CO壓縮機(jī)組配套汽輪機(jī)試車問(wèn)題分析及故障解決

薛潤(rùn)鋒,李強(qiáng),任鵬

(陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)責(zé)任有限公司,陜西 榆林 719000)

1 機(jī)械設(shè)備故障診斷常用圖譜介紹

1.1 診斷趨勢(shì)圖

當(dāng)機(jī)組正常工作時(shí),我們可以使用趨勢(shì)圖來(lái)捕捉和記錄機(jī)器的頻率、振幅、相位等參數(shù)的變化情況。這個(gè)圖表用時(shí)間的變化來(lái)表示,而振幅、頻率和其他參數(shù)則用來(lái)描述這些變化。通過(guò)分析機(jī)組振動(dòng)的時(shí)間、負(fù)荷、軸位移和其他工藝參數(shù)的變化,這種圖表可以清晰地展示出機(jī)組的運(yùn)行情況,為運(yùn)行管理人員提供了一個(gè)可靠的參考依據(jù)。

1.2 波形頻譜圖

通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的分析,可以從時(shí)域波形圖中獲取有關(guān)振幅、周期 、相位以及波形形狀及其變化的重要信息。通過(guò)使用這些數(shù)據(jù),我們可以更好地分析和探索振動(dòng)的原因和機(jī)制。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于動(dòng)態(tài)失衡狀態(tài)時(shí),其波形圖將會(huì)表現(xiàn)出接近等幅正弦波的特征;當(dāng)處于不利狀態(tài)時(shí),波峰會(huì)增加,整體波形會(huì)變得平滑而穩(wěn)定;當(dāng)存在摩擦和磨損時(shí),波峰會(huì)變得更加明顯,波形變得不穩(wěn)定,甚至可能出現(xiàn)削波;在自激振動(dòng)中,波形會(huì)變得混亂 ,重復(fù)性較差,波動(dòng)幅度較大;通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi),我們可以獲得復(fù)雜的非諧和的周期性振動(dòng)信號(hào),這些信號(hào)包含了一系列不同的頻率成分。通過(guò)FFT處理,可以獲得振動(dòng)波形的頻譜分布,從而更加直觀地展示出振動(dòng)的頻率結(jié)構(gòu)。常用頻譜圖主要有0.5倍頻頻譜圖,1倍頻頻譜圖,2倍頻頻譜圖及多倍頻頻譜圖。如存在油膜渦動(dòng)情況下,振動(dòng)頻率主要以0.5倍頻為主,對(duì)中不良情況下,振動(dòng)頻率主要以2X頻為主。

1.3 波德圖

波德圖描繪了機(jī)器振動(dòng)幅值和相位與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)聯(lián),其中,轉(zhuǎn)速作為橫軸,而振幅的-峰值則作為縱軸,兩者之間的差異可以通過(guò)圖表清晰地表現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)波徳圖,我們可以獲得有關(guān)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下振幅和相位的詳細(xì)信息;臨界轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù);轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的共振放大系數(shù)可以顯著改善系統(tǒng)的性能;通常,小型機(jī)組的Q值在3～5之間,甚至更小,而大型機(jī)組的Q值則在5～7之間;如果超過(guò)了上述數(shù)值,那么這個(gè)地方可能是不安全的;4轉(zhuǎn)子振動(dòng)模式,該系統(tǒng)具有阻尼量;轉(zhuǎn)子的機(jī)械和電氣性能的變化程度可以通過(guò)測(cè)量來(lái)評(píng)估;是否存在轉(zhuǎn)子的熱彎曲現(xiàn)象。

1.4 頻譜瀑布圖

通過(guò)在停機(jī)或正常運(yùn)行狀態(tài)下連續(xù)測(cè)量一組頻譜圖,并將其按時(shí)間順序排列組合,我們可以得到一幅三維頻譜瀑布圖。在頻譜瀑布圖中,Z軸代表著同一時(shí)間段內(nèi)頻率相同的譜線,而且它們是平行的。圖表顯示了不同頻率振幅隨時(shí)間的變化趨勢(shì),從而可以清楚地看出其變化規(guī)律。通過(guò)頻譜瀑布圖可以直觀看出某一時(shí)間段振動(dòng)變化情況。

1.5 極聯(lián)圖

當(dāng)后停機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí),極聯(lián)圖就會(huì)以一系列的三維譜圖形式呈現(xiàn),這些譜圖由不同的頻率所構(gòu)成。該物體的Z軸表示其轉(zhuǎn)速,而其他頻率的軸線則呈現(xiàn)出一條從0點(diǎn)開(kāi)始向外傾斜的曲線。通過(guò)分析振動(dòng)和轉(zhuǎn)速的變化,我們可以更加直觀地了解故障原因。通過(guò)觀察該圖,可以清楚地了解轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)頻譜變化,從而確定轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速、振動(dòng)幅值、半速渦動(dòng)或油膜振蕩的發(fā)生及其發(fā)展規(guī)律。

1.6 軸心位置圖

通過(guò)繪制軸心位置圖,我們可以清楚地看到軸頸與軸承之間的關(guān)系。通過(guò)觀察這張圖表,我們可以確定轉(zhuǎn)子在軸承內(nèi)的穩(wěn)定位置,從而確定軸頸的狀態(tài)。如果軸心偏離預(yù)期的位置,則表明軸承已經(jīng)發(fā)生了異常,這將會(huì)影響到轉(zhuǎn)子的性能和精度,同時(shí)也會(huì)影響到軸瓦的使用壽命和變形情況。當(dāng)軸心位置發(fā)生變化時(shí),這意味著轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定性已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)精確的軸頸中心位置檢測(cè)與分析,我們能夠及早發(fā)現(xiàn)潛在的故障,并采取有效的措施進(jìn)行早期預(yù)警。通常,軸心的傾斜度應(yīng)當(dāng)介于20～50°之間。

1.7 軸心軌跡圖

通常來(lái)說(shuō),軸心軌跡描述了轉(zhuǎn)子中的某個(gè)部分沿著與軸線垂直的平面移動(dòng)的情況。一般來(lái)說(shuō),轉(zhuǎn)子的振動(dòng)信號(hào)不僅僅包括由不均勻性導(dǎo)致的基頻振動(dòng),而且還會(huì)受到油膜渦流、油膜振蕩、氣體激勵(lì)、摩擦、不對(duì)稱和嚙合等多種因素的影響,產(chǎn)生出多樣的諧波、亞異步和高次諧波振動(dòng),從而導(dǎo)致軸心軌跡的形態(tài)呈現(xiàn)出多樣性,有時(shí)甚至?xí)@得極為混沌。“香蕉圖”,“8字圖”是一種常見(jiàn)的軸心軌跡圖,它可以用來(lái)描述軸心的位置變化。當(dāng)軸心軌跡圖呈香蕉圖時(shí),表明它處于中度位置變化,而8字圖則表明它處于嚴(yán)重位置變化。在局部碰磨時(shí),會(huì)出現(xiàn)多個(gè)連環(huán)狀小圈,而油膜渦動(dòng)則會(huì)呈內(nèi)8字形。

2 汽輪機(jī)組試開(kāi)車情況

陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)180萬(wàn)t/a乙二醇項(xiàng)目草酸二甲酯(DMO)裝置共配套9臺(tái)CO循環(huán)氣壓縮機(jī)組,均由陜鼓成套供貨,其中汽輪機(jī)為杭汽EHNK40/37/60抽汽凝汽式汽輪機(jī),額定功率9 169 kW,設(shè)計(jì)進(jìn)汽壓力10.75 MPa,溫度513 ℃。項(xiàng)目于2022年12月25日開(kāi)車成功并滿負(fù)荷運(yùn)行。CO壓縮機(jī)組自試車以來(lái),九臺(tái)機(jī)組運(yùn)行情況均存在汽輪機(jī)前后貓爪頂死情況,熱態(tài)停機(jī)后盤車振動(dòng)高,多次出現(xiàn)啟機(jī)過(guò)程中振動(dòng)高或高高聯(lián)鎖停機(jī)情況;其中1#CO壓縮機(jī)組汽輪機(jī)因振動(dòng)高被迫解體檢修一次;2022年11月13日,4#CO壓縮機(jī)組啟機(jī)過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)端VISA204D振動(dòng)達(dá)到100 μm聯(lián)鎖停機(jī);2023年2月17日,5#CO壓縮機(jī)組因壓縮機(jī)儀表故障造成聯(lián)鎖停機(jī),停機(jī)3 h后儀表故障解決后重新熱態(tài)啟機(jī),啟機(jī)過(guò)程中在二階暖機(jī)(2 400 r/min)轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)汽輪機(jī)非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)不斷升高情況,待振動(dòng)漲至53 μm時(shí)拍停機(jī)組。

3 1#CO汽輪機(jī)運(yùn)行振動(dòng)高問(wèn)題分析及處理

3.1 事件經(jīng)過(guò)

2022年8月29日3:50 1#CO循環(huán)氣壓縮機(jī)組開(kāi)車,6:45機(jī)組升速至正常工作轉(zhuǎn)速4 800 r/min,啟機(jī)階段及運(yùn)行初期機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定,汽輪機(jī)非驅(qū)動(dòng)端(高壓側(cè))振動(dòng)在VISA201(X方向)和VISA201(Y方向)均為20 μm左右,驅(qū)動(dòng)端(排汽側(cè))振動(dòng)在VISA203(X方向)為9 μm左右,VISA204(Y方向)為13 μm;運(yùn)行至9月1日14:24,隨著壓縮機(jī)緩慢提負(fù)荷過(guò)程中機(jī)組振動(dòng)小幅度波動(dòng)一次后呈緩慢上漲趨勢(shì),其總體較開(kāi)車初期上漲約4～5 μm,期間振動(dòng)相位穩(wěn)定;到9月3日15:05,機(jī)組再次提負(fù)荷時(shí)振動(dòng)突然出現(xiàn)一次較大幅度波動(dòng),非驅(qū)動(dòng)端振幅VISA201最大漲至35 μm,驅(qū)動(dòng)端振幅VISA203最大漲至20 μm,同時(shí)振動(dòng)相位角也有升高,振動(dòng)趨勢(shì)變化主要因1倍頻變化引起; 9月4日機(jī)組轉(zhuǎn)速降至4 500 r/min后汽輪機(jī)振動(dòng)開(kāi)始出現(xiàn)大幅度波動(dòng),波動(dòng)頻次明顯升高,振幅最高達(dá)45 μm,期間振動(dòng)相位角、1倍頻振動(dòng)波動(dòng)較大,機(jī)組于9月5日停車。期間趨勢(shì)分別見(jiàn)下述圖譜:振動(dòng)趨勢(shì)圖(圖1)、振動(dòng)頻譜圖(圖2)、1倍及相位角變化趨勢(shì)圖(圖3)。

經(jīng)過(guò)處理后，模型（Ⅲ）即為考慮風(fēng)險(xiǎn)厭惡因子和單個(gè)資產(chǎn)投資比例控制因素而建立的新模型（Ⅱ）的具體形式，模型更清晰、更具有可計(jì)算性。

圖1 8月29日～9月5日1#CO循環(huán)氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)圖

圖2 8月29日～9月5日1#CO循環(huán)氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)振動(dòng)頻譜圖

圖3 8月29日～9月5日1#CO循環(huán)氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)1倍頻振動(dòng)及相位角趨勢(shì)圖

9月16日12:22 1#CO循環(huán)氣壓縮機(jī)組重新啟機(jī)運(yùn)行,啟機(jī)過(guò)程中汽輪機(jī)振動(dòng)正常,在最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速4 050 r/min時(shí),汽輪機(jī)高壓側(cè)VISA201(X方向)振動(dòng)28.8 μm,VISA202(Y方向)振動(dòng)32.5 μm,排氣側(cè)VISA203(X方向)振動(dòng)14.4 μm,VISA204(Y方向)振動(dòng)19.2 μm,兩個(gè)方向振幅偏差較之前明顯增大。15:24機(jī)組轉(zhuǎn)速提速至4 300 r/min,振動(dòng)開(kāi)始大幅度波動(dòng),然后機(jī)組降速至4 050 r/min,運(yùn)行至16:27再次提速至4 300 r/min,振動(dòng)再次上漲至42 μm,只能將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速降至4 050 r/min,但是此次降速后汽輪機(jī)振動(dòng)波動(dòng)一直波動(dòng)較大,高壓側(cè)振幅最大波動(dòng)至52.7 μm,機(jī)組于9月17日21:38停機(jī)。期間機(jī)組振動(dòng)趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

9月30日21:54 1#CO循環(huán)氣壓縮機(jī)組再次啟機(jī),在4 500 r/min下高壓側(cè)(非驅(qū)動(dòng)端)振動(dòng)已超過(guò)50 μm,驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)上漲至30 μm左右,總體情況較上次啟機(jī)后情況更加惡化,在轉(zhuǎn)速穩(wěn)定情況下振動(dòng)最大波動(dòng)至85.2 μm,為確保機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行,機(jī)組只能停機(jī)并按計(jì)劃進(jìn)行汽輪機(jī)開(kāi)缸檢修。期間振動(dòng)趨勢(shì)見(jiàn)圖5。

圖4 9月16日～17日1#CO循環(huán)氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)趨勢(shì)圖

圖5 9月30日～10月3日1#CO循環(huán)氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)振動(dòng)趨勢(shì)圖

對(duì) 8月29日～9月5日汽輪機(jī)振動(dòng)變化與負(fù)荷變化時(shí)間進(jìn)行分析,汽輪機(jī)振動(dòng)開(kāi)始小幅度波動(dòng)及上漲主要因機(jī)組負(fù)荷增加,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼增大,轉(zhuǎn)子受力改變引起汽輪機(jī)振動(dòng)上漲,當(dāng)汽輪機(jī)振幅增大至某一點(diǎn)位后,汽輪機(jī)出現(xiàn)動(dòng)靜碰磨引起振動(dòng)大幅度變化。再通過(guò)機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖譜對(duì)汽輪機(jī)振動(dòng)進(jìn)行分析,從頻譜圖看汽輪機(jī)振動(dòng)主要為1倍頻分量,同時(shí)伴有2倍、3倍、4倍等高倍頻分量,并且振動(dòng)大幅度波動(dòng)時(shí)主要為1倍頻及相位角變化,是汽輪機(jī)摩擦振動(dòng)的典型特征,由此同樣可得出汽輪機(jī)振動(dòng)波動(dòng)是因動(dòng)靜碰磨引起。

對(duì)9月16日～10月3日汽輪機(jī)運(yùn)行振動(dòng)進(jìn)行分析,9月16日再次啟機(jī)后汽輪機(jī)X向與Y向振動(dòng)偏差明顯增大,分析認(rèn)為直接原因?yàn)槠啓C(jī)轉(zhuǎn)子與汽缸或軸承相對(duì)中心位置變化引起。從9月16日啟機(jī)到9月17日汽輪機(jī)軸心位置圖(圖6)可看出,轉(zhuǎn)子相對(duì)中心位置向下位移91 μm,也可說(shuō)明汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心跑偏。

圖6 9月16日～9月17日汽輪機(jī)軸心位置圖

3.2 拆檢發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

對(duì)1#CO壓縮機(jī)組汽輪機(jī)發(fā)現(xiàn)如下問(wèn)題:

(1)汽輪機(jī)汽缸向右側(cè)橫向位移(由機(jī)頭位置向后分左右),肉眼觀測(cè)左側(cè)間隙幾乎沒(méi)有,右側(cè)間隙很大。打表測(cè)量R3數(shù)據(jù)中心偏移0.08 mm;

(3)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子汽封片及持環(huán)汽封片磨損,從前端到后端汽封片都有,靠近蒸汽室和前汽封處磨損嚴(yán)重;

(4)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子偏中間段2個(gè)部位軸跳動(dòng)值0.05 mm(出廠值0.02 mm),主軸有輕微彎曲;

(5)拆檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)下缸抽氣位置持環(huán)汽封體疑有水漬痕跡;

(6)汽輪機(jī)下汽缸排缸位置持環(huán)有明顯碰磨痕跡。

3.3 原因分析

針對(duì)以上拆檢發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,均已印證了汽輪機(jī)振動(dòng)高直接原因?yàn)閯?dòng)靜摩擦及汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心跑偏,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中造成以上問(wèn)題的原因分析如下:

(1)管道應(yīng)力:蒸汽管道受熱膨脹,對(duì)汽缸產(chǎn)生的應(yīng)力過(guò)大,導(dǎo)致汽缸出現(xiàn)位移引起動(dòng)靜間隙變化。汽輪機(jī)主蒸汽入口剛好連接在缸體右側(cè),符合拆檢發(fā)現(xiàn)汽缸右側(cè)間隙比左側(cè)大現(xiàn)象,同時(shí)自由狀態(tài)下復(fù)查管道應(yīng)力,連接法蘭同心度較差,由此確認(rèn)管道應(yīng)力是造成汽缸跑偏的主要原因。管道應(yīng)力過(guò)大的原因有:一是蒸汽管道升溫過(guò)快或蒸汽管道暖管過(guò)程中發(fā)生液擊均可產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力導(dǎo)致汽缸位移,實(shí)際為出現(xiàn)過(guò)此問(wèn)題;二是蒸汽管道支吊架施工不規(guī)范,導(dǎo)致管道應(yīng)力與設(shè)計(jì)不符,重新調(diào)整彈簧支架后恢復(fù)正常。

(2)上下汽缸溫差過(guò)大:拆檢發(fā)現(xiàn)下汽缸中抽段位置持環(huán)汽封體上有水漬,考慮到汽輪機(jī)中抽蒸汽未投用,打開(kāi)中抽止逆閥前疏水導(dǎo)淋確實(shí)排出大量凝結(jié)水,引起上下缸體溫差過(guò)大,汽缸膨脹不均勻也是汽輪機(jī)振動(dòng)高原因。

(3)汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)影響:該系列汽輪機(jī)正常輸出功率為6 500 kW,轉(zhuǎn)子質(zhì)量相對(duì)較輕,用高參數(shù)蒸汽暖機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)子受熱膨脹速度較快,汽輪機(jī)漲差過(guò)大就會(huì)造成汽輪機(jī)動(dòng)靜碰磨,同時(shí)該汽輪機(jī)未配置排汽缸噴淋裝置,暖機(jī)過(guò)程中汽輪機(jī)排汽溫度升高,汽缸整體上移,改變軸系中心導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)增加。

(4)汽輪機(jī)安裝問(wèn)題產(chǎn)生振動(dòng),外部因素排查主要有:貓爪下方墊片是否均勻,上方蝶型墊片是否按出廠間隙值調(diào)整,貓爪下方頂絲及軸承座周圍頂絲是否已松開(kāi)。排汽膨脹節(jié)鎖緊螺栓是否已完全脫開(kāi)。汽輪機(jī)單機(jī)試車時(shí)試車平衡盤安裝是否正常。彈簧支架銷子是否拆除。振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)軸瓦溫度的變化,用于判斷是否因軸瓦問(wèn)題引起振動(dòng),檢查推力瓦間隙有無(wú)變化。

3.4 故障處理及預(yù)防措施

(1)本次檢修主要完成磨損部件更換修復(fù)、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡修復(fù)、轉(zhuǎn)子重新安裝找中心及主蒸汽管道重新調(diào)整消除管道應(yīng)力等工作,檢修后汽輪機(jī)整體運(yùn)行平穩(wěn)。

(2)主蒸汽管道暖管時(shí)要嚴(yán)格控制暖管升溫、升壓速率,速率過(guò)快會(huì)造成管道應(yīng)力從而影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。S1蒸汽暖管升壓速率:鍋爐0.049 MPa/min、外管小于0.1 MPa/min。復(fù)核機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速區(qū)是否合理滿足出廠技術(shù)要求。

(3)汽輪機(jī)暖機(jī)過(guò)程中加強(qiáng)缸體疏排水,防止造成上下缸溫差過(guò)大引起膨脹不均勻或造成水擊,同時(shí)日常檢查過(guò)程中要加強(qiáng)汽輪機(jī)保溫層檢查,保溫不良也會(huì)造成膨脹不均。

(4)在冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中,為了減少蒸汽參數(shù)的影響,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)降低蒸汽壓力,因?yàn)楦邷卣羝c溫度較低的部件接觸,會(huì)使蒸汽凝結(jié),從而使部件表面溫度迅速升高, 當(dāng)溫度達(dá)到與節(jié)流后蒸汽壓力相應(yīng)的飽和溫度時(shí),蒸汽的傳熱就會(huì)變?yōu)閷?duì)流放熱,而且由于凝結(jié)放熱系數(shù)遠(yuǎn)大于對(duì)流放熱系數(shù),且隨著壓力的升高,凝結(jié)放熱系數(shù)也會(huì)增大,因此,應(yīng)當(dāng)使用低壓蒸汽來(lái)啟動(dòng)汽輪機(jī),以減少蒸汽參數(shù)的影響,從而達(dá)到冷態(tài)啟動(dòng)的目的。當(dāng)構(gòu)件受熱時(shí),溫度變化速度較慢,因此不會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的溫差和熱應(yīng)力。

(5)啟機(jī)過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)排汽缸溫度,嚴(yán)格控制排汽溫度≤120 ℃,根據(jù)多次啟機(jī)發(fā)現(xiàn),汽輪機(jī)低速暖機(jī)60 min時(shí)排汽缸溫度可達(dá)到120 ℃,當(dāng)溫度達(dá)到此溫度時(shí)就進(jìn)入下一階暖機(jī)轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)整體運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

上述汽輪機(jī)故障案例是受設(shè)計(jì)、安裝、使用等多方面缺陷影響,設(shè)備管理是全壽命周期管理,只有設(shè)計(jì)選型合理,安裝質(zhì)量控制優(yōu)良及正確的操作使用才能確保關(guān)鍵設(shè)備的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。