汽輪機(jī)軸承振值高的原因分析與處理

祁宏濤(甘肅劉化(集團(tuán))有限責(zé)任公司，甘肅 永靖 731603)

1 汽輪機(jī)振動的原因分析

1.1 汽輪機(jī)設(shè)計(jì)與制造問題

在汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造過程中，由于設(shè)計(jì)技術(shù)水平和制造工藝技術(shù)的限制，現(xiàn)有制造工藝的限制，無法滿足設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)的加工精度。尤其是對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及其他零部件的高精度要求，不能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，因而不能滿足高速、低速、平穩(wěn)測試的測試要求，容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)子。機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的離心問題會導(dǎo)致其振動故障[1]。

1.2 汽輪機(jī)等設(shè)備安裝工藝的影響

汽輪機(jī)及其他設(shè)備安裝工藝的影響，影響其安裝質(zhì)量的主要因素包括：安裝施工現(xiàn)場的環(huán)境因素、安裝人員的整體技術(shù)水平、安裝規(guī)劃、安裝工藝是否合理。但在實(shí)際的安裝計(jì)劃制定過程中，可能會出現(xiàn)不適當(dāng)?shù)墓ば騿栴}。安裝人員專業(yè)技術(shù)水平參差不齊，容易出現(xiàn)與安裝規(guī)格不符、誤差等問題，相關(guān)監(jiān)管人員對施工過程沒有嚴(yán)格監(jiān)督，在安裝過程中容易出現(xiàn)問題。有時(shí)還會發(fā)生接觸和碰撞，因?yàn)榱慵g的間隙不符合標(biāo)準(zhǔn)。出現(xiàn)零件，長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)零件膨脹，摩擦增大，潤滑系統(tǒng)故障[2]。

1.3 汽輪機(jī)運(yùn)行及調(diào)整中的振動原因

在調(diào)速過程中振動的原因是油膜振動是在高速旋轉(zhuǎn)條件下汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生故障，影響轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。當(dāng)旋渦速度達(dá)到危險(xiǎn)速度時(shí)，共振將增大，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)劇烈振動。機(jī)組振動也有可能引起油膜振動。振速增大，振幅也明顯增大。當(dāng)振動頻率與發(fā)電機(jī)危險(xiǎn)速度一致時(shí)，其振動頻率不受速度的影響。油膜的振動也會產(chǎn)生低頻組分，軸系液壓將發(fā)生較大的變化，軸承會產(chǎn)生較大的金屬撞擊聲。第一，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷超過定點(diǎn)時(shí)，軸的振動將大大增加。反之，如果通過減載降低到低于此值，振動就會大大降低。而且，出現(xiàn)了上述強(qiáng)振動與高壓轉(zhuǎn)子的一次危險(xiǎn)速度相同或稍低的現(xiàn)象。通過對以上特征的分析，首先發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)運(yùn)行中氣體不平衡對葉片產(chǎn)生影響。在大批量的安裝中，尾部葉片端部湍流會產(chǎn)生蒸汽流。由于蒸汽流動，軸封也可能會振動。

1.4 汽輪機(jī)運(yùn)行檢修與保養(yǎng)問題

根據(jù)發(fā)大修計(jì)劃，汽輪機(jī)運(yùn)行需要定期大修，某些部件如出現(xiàn)故障，還需進(jìn)行排除。汽輪機(jī)還需要按照大修計(jì)劃進(jìn)行日常運(yùn)行。執(zhí)行檢查，處理日常所需清洗及保養(yǎng)部件[3]。然而，在維修過程中，由于維修人員缺乏責(zé)任心，不嚴(yán)格按規(guī)范操作，極易產(chǎn)生安全隱患，日常檢修與維護(hù)技術(shù)不十分合理，同時(shí)也容易出現(xiàn)故障，如不能有效控制排氣管溫度，軸承溫度就會過高，容易出現(xiàn)振動故障。此外，軸承在轉(zhuǎn)動過程中若形成油膜，將會影響渦輪轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性，造成振動故障。

例如：北侖電廠二號機(jī)組是由法國GEC-AL-STHOM設(shè)計(jì)制造的600 MW機(jī)組。自營業(yè)以來，10號瓦經(jīng)歷了多次震蕩。1995年5月8日，在550 MW負(fù)荷處，工人發(fā)現(xiàn)振動緩慢。減載過程中，上體最大振動迅速達(dá)到122微米，隨后手動關(guān)閉。盡管長期暴露在10塊瓦片的振動中，觀察和試驗(yàn)結(jié)果表明，密封油溫對振動基本無影響，其他因素對其影響不大。當(dāng)密封油溫超過51 ℃(如圖1所示)時(shí)，相角基本不變，振幅在30 μm以內(nèi)可有效地抑制振動變化。通常情況下，密封油溫由51 ℃降至45 ℃時(shí)，振動開始發(fā)生變化(如圖2所示)，相位角不斷變化，振幅增大，但會增大到一定值。這是典型的摩擦振動，有密封環(huán)與轉(zhuǎn)子的動靜碰磨引起，但并不嚴(yán)重。

圖1 密封油溫超過51 ℃示意圖

圖2 振動發(fā)生變化示意圖

2 汽輪機(jī)振動處理對策

2.1 完善工作人員管理制度

對汽輪機(jī)安裝和建造單位加強(qiáng)專業(yè)技能培訓(xùn)，具有較高的專業(yè)水平和綜合素質(zhì)隊(duì)伍，結(jié)合專業(yè)理論知識水平和建設(shè)現(xiàn)場實(shí)踐能力，對建筑工地的監(jiān)督人員及相關(guān)技術(shù)監(jiān)督人員，必須從汽輪機(jī)及其組件的質(zhì)量、建筑人員專業(yè)技能水平等方面，在汽輪機(jī)機(jī)組安裝和建設(shè)的全過程進(jìn)行質(zhì)量控制。當(dāng)汽輪機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)油膜振動時(shí)，應(yīng)采取以下故障處理措施。第一，增大軸瓦的比壓力。第二，減小軸承墊上間隙。增大上軸承合金寬度，軸頸與軸承襯套間的接觸角減小；最后，降低潤滑油的動態(tài)粘度，即油溫升高或潤滑選擇。粘性很低的油并且，可以降低轉(zhuǎn)子原有的不平衡成分，采用平衡法[4]。

2.2 提高汽輪機(jī)及其零部件的設(shè)計(jì)水平

汽輪機(jī)及其相關(guān)零部件的研究應(yīng)把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向汽輪機(jī)主要部件和精密部件。為進(jìn)一步提高效率，采用級數(shù)、轉(zhuǎn)子直徑、反應(yīng)度等設(shè)計(jì)參數(shù)對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以開發(fā)與之相適應(yīng)的葉型。而在水輪機(jī)高壓級上，葉片的長度較短，且葉片高度方向上的邊界層和二次流動面積所占的比例較大，必須考慮其流動特性。蒸汽以相對速度流入葉片，即靜止葉片出口的絕對速度和旋轉(zhuǎn)葉片的圓周速度。可以看出，葉片相對速度方向距離轉(zhuǎn)子葉型進(jìn)口角越遠(yuǎn)，葉型損失越大。另外，轉(zhuǎn)子葉相對流入角由于需要實(shí)際考慮邊界層和二次流的影響，很難按期望的高精度設(shè)計(jì)。將強(qiáng)化設(shè)計(jì)方法、反問題設(shè)計(jì)方法、二維湍流分析技術(shù)集成到葉片形狀設(shè)計(jì)中，為適應(yīng)流入角的變化，采用了緩慢損耗特性的圓頭轉(zhuǎn)子葉片。

2.3 注意外部環(huán)境因素

凝汽器的換熱過程是通過循環(huán)水泵提供的循環(huán)冷卻水將汽輪機(jī)排氣口排出的乏汽冷凝成水，當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化導(dǎo)致循環(huán)冷卻水溫度產(chǎn)生變化時(shí)，凝汽器的背壓就會發(fā)生變化，進(jìn)而對凝汽器的換熱面積產(chǎn)生影響。在關(guān)注外部環(huán)境因素的同時(shí)，能夠進(jìn)行良好的自我調(diào)節(jié)。對汽輪機(jī)檢測與維修人員應(yīng)加強(qiáng)汽輪機(jī)振動故障危險(xiǎn)性的教育，并加深對其危害的認(rèn)識。定期舉辦相關(guān)的安全教育和實(shí)際案例分析，不斷學(xué)習(xí)業(yè)界及其他相關(guān)公司的先進(jìn)技術(shù)及維修方法，加強(qiáng)技術(shù)交流與員工間的溝通，全面提高員工的責(zé)任意識和整體素質(zhì)，以員工較低的專業(yè)水平或工作失誤帶動4號機(jī)組汽輪機(jī)是發(fā)電系統(tǒng)的重要部分，在運(yùn)行中容易發(fā)生振動故障，影響發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和發(fā)電效率。在設(shè)計(jì)、質(zhì)量、安裝、運(yùn)行等方面存在著一定的問題，需要改進(jìn)汽輪機(jī)及其零部件的設(shè)計(jì)處理水平，以確保其振動故障的發(fā)生[5]。

2.4 調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速

在正常運(yùn)行時(shí)必須注意控制小汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免共振速度。因此，有必要從控制的角度研究小型汽輪機(jī)調(diào)速邏輯。不但適應(yīng)爐子負(fù)壓調(diào)節(jié)，而且速度調(diào)節(jié)過程更平穩(wěn)。不要給汽輪機(jī)施加更強(qiáng)的交變應(yīng)力。所以要注意機(jī)組的蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)的速度，以產(chǎn)生正常頻率的振動。在高負(fù)荷情況下，機(jī)組應(yīng)選擇高熱量煤混煤，加強(qiáng)煙道及低溫節(jié)能器的黑煙噴吹，加強(qiáng)煙道阻力監(jiān)測，防止阻力上升，使渦輪轉(zhuǎn)速升高；選擇合適的吹煤時(shí)間，降低汽輪機(jī)軸承的軸向振動，減少蒸汽的軸向振動，避免煤粉高負(fù)荷、高速吹等。測得的振動，還可發(fā)現(xiàn)軸向振動過大。它的振動特點(diǎn)是頻率和速度相等，軸向振動的大小與轉(zhuǎn)子柔軟度成正比，每個(gè)軸承的振動相取決于轉(zhuǎn)子彈性線的形狀。兩軸承軸向振動的臨界速度是相反的。在兩個(gè)臨界速度附近，兩個(gè)軸承軸向振動相同。軸向振動按特殊情況可分為振動現(xiàn)象。在彎轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使軸套內(nèi)油膜支承中心呈周期變化，從而產(chǎn)生軸承座的軸向振動與軸承座幾何中心不一致[6]。柔性轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸瓦和軸承座會相應(yīng)偏轉(zhuǎn)，而軸承不能跟隨軸承的軸向振動。由于前兩種振動原因，上面已作了說明，因此這里不再重復(fù)。因軸承殼體不穩(wěn)定而引起振動，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。振動在線監(jiān)測目前裝備有軸向監(jiān)測裝置，振動在線監(jiān)測為振動監(jiān)測與分析創(chuàng)造了良好的條件。要實(shí)現(xiàn)振動的在線監(jiān)測，就必須對異常振動進(jìn)行對比分析，找出振動原因，做好工作。如發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常振動，應(yīng)立即進(jìn)行現(xiàn)場檢測。為了防止振動超出規(guī)定的極限，應(yīng)在停止時(shí)間內(nèi)停止。

3 結(jié)語

振動產(chǎn)生的原因是十分復(fù)雜的，而且每個(gè)汽輪機(jī)組的情況也都不同，因此需要針對每一個(gè)機(jī)組，進(jìn)行一系列的試驗(yàn)，找出振動的規(guī)律，做好記錄工作，結(jié)合運(yùn)行與檢修時(shí)的資料，進(jìn)行綜合分析，才能找到振動的原因，加以消除。在生產(chǎn)運(yùn)行中，還必須做好振動監(jiān)測工作。避免異常振動的發(fā)生，確保整個(gè)的正常運(yùn)行。