǎn)如下：①機(jī)組空載和穩(wěn)定負(fù)荷工況下，軸振不超過(guò)86微米。②振動(dòng)問(wèn)題主要表現(xiàn)在高壓轉(zhuǎn)子兩端，有時(shí)也帶動(dòng)中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)爬升，多發(fā)生在升降轉(zhuǎn)速以及變負(fù)荷階段。③汽輪機(jī)自整套啟動(dòng)開(kāi)始，啟動(dòng)及帶負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程，軸振異常升高，且振幅和相位均呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律不穩(wěn)定波動(dòng)。④帶負(fù)荷過(guò)程中振動(dòng)爬升至高點(diǎn)后，有時(shí)能自動(dòng)回落，有時(shí)通過(guò)減負(fù)荷等手段干擾后可以回落。⑤振動(dòng)變化存在著一定滯后性。⑥負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，1X軸振幅在80-160微米范圍內(nèi)波動(dòng)。⑦停機(jī)過(guò)程中，過(guò)臨界轉(zhuǎn)速范圍時(shí)的軸振明顯高于升速過(guò)臨界的數(shù)值。⑧停機(jī)后，高壓轉(zhuǎn)子偏心異常升高，表現(xiàn)出典型的熱彎曲特征。⑨振動(dòng)爬升時(shí)，振動(dòng)相角跟隨變化。

2.1 升負(fù)荷過(guò)程振動(dòng)特征

冷態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，汽輪機(jī)在通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)，1X軸振爬升至110μm左右。定速空載約10分鐘后軸振降至90μm，隨后再次上升。并網(wǎng)初期軸振略有下降，之后再次爬升，負(fù)荷升至約60MW后軸振快速上升，并在104MW左右達(dá)到峰值187μm左右，之后軸振逐漸下降。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間定速暖機(jī)，振動(dòng)穩(wěn)定在90μm左右。如圖1所示。

2.2 穩(wěn)定負(fù)荷階段振動(dòng)特征

汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間后，投入AGC運(yùn)行，負(fù)荷調(diào)整情況下#1、#2瓦振動(dòng)存在失穩(wěn)異常波動(dòng)現(xiàn)象。如圖2所示。

2.3 停機(jī)過(guò)程振動(dòng)特征

汽輪機(jī)打閘停機(jī)過(guò)程中，惰走至高壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)軸振明顯大于啟動(dòng)過(guò)程振幅，且振動(dòng)情況一直持續(xù)到轉(zhuǎn)速惰走至零。如圖3所示。

盤(pán)車(chē)投入初期，高壓轉(zhuǎn)子存在熱彎曲跡象，高壓轉(zhuǎn)子晃度最高達(dá)80μm以上，高壓缸內(nèi)能聽(tīng)到金屬摩擦聲。投入連續(xù)盤(pán)車(chē)后，隨著時(shí)間的推移，轉(zhuǎn)子晃度逐漸減小直至恢復(fù)正常值。

3? 振動(dòng)故障識(shí)別

分析振動(dòng)頻譜圖，可發(fā)現(xiàn)該9F多聯(lián)供燃?xì)饽茉凑卷?xiàng)目汽輪機(jī)#1軸承長(zhǎng)期處于碰磨的臨界狀態(tài)，隨著機(jī)組負(fù)荷的變換、啟動(dòng)過(guò)程中脹差的變化，使得#1軸承出現(xiàn)碰磨現(xiàn)象，導(dǎo)致#1軸承處的軸振每一段時(shí)間（無(wú)規(guī)律）出現(xiàn)波動(dòng)。分析過(guò)程如下：

升速過(guò)程，振幅高于正常水平;穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速時(shí)，蒸汽溫度、壓力等參數(shù)不變，但是振幅仍會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，如圖4所示。

額定轉(zhuǎn)速下，振幅是一條平滑連續(xù)的曲線;當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，振幅有可能會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，而且波動(dòng)滯后于工況的變化，但沒(méi)有明顯的固定周期;振動(dòng)波動(dòng)后，振幅一般都能恢復(fù)到正常水平，但每次都需經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間，而且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后又會(huì)再次發(fā)生[2]，如圖5所示。

停機(jī)過(guò)程中，惰走至高壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域時(shí)振幅明顯較啟動(dòng)時(shí)大，如圖6所示。

振動(dòng)波動(dòng)前，高壓缸前軸承（#1軸承）軸心軌跡高度扁平，顯示X方向存在較大的徑向載荷;振動(dòng)波動(dòng)時(shí)，軸心軌跡圖的橢圓率（Y/X）變小，顯示X方向的約束由于振動(dòng)的波動(dòng)而減小，如圖7所示。

振動(dòng)幅值波峰位置（穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)期間），平均軸心位置發(fā)生了突變;振動(dòng)幅值波峰過(guò)后（穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)期間），平均軸心位置發(fā)生了顯著偏移，說(shuō)明動(dòng)靜碰磨已經(jīng)脫開(kāi)，如圖8所示。

振動(dòng)波動(dòng)前，次同步振動(dòng)為正向進(jìn)動(dòng)分量;振動(dòng)波動(dòng)時(shí)，顯示出明顯的反向移動(dòng)分量，說(shuō)明存在作用方向與旋轉(zhuǎn)方向相反的切向摩擦力，如圖9所示。

振動(dòng)波動(dòng)時(shí)，頻譜成分主要表現(xiàn)為一倍頻（基頻），其他倍頻較少，符合摩擦振動(dòng)的特性，如圖10所示。

對(duì)比啟停機(jī)波特圖，停機(jī)過(guò)程的振動(dòng)比啟動(dòng)過(guò)程大得多，而且相位變化明顯，反映出轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了改變，如圖11所示。

投入盤(pán)車(chē)初期，高壓轉(zhuǎn)子存在熱彎曲跡象，高壓轉(zhuǎn)子#1軸承測(cè)點(diǎn)位置晃度升高，且高壓缸內(nèi)能聽(tīng)到金屬摩擦聲;連續(xù)盤(pán)車(chē)過(guò)后，隨著時(shí)間的推移，轉(zhuǎn)子晃度逐漸減小直至恢復(fù)正常值（約30μm），如圖12所示。

通過(guò)對(duì)振動(dòng)發(fā)生時(shí)的特征、數(shù)據(jù)及圖譜分析，可以確定振動(dòng)異常是由動(dòng)靜碰磨引起的。轉(zhuǎn)子與汽封相碰時(shí)，有切向力存在。切向力推動(dòng)轉(zhuǎn)子繞O點(diǎn)作反向渦動(dòng)，如圖13所示。

4? 振動(dòng)故障確認(rèn)

一般情況下，汽輪機(jī)組動(dòng)靜碰磨多發(fā)生在汽封等位置，且多數(shù)是徑向碰磨。一般徑向碰磨，會(huì)使汽封片或油擋磨損，形成合理配合間隙，待轉(zhuǎn)子冷卻、彎曲恢復(fù)后，再次開(kāi)機(jī)沖轉(zhuǎn)，消除碰磨故障。[3]但該機(jī)組多次啟動(dòng)后仍然存在振動(dòng)異常現(xiàn)象，需解體后進(jìn)一步分析，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)高中壓缸下缸軸封部位汽封圈存在不同程度的卷邊痕跡;高中壓轉(zhuǎn)子軸封位置存在不同程度的碰磨痕跡;前軸承箱擋油環(huán)和中軸承箱前后擋油環(huán)均存在較為嚴(yán)重的積碳現(xiàn)象;原本用于對(duì)高壓內(nèi)缸進(jìn)行軸向及垂直定位的L鍵的掛耳與對(duì)應(yīng)的外上缸部位壓縮變形。

5? 振動(dòng)因素分析

結(jié)合該機(jī)組啟停、運(yùn)行、檢修的情況分析，除了間隙設(shè)置和調(diào)整不合理，機(jī)組還可能存在其他不同因素造成碰磨，需要進(jìn)一步對(duì)汽輪機(jī)及管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行進(jìn)行全面的檢查，提出各種可能影響機(jī)組振動(dòng)的因素，逐項(xiàng)排查，治理消除。經(jīng)分析，提出以下主要可能存在的問(wèn)題：①高壓內(nèi)缸豎直方向定位;②貓爪熱膨脹;③前箱膨脹不暢;④高壓進(jìn)汽與排汽管道推力;⑤高排通風(fēng)閥運(yùn)行方式;⑥橢圓瓦動(dòng)特性差。

6? 振動(dòng)異常治理

根據(jù)以上分析，專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員提出多種解決方案，經(jīng)綜合考慮安全、費(fèi)用、工期等多方面因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，決定開(kāi)展以下幾個(gè)主要工作。[4]對(duì)機(jī)組問(wèn)題進(jìn)行治理：

①高壓缸L鍵優(yōu)化。更改L型調(diào)整墊片形式，以限制高壓內(nèi)缸在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中上浮，有效避免高壓缸動(dòng)靜部件發(fā)生徑向碰磨。②通流間隙重新調(diào)整。綜合考慮缸體部件熱膨脹量，結(jié)合汽封磨損實(shí)際情況，調(diào)整高中壓缸通流間隙至合適范圍。③優(yōu)化機(jī)組啟動(dòng)方式，取消高排通風(fēng)系統(tǒng)及其閥前疏水，改用高、中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)的方式。④車(chē)削#1軸承烏金面寬度，減小長(zhǎng)徑比，以提高軸瓦穩(wěn)定性。⑤為高壓缸貓爪增加冷卻水管，校核本體管道支吊架調(diào)整情況等，排除了其他可能影響因素。

除此之外，現(xiàn)場(chǎng)還分析了其它相關(guān)可能因素，如運(yùn)行中各軸承潤(rùn)滑油溫度的對(duì)比和調(diào)整，汽缸兩側(cè)膨脹偏差等隱患，提高了機(jī)組的安全性;增設(shè)貓爪墊片冷卻水，以減小貓爪溫度，降低墊塊膨脹對(duì)缸體中心的影響;全面檢查調(diào)整管道支吊架，為高排管道增加橫向力限位支架，減小管道橫向膨脹對(duì)缸體中心的影響。

7? 振動(dòng)治理效果

機(jī)組在做完以上檢修及調(diào)整后，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，振動(dòng)合格，如表1所示。

8? 研究展望

目前，國(guó)內(nèi)在發(fā)電設(shè)備故障診斷方面還存在一定的不足，特別是在如何利用人工智能開(kāi)展大數(shù)據(jù)分析和專(zhuān)家遠(yuǎn)程診斷，為發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供指導(dǎo)，以及科學(xué)合理進(jìn)行檢修決策方面還存在短板，需要我們繼續(xù)在這些方面進(jìn)行努力。

實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，我們要依靠信息融合技術(shù)，將振動(dòng)分析和其他故障特征提取技術(shù)相結(jié)合，加強(qiáng)對(duì)振動(dòng)的監(jiān)視和數(shù)據(jù)積累分析，對(duì)振動(dòng)故障機(jī)理及診斷方法做更為全面、深入的研究。

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