大型離心壓縮機不平衡與流體激振耦合故障分析

任永輝，沈安武，趙小龍

（北京首鋼股份有限公司，北京 100043）

引言

空氣壓縮機是現代制氧空分工藝流程的起點，也是重要核心設備之一，大型離心壓縮機正朝著高效率、高性能方向發展，對設備狀態監測和故障診斷方面的工作提出了更高的要求[1]。

轉子不平衡是旋轉機械的常見故障[2]，導致機組軸系質量不平衡的原因主要有制造過程中機械加工不精確或材質不均勻、運行過程中轉子上動葉片的不均勻磨損、鹽垢和灰塵的不均勻沉積、轉動部件的斷裂和脫落、部件安裝不對稱，由于轉子變形、熱套緊力不足、氣動力引起的轉動部件移位，以及運行時轉子的熱變形等[3-4]。

透平機械密封起著抑制流體泄漏、提高機組經濟性的重要作用。然而旋轉機械密封在抑制流體泄漏的同時還會產生激振力，影響轉子穩定性，轉子的不同偏轉角度、偏心距、入口壓力和轉速等對泄漏量及流體激振力均有不同程度影響。目前，針對流體激振類故障的研究大多為機理分析和數值模擬方面，有生產現場實測數據支撐的案例分析相對較少[5-7]。

1 故障表現

某公司現有5 套制氧空分機組，其中5#空壓機機組總貌及測點布置見圖1。該機組為RIKT 型單軸多級壓縮機，設計流量177 800 m3/h，主軸轉速5578r/min，軸功率15370 kW,最大排出壓力0.643MPa，一至三級為內置冷卻器，按A、B兩側布置。

圖1 5#空壓機總貌及測點布置圖

5#空分機組于2018 年12 月停機改造，空壓機在停機前吸氣側振動值較高，同時空壓機二級入口溫度TE7026點波動較大。

圖2為5#空壓機各測點在停機前半個月的振動趨勢圖，可以看出進氣側的振動水平明顯高于排氣側，同時，進氣側B 方向的振動水平高于A 方向，波動幅度也更大，從日常監測的情況來看，系統中出現的報警基本上是由VT7011B點產生的。

圖2 5#空壓機各測點的通頻趨勢圖

2 原因分析

從波形頻譜圖（圖3）來看，振動波形為正弦波，頻域中以一倍頻為主，振動的提純軌跡為比較標準的橢圓形，可以判斷存在轉子不平衡故障。

進一步觀察其頻譜發現，VT7011B 測點的振動波形圖上存在周期性調制現象，即振動的峰值存在周期性的波動，且周期不穩定，反映在頻譜上，信號存在比較明顯的低頻分量，呈帶狀分布，且波動較大（零點幾微米到八九微米之間），如圖3 所示。引起此類故障特征的原因一般為軸承部件松動或氣流激振。

圖3 5#VT7011B點位某時刻的波形頻譜圖

圖4 為5#機組停機前兩天VT7011B 點的振動分頻趨勢圖，從中可以發現，通頻波動相對較大，工頻成分幅值雖較高，但分布穩定，波動較小，二倍頻和半頻成分微量分布；同時發現，圖中每當通頻較高時，對應的殘余量也較大，通頻值和殘余量近似成正相關分布，證明振動的波動與殘余量有關。

圖4 5#VT7011B點停機前兩天的分頻趨勢圖

5#空分停機前，空壓機二級入口溫度TE7026點存在一定波動情況，見圖5。日常運行過程中，空壓機一級A、B 冷卻器回水溫度曲線基本重合，二級入口溫度B 側比A 側高3～8 ℃，每次入口溫度上升均伴隨著吸入側振動VT7011 的上升，同時空壓機流量下降。結合機組日常運行情況和長期的數據趨勢均可發現類似規律，證明空壓機流量變化、入口振動波動和二級入口溫度波動之間存在一定關聯性。

圖5 2#空壓機吸氣側振動和二級入口溫度

同時，吸氣側振動值和二級入口溫度的上升均在空壓機流量下行時出現，當流量下行至一定水平時，振動值上升，二級入口溫度TE7026A、B 兩側溫度出現不同變化，即A 側下降，B 側上漲，兩側冷卻器溫度變化情況不一致。

一般認為，離心壓縮機內部存在一定的密封泄漏，綜合上述分析可以推斷，部分氣流未經過冷卻器直接進入二級入口，由于一級葉輪兩側的泄漏程度不同，一級B冷卻器側泄漏較大，因此日常運行過程中二級入口溫度TE7026B 點較A 點高，當機組流量下行時，葉輪流場發生畸變，形成紊流，產生周期性的流體激振力，導致振動異常情況的發生，同時流場的畸變加劇了葉輪盤側氣流的泄漏，導致TE7026點的溫度異常波動。

3 處理方式及結果

結合上述分析，2019 年3 月利用機組改造時機對5#空壓機進行了開蓋檢修，轉子整體抽出做動平衡，回裝時強化了一級葉輪盤側密封。

檢修開蓋檢查發現，空壓機一級葉輪輪盤后側密封環上存在一定氣流痕跡，西側的沖刷程度明顯高于東側。

氣流沖刷區域的大致位置如圖6 所示，大部分分布在輪盤西側，西側為一級B冷卻器，驗證了上文所述分析，即部分泄漏的氣流沒有經過一級冷卻器而直接進入二級入口，導致二級入口氣溫波動，同時泄漏主要發生在葉輪西側，因此TE7026B 的溫度較TE7026A點要高，波動情況也更加明顯。

圖6 氣流沖刷區域的大致位置

圖7 為5#空壓機各測點在檢修后的振動趨勢圖，經對比可以發現，檢修后各測點的振動水平均有所下降，特別是進氣側下降明顯，7011A 點由原來的50 μm 作右降至10 μm 上下，7011B 點由原來的60 μm左右降至20 μm上下。

圖7 5#空壓機檢修后各點振動趨勢圖

圖8 為5#空壓機VT7011B 點在檢修后的波形頻譜圖，可以看出，工頻幅值大幅下降至3～5 μm，可見動平衡效果很好。開機運行后，TE7026兩個點位的變化情況趨于一致，證明泄漏情況有所緩解。同時，由于暫時沒有針對性的措施，低頻分量依舊十分活躍，幅值變化大，能量較高，說明因入口流場不穩定而產生的流體激振現象依然存在。

圖8 檢修后5#VT7011B點的波形頻譜圖

4 結論

5#空壓機較其他機組吸氣側振動水平高，振動能量以一倍頻為主，波形為較典型的正弦波，證明存在一定不平衡，檢修后，工頻幅值大幅下降，動平衡效果良好。

流體激振類故障機理復雜，特征頻率波動較大且辨識度不高，沒有立竿見影的處理方案，目前，國內外針對流體激振類故障的研究較少，大多也停留在數值模擬分析方面。檢修后，該點位的振動幅值雖大幅下降，但振動隨流量波動的情況并未徹底解決，壓縮機入口流場的不穩定性不僅會引起振動與溫度的波動，而且必然會影響機組效率，以往有案例通過改造和強化密封使機組效率提升了幾個百分點，按照目前空壓機的能耗水平，單臺空壓機效率每提升一個百分點，每年便可節約成本近五十萬元。由于生產實際目前還無法停機處理，后續還需對該問題進行深入分析研究，從轉子安裝位置、偏向距以及軸瓦間隙、相對位置等方面綜合考慮，提升機組整體運行水平。