M701F4 燃氣輪機軸承振動異常分析及處理

陳延柏

（江蘇國信淮安第二燃氣發(fā)電有限責(zé)任公司，淮安 223000）

某公司燃氣輪機機組配置為“一拖一”分軸形式，每臺燃氣輪機配1 臺發(fā)電機組。燃氣輪機采用東方汽輪機有限公司引進的由日本三菱公司生產(chǎn)的燃氣輪機，型號為M701F4。

M701F4 燃氣輪機主要由帶有進口可調(diào)導(dǎo)葉（Inlet Guide Vane，IGV）的17 級高效率軸流式壓氣機、20 只繞軸流壓氣機環(huán)形布置的分管燃燒器的燃燒室以及4 級反動式葉片的透平段組成。壓氣機壓比為17，燃氣輪機排氣溫度為586 ℃。

燃氣輪機配置汽輪機監(jiān)測儀表（Turbine Supervisory Instrumentation，TSI）系統(tǒng)，采用Bently Nevada 公司開發(fā)的3500 系列保護系統(tǒng)。一般而言，TSI 系統(tǒng)的監(jiān)視參數(shù)包括多項內(nèi)容，如機組轉(zhuǎn)速、觸發(fā)自動盤車的機組零轉(zhuǎn)速、機組的軸系振動等。

TSI 系統(tǒng)作為現(xiàn)代化電廠旋轉(zhuǎn)機械保護的重要監(jiān)測工具，通過連續(xù)監(jiān)測燃氣輪機本體運行的重要參數(shù)、軸承振動等，實時為運行人員提供機組信息，指導(dǎo)其操作，并在機組發(fā)生嚴(yán)重故障時輸出停機信號，迅速遮斷燃氣輪機，避免造成更大的事故。

1 軸振動測量的作用

對于工業(yè)使用旋轉(zhuǎn)機械來說，振動值是一種判斷、了解設(shè)備機械運轉(zhuǎn)情況的指標(biāo)。測量振動值可以實時監(jiān)測軸承的工作狀態(tài)，預(yù)警設(shè)備故障。振動數(shù)據(jù)測量包括徑向振動數(shù)據(jù)測量、軸向振動數(shù)據(jù)測量等。設(shè)備的振動值一旦超過標(biāo)準(zhǔn)，則說明旋轉(zhuǎn)機械內(nèi)部出現(xiàn)故障。徑向振動振幅變化是衡量轉(zhuǎn)子是否發(fā)生偏移一個最重要的指標(biāo)。轉(zhuǎn)動機械發(fā)生的很多故障，如轉(zhuǎn)子葉片斷裂、轉(zhuǎn)子表面結(jié)垢后不平衡、轉(zhuǎn)子串軸、支撐軸承磨損、轉(zhuǎn)子大軸裂紋、動靜葉碰磨等，都可以通過測量振動的幅值、頻率來探測。

轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)機械的主要零部件，轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)狀態(tài)決定著旋轉(zhuǎn)機械是否能夠正常工作。轉(zhuǎn)子的運動建立在靜子部件之上，它通過滾珠軸承或可傾瓦軸承等支撐在具有混凝土支撐的軸承座上，構(gòu)成了轉(zhuǎn)動機械轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)。一般情況下，滾珠軸承間隙較小，油膜軸承間隙較大，間隙為0.01～0.02 mm，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軸的相對振動與軸承座的振動有明顯差別。特別是當(dāng)設(shè)計的支撐系統(tǒng)（軸承座、軸承箱、支撐基礎(chǔ)等）的剛度有異常，會直接影響軸振動數(shù)值的準(zhǔn)確性。

目前，三菱M701F4 燃氣輪機不再向用戶提供軸承座振動檢測，只提供軸承振動檢測。因此，燃氣輪機運行狀況只能通過軸承振動數(shù)據(jù)來分析與判斷。電廠技術(shù)人員通過TSI 系統(tǒng)測量得到轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中判斷設(shè)備是否存在故障，這比從軸承座振動中得到信息更為直接和有效[1-2]。

轉(zhuǎn)子軸振動的測量對電廠技術(shù)人員診斷燃氣輪機故障非常必要。根據(jù)振動學(xué)原理建立坐標(biāo)系，并把x、y方向的振動數(shù)據(jù)進行擬合，可得到軸心運動軌跡數(shù)據(jù)圖。

2023 年8 月4 日，#1 燃氣輪機在調(diào)峰啟動過程中，出現(xiàn)3 次軸振突增現(xiàn)象，3 個峰值均不在機組臨界轉(zhuǎn)速附近，且都超過報警值。轉(zhuǎn)速在1 638 r·min-1和1 733 r·min-1的峰值附近有振動為零的異常情況，其他測點振動數(shù)據(jù)正常。#1 燃氣輪機啟動過程振動數(shù)據(jù)見圖1。圖1 中1x～5x 代表1～5 號軸承在x方向的振動，1y～5y 代表1～5 號軸承在y方向的振動。

在測量三菱M701F4 燃氣輪機的軸振時，把渦流傳感器探頭裝在軸承殼上，使探頭與軸承殼支撐座合為一體，探頭所測數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)子軸相對于軸承殼的徑向振動振幅。由于旋轉(zhuǎn)軸在垂直、水平方向的振動沒有必然的內(nèi)在聯(lián)系，可能垂直方向（y方向）的振動幅值很大，但水平方向（x方向）的振動幅值是正常的。因此，應(yīng)在燃氣輪機的垂直、水平方向各裝一個45°探頭，保證2 個探頭相互垂直即可，如圖2 所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)時，渦流傳感器端部與轉(zhuǎn)軸表面的間隙出現(xiàn)變化，傳感器輸出的交流信號隨之變化，測量系統(tǒng)可根據(jù)信號變化計算出間隙變化值，即為振動值。

圖2 軸振測量示意圖

2 TSI 系統(tǒng)

TSI 系統(tǒng)主要由電渦流振動傳感器（探頭）、延長電纜、前置器、電源電纜、信號電纜、輸入/輸出（Input/Output，I/O）卡件以及3500 框架等組成，如圖3 所示。

圖3 TSI 系統(tǒng)

傳感器是一種將機械振動量、位移、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電信號的機電轉(zhuǎn)換裝置。電渦流傳感器的工作原理是給傳感器端部線圈施加高頻交變電流，當(dāng)被測旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)子間隙發(fā)生變化時，振蕩器頻率隨之變化，從而間接得出物體的振動相對位移量。電渦流傳感器與被測物之間沒有直接的機械接觸，具有很寬的使用頻率范圍（0～10 Hz）。利用電渦流傳感器性能和測試對象的要求，對燃氣輪機軸振動進行測量。

3 M701F4 燃氣輪機軸承配置

M701F4 燃氣輪機配置2 個可傾瓦式徑向支持軸承來支承轉(zhuǎn)子，分別位于進氣端和排氣端。排氣端軸承為1 號軸承，進氣端軸承為2 號軸承。由于1 號軸承位于燃氣輪機本體潛水艇倉內(nèi)（見圖4），運行時燃氣輪機排氣溫度接近586 ℃，為防止傳感器、探頭延長導(dǎo)線因高溫而損壞，在延長線鍍鋅防護套管內(nèi)注入儀用壓縮空氣作為冷卻氣源。

圖4 M701F4 燃氣輪機1 號軸承

燃氣發(fā)電機組軸系由燃氣輪機轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子以及勵磁電機組成，整個軸系由5 個軸承支承。燃氣發(fā)電機組作為大型旋轉(zhuǎn)機械，其轉(zhuǎn)速由0 r·min-1上升至3 000 r·min-1，需要通過幾個臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速是指數(shù)值等于軸系轉(zhuǎn)子固有頻率時的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子如果在臨界轉(zhuǎn)速下運行，會出現(xiàn)劇烈振動，長時間運行還會造成飛車事故。M701F4 燃氣輪機機組軸系臨界轉(zhuǎn)速：燃氣輪機第一階為900 r·min-1、第二階為1 040 r·min-1、第三階為2 420 r·min-1、第四階為2 490/3 930 r·min-1。燃氣輪發(fā)電機第一階為950 r·min-1、第二階為2 520 r·min-1。

該機組軸系5 個軸承當(dāng)單點振動幅值大于125 μm時報警，同一軸承x向、y向振動幅值同時大于200 μm時跳機。

4 振動異常原因分析

2023 年8 月4 日，在啟動過程中，整個機組軸系5個軸承金屬溫度未見異常變化，軸承潤滑油溫未見異常變化，隨著負(fù)載增加軸承溫度變化平緩，狀態(tài)良好。

調(diào)取歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在機組其他啟動過程中，轉(zhuǎn)速為1 400～1 800 r·min-1時，M701F4 燃氣輪機軸承的軸振有不同程度的波動，最大波動值為73 μm，最小波動值為17 μm，且在轉(zhuǎn)速1 638 r·min-1和1 733 r·min-1處均無明顯峰值。相應(yīng)的，在啟動過程中，轉(zhuǎn)速為1 400～1 800 r·min-1時，軸承金屬溫度也未發(fā)現(xiàn)異常。

出現(xiàn)波動的轉(zhuǎn)速區(qū)間并未接近軸系臨界轉(zhuǎn)速。在啟動過程中，1x 軸振雖然在2 195 r·min-1附近存在振動高點，但其頻帶較寬，未超過報警值。

調(diào)取歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在#1 燃機停機狀態(tài)下，1x軸振測點有偶發(fā)性振動突增和波動現(xiàn)象，最大值達142 μm。而且在2023 年8 月4 日停機過程中，轉(zhuǎn)速為189 r·min-1時，1x 軸振有明顯峰值，為64 μm。在其他停機過程的這2 個轉(zhuǎn)速附近，1x 軸振均平滑變化，無明顯峰值。偶發(fā)性振動見圖5。

圖5 偶發(fā)性振動數(shù)據(jù)

#1 燃氣輪機1x 振動測量數(shù)據(jù)在啟動、停機過程中均出現(xiàn)波動，且具有不確定因素，但在其他時間內(nèi)振動正常。綜合以上因素，可以判斷#1 燃氣輪機本體軸承、轉(zhuǎn)子、動靜葉無異常，不存在碰摩現(xiàn)象。1x 軸振異常現(xiàn)象的原因可能有以下2 點：一是軸振信號受電氣因素擾動；二是軸振渦流傳感器受電磁因素干擾。

5 檢查結(jié)果

2023 年8 月12 日，利用#1 機組調(diào)停機會，對#1 燃氣輪機進行高盤冷卻，潛水艇倉內(nèi)滿足檢查溫度要求后，進入#1 燃氣輪機潛水艇倉，對1x 軸承振動探頭、前置器、延長電纜進行排查。

檢查電纜屏蔽層接地完好，測量電壓正常，為排除故障將1x、1y 振動測點進行調(diào)換，也未發(fā)現(xiàn)異常。為徹底排除故障，將1x 振動測量延長線電纜從防護套管中抽出，并進行檢查。最終檢查發(fā)現(xiàn)測量探頭線纜和延長線電纜對接接頭處未做防護處理（見圖6），不符合TSI 廠家的接線絕緣防護要求。根據(jù)現(xiàn)場情況，判斷在壓縮空氣冷卻過程中，本應(yīng)懸空處理的接頭受到氣流擾動后與外部鍍鋅防護套管接觸，導(dǎo)致接地，進而使振動數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常[3]。

圖6 接頭未防護

6 預(yù)防措施

軸承振動保護作為燃氣輪機機組的重要保護之一，測量信號回路電纜未按規(guī)范要求安裝和接地、電纜絕緣破損、接線端子松動、探頭間隙磨損、接頭防護不到位等，都會造成機組振動測量信號異常，給機組的安全運行帶來影響。因此，現(xiàn)場技術(shù)人員對TSI系統(tǒng)維護到位尤為重要[4-5]。

為杜絕延長線接頭與套管的接觸，把探頭電纜和延長線之間的接頭鎖緊后，纏上密封用的生料帶，外部用熱縮套管縮緊。

7 結(jié)語

M701F4 燃氣輪機軸承振動異常問題，不僅會影響設(shè)備的應(yīng)用效果，而且會影響公司的綜合效益。相關(guān)人員應(yīng)及時剖析振動異常的原因，并采取科學(xué)方法預(yù)防此問題，以確保機組安全、穩(wěn)定運行。TSI3500系統(tǒng)延長線對絕緣和接地要求非常高，因此對本系統(tǒng)進行定期檢查和維護至關(guān)重要，只有這樣才能從根源上提高機組保護的綜合效率。