13MW抽汽凝汽式汽輪機低速暖機振動原因分析與處理研究

宋志鵬

（中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223）

汽輪機常作為大型壓縮機組的驅動機，是化工、電力等行業重要的能源動力設備，隨著科學技術與社會經濟的快速發展與不斷完善，也對汽輪機異常振動分析與排除提出了更高要求。汽輪機能否正常運行，對工廠連續生產有著重要的影響，為了更好地利用汽輪機等動力輸出設備創造更大的經濟價值，很多工廠在建設初期的設計階段就會對汽輪機的選型進行研討和確定方案，這也是更好地匹配工藝生產的需要。多年來，對于汽輪機的安裝、調試、運行和維護有很多的技術探討，尤其是對初始階段的試運行調試更是引起更多工程技術人員的關注，本文列舉內蒙古博大5080化肥項目合成氨裝置抽汽凝汽式汽輪機在首次沖轉過程中汽輪機多次在低速暖機階段因軸承振動突然上升而跳車故障的實例，通過全面有針對性的分析、檢查和處理，將試車過程中出現的振動問題解決，為項目正常投產提供了保障。

1 機型參數和結構原理

1.1 機型參數

本項目汽輪機為進口多級抽汽凝汽式汽輪機，機型SAC-6，額定功率13065kW，轉速11383RPM，轉子上有多組反動級。兩側對稱雙進汽，汽輪機機殼上有抽汽控制閥，新蒸汽進入新汽法蘭即進入速關閥，所有蒸汽流量由調節閥，汽輪機為徑向排汽，排汽法蘭為方法蘭，汽輪機外形圖見圖1。做功后的排汽進入凝汽器進行冷卻，通過射汽抽氣器建立真空系統。性能參數如表1。

圖1 汽輪機外形

表1 性能參數

1.2 結構原理

汽輪機主要由轉動部分（轉子）和固定部分（靜體或靜子）組成。汽輪機轉動部件的組合體稱為轉子，它包括主軸、葉輪、動葉柵、聯軸器及裝在軸上的其他零件。汽輪機靜止部分包括機座、氣缸、噴嘴、隔板、汽封、軸承等部件，但主要是氣缸和隔板。按照做功的原理，本文汽輪機為反動式，蒸汽的熱能轉變為動能的過程中，不僅在噴嘴中發生，而且在動葉片中也同樣發生，在反動式汽輪機中，蒸汽不但在噴嘴中產生膨脹，高速氣流對動葉片產生一個沖動力；在動葉柵中也膨脹，產生一個由于加速而引起的反動力，使轉子在蒸汽沖動力和反動力的共同作用下旋轉做功。

2 汽輪機振動的常規原因

汽輪機振動故障因素很多，設計、運行維護、生產水平、維護技術、安裝工藝等，都會引起設備振動。由于機組的振動往往受多方面的影響，只要跟機本體有關的任何一個設備或介質都會是機組振動的原因，如進汽參數、疏水、油溫、油質等，受熱的機件安裝得不正確，在冷態安裝時沒有考慮它們熱態工作時的自由熱膨脹、熱變形，使得機件在受熱工作時不能自由膨脹而變得有些彎曲，破壞平衡。如各種軸在受熱無處膨脹時，將被頂彎，失掉平衡，造成振動；機殼受熱不能自由膨脹時，也會變形引起振動。某些機件配合尺寸不符合要求，如軸封片與軸頸配合間隙不對，配合過緊，則在受熱時軸頸與密封片相摩擦，引起振動。軸承有缺陷，如軸瓦巴氏合金脫層、龜裂；軸承與軸瓦安裝間隙不合適；瓦殼在軸承座中松動。

軸承動態性能不好，發生半速渦動或油膜振蕩等，造成振動。機組基礎不符合要求或基礎下沉，都會使機組發生振動。此外，汽輪機管道應力、暖機時間、導淋疏水不暢和控制系統邏輯錯誤、真空系統破壞、操作不當等也有可能造成汽輪機在沖轉過程中振動突然超限而跳車。

3 振動現象描述

汽輪機沖轉從2013年11月13日兩次以及12月10日一次（共三次）都因在低速暖機階段約30～40min突然振動急劇上升而沖轉失敗。分析比較這三次沖轉的狀況，沖轉主蒸汽壓力約為62barG，溫度430℃（其他試車條件和過程狀況基本相同）。三次沖轉緊急停車前油壓油溫、蒸汽壓力溫度、振動值（10um左右）、軸位移等控制參數都正常，12月10日凌晨3:10試車過程中現場實測各缸體導淋管溫度約60～70℃。而每次在暖管過程中都會發現前軸承貓爪百分表出現負值（表明缸向后移動，理論應該向前移動），同時，在低速暖機轉速1500rpm期間（低速暖機曲線見圖2），大約40min后振動從10um左右急劇上升至60um而緊急停車（振動和轉速趨勢見圖3），本機組振動高報警值為65μm。

圖2 低速暖機曲線

圖3 振動和轉速趨勢

4 振動原因分析

通過對汽輪機三次沖轉過程數據的采集和比較分析，初步認為，造成汽輪機在低速暖機階段振動急劇上升的原因主要有：汽輪機缸體膨脹受限；缸體內部有碰擦；缸體內部積水；管道安裝等，將問題原因進行量化和針對性檢查。

4.1 汽輪機軸向基本無位移（缸體膨脹受限）

管道膨脹沿前軸承軸向理論設計值為4.56mm（正常工況下），實測前軸承座貓爪和缸體相對位移由低速暖機過程中的負值0.20mm左右逐漸變為負0.02mm左右，而前軸承箱絕對位移量幾乎為零，橫向位移差值基本在0.10mm左右。

按照理論設計缸體正常工況下應該向前膨脹4.56mm,根據以往項目汽輪機沖轉實際向前位移量至少約為2mm，因此，現場低速暖機期間缸體溫度按200℃計算實際膨脹量應約為：(實際缸體溫度/理論進汽溫度)×理論缸體膨脹值=(200/530)×4.56=1.72mm，理論上汽輪機缸體軸向是有位移量的。

4.2 機體內部碰擦

（1）用戶反饋，2013年11月5日在汽機開始沖轉時，主調試門失控，汽輪機轉速瞬間沖到4162rpm，可能造成汽機內部汽封條損壞或轉子發生變形。

（2）設備出廠前裝配間隙發生變化，不符合要求。

4.3 機體內部積水

（1）根據2013年12月10日凌晨現場開車期間實測各缸體導淋管溫度約60～70℃，該導淋管道可能疏水不暢或堵塞，時間長后造成導淋管內積水水位上升，致使缸體帶液，引起機體振動。

（2）缸體導淋疏水管匯總到疏水膨脹箱順序：高壓疏水管應接自疏水膨脹箱遠端，低壓疏水管線應靠近疏水膨脹箱，這樣高壓導淋疏水氣流不會抑制低壓導淋疏水效果。

4.4 管道安裝應力

（1）前汽封乏汽管出氣管安裝是否有應力，防止泛汽管道應力使汽封稍扭曲變形而卡澀轉子。

（2）主蒸汽管道在暖機過程中下部井字架可能有阻礙，限制汽輪機的正常膨脹。

（3）各彈簧支吊架及限位可能不滿足設計要求。

5 處理措施

5.1 汽輪機軸向基本無位移（缸體膨脹受限）

（1）審核制造商設計膨脹值是否有問題，或提供出廠前膨脹量相關文件，經檢查復核要求。

（2）汽輪機前、后軸承箱座各貓爪螺栓、墊片間隙檢查是否符合設計要求（貓爪0.10～0.20mm、軸承箱0.08～0.15mm）；檢查各滑鍵滑動是否順暢，汽輪機前缸滑鍵與軸承座相連處檢查是否卡死和正常活動；汽輪機前軸承箱固定螺栓固定狀況是否符合設計要求；前軸承座導向座是否有卡澀現場；汽輪機同心度是否有問題。復查結果為滿足要求。

（3）前軸承貓爪打表出現負值，缸體后移。可能后排汽缸真空較大，內部向下吸附力較大，缸體溫度較低造成缸體變形，軸承座上架上百分表監控位移量。

5.2 機體內部碰擦

利用本特利監測儀器進行檢測，檢測振動頻譜歸類；按照裝配圖紙檢查各間隙。

5.3 機體內部積水

檢查各缸體疏水管線連接法蘭間是否有盲板、孔板是否正常開孔；現場用儀表空氣檢查至能順利通氣干燥；檢查導淋排凝口是否舒暢；檢查缸體導淋疏水管匯總到疏水膨脹箱順序按由外至內為壓力由高至低。

5.4 管道安裝應力

因主蒸汽進汽管道已在試車前進行管道無應力檢查，此次檢查暫時排除主管道的應力；重點檢查現場檢查固定乏汽管U型螺栓，松掉U型螺栓后看管道是否有大量偏移。不符合要求時立即整改。現場將井字架用于調整管道的銷過其他物件移動距管壁大于10mm的位置或拆掉；現場松掉固定影響機組膨脹方向的U型螺栓松掉后觀察偏移狀況，不符合要求時立即整改。

6 整改效果和最終定論

通過整改再次進行汽輪機的沖轉工作，仍然發現還是出現低速暖機40min左右振動突然上升問題，分析問題原因最終鎖定在缸體疏水不暢上，即隨時間推移缸內緩慢積水至凝液觸碰葉輪發生劇烈振動。經審查制造商圖紙，發現蒸汽系統圖里顯示汽輪機缸體疏水有4支，管徑均為DN15，且全部匯總在一支DN15的管子上，最后匯總在疏水膨脹箱上；根據流量估算，汽輪機在低速暖機階段也會有大量冷凝液排除，DN15的管是無法將冷凝水及時排除。因此，對DN15的匯總管進行整改，更換成DN80的管(見圖4和圖5)。整改后再次啟動汽輪機，汽輪機沖轉成功，振動參數指標符合要求。

圖4 蒸汽系統圖

圖5 疏水膨脹箱匯總管整改后

7 結語

通過技術判斷和逐步分析排查，最終將設計疏水膨脹箱接母管按常規設計進行整改，接至疏水膨脹箱的母管由原設計DN15改為DN80。避免了因導淋管線疏水不暢而引起冷凝液緩慢聚集使缸體內積水，而造成冷凝液葉輪觸碰引發急劇振動。解決了汽輪機在低速暖機階段振動急劇上升而造成的跳車的問題，確保了機組后續穩定運行。