劉袁新

摘要：本文以某9F多聯(lián)供燃氣能源站項目為研究對象，從工程實際問題出發(fā)，分析汽輪機高壓轉子出現(xiàn)的碰磨故障現(xiàn)象和影響因素，提出治理方法，為燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的故障分析和治理提供方案。

關鍵詞：9FA聯(lián)合循環(huán)機組;汽輪機;碰磨;振動分析;故障處理

1? 概述

隨著現(xiàn)代工業(yè)及科學技術的迅速發(fā)展，為了提高燃氣輪機、汽輪機等旋轉設備的經濟性，制造廠將設備軸徑向通流間隙等裝配數(shù)據設置得越來越小，精度越來越高，若檢修安裝人員稍有不慎，沒有有效控制通流間隙等高精度部件的裝配，就很容易導致機組發(fā)生異常振動的現(xiàn)象。[1]

2? 汽輪機故障現(xiàn)象

某9F多聯(lián)供燃氣能源站項目在生產運行過程中出現(xiàn)了汽輪機不同程度的振動問題，主要表現(xiàn)是啟停機過程高壓轉子振動嚴重超標，帶負荷過程高壓轉子軸振還存在交叉波動，現(xiàn)象及特點如下：①機組空載和穩(wěn)定負荷工況下，軸振不超過86微米。②振動問題主要表現(xiàn)在高壓轉子兩端，有時也帶動中壓轉子振動爬升，多發(fā)生在升降轉速以及變負荷階段。③汽輪機自整套啟動開始，啟動及帶負荷運行過程，軸振異常升高，且振幅和相位均呈現(xiàn)無規(guī)律不穩(wěn)定波動。④帶負荷過程中振動爬升至高點后，有時能自動回落，有時通過減負荷等手段干擾后可以回落。⑤振動變化存在著一定滯后性。⑥負荷穩(wěn)定時，1X軸振幅在80-160微米范圍內波動。⑦停機過程中，過臨界轉速范圍時的軸振明顯高于升速過臨界的數(shù)值。⑧停機后，高壓轉子偏心異常升高，表現(xiàn)出典型的熱彎曲特征。⑨振動爬升時，振動相角跟隨變化。

2.1 升負荷過程振動特征

冷態(tài)啟動沖轉過程中，汽輪機在通過臨界轉速區(qū)域時，1X軸振爬升至110μm左右。定速空載約10分鐘后軸振降至90μm，隨后再次上升。并網初期軸振略有下降，之后再次爬升，負荷升至約60MW后軸振快速上升，并在104MW左右達到峰值187μm左右，之后軸振逐漸下降。經過較長時間定速暖機，振動穩(wěn)定在90μm左右。如圖1所示。

2.2 穩(wěn)定負荷階段振動特征

汽輪機滿負荷運行一段時間后，投入AGC運行，負荷調整情況下#1、#2瓦振動存在失穩(wěn)異常波動現(xiàn)象。如圖2所示。

2.3 停機過程振動特征

汽輪機打閘停機過程中，惰走至高壓轉子臨界轉速區(qū)域時軸振明顯大于啟動過程振幅，且振動情況一直持續(xù)到轉速惰走至零。如圖3所示。

盤車投入初期，高壓轉子存在熱彎曲跡象，高壓轉子晃度最高達80μm以上，高壓缸內能聽到金屬摩擦聲。投入連續(xù)盤車后，隨著時間的推移，轉子晃度逐漸減小直至恢復正常值。

3? 振動故障識別

分析振動頻譜圖，可發(fā)現(xiàn)該9F多聯(lián)供燃氣能源站項目汽輪機#1軸承長期處于碰磨的臨界狀態(tài)，隨著機組負荷的變換、啟動過程中脹差的變化，使得#1軸承出現(xiàn)碰磨現(xiàn)象，導致#1軸承處的軸振每一段時間（無規(guī)律）出現(xiàn)波動。分析過程如下：

升速過程，振幅高于正常水平;穩(wěn)定在某一轉速時，蒸汽溫度、壓力等參數(shù)不變，但是振幅仍會出現(xiàn)波動，如圖4所示。

額定轉速下，振幅是一條平滑連續(xù)的曲線;當負荷發(fā)生變化時，振幅有可能會出現(xiàn)波動，而且波動滯后于工況的變化，但沒有明顯的固定周期;振動波動后，振幅一般都能恢復到正常水平，但每次都需經歷較長時間，而且經過一段時間后又會再次發(fā)生[2]，如圖5所示。

停機過程中，惰走至高壓轉子臨界轉速區(qū)域時振幅明顯較啟動時大，如圖6所示。

振動波動前，高壓缸前軸承（#1軸承）軸心軌跡高度扁平，顯示X方向存在較大的徑向載荷;振動波動時，軸心軌跡圖的橢圓率（Y/X）變小，顯示X方向的約束由于振動的波動而減小，如圖7所示。

振動幅值波峰位置（穩(wěn)態(tài)運轉期間），平均軸心位置發(fā)生了突變;振動幅值波峰過后（穩(wěn)態(tài)運轉期間），平均軸心位置發(fā)生了顯著偏移，說明動靜碰磨已經脫開，如圖8所示。

振動波動前，次同步振動為正向進動分量;振動波動時，顯示出明顯的反向移動分量，說明存在作用方向與旋轉方向相反的切向摩擦力，如圖9所示。

振動波動時，頻譜成分主要表現(xiàn)為一倍頻（基頻），其他倍頻較少，符合摩擦振動的特性，如圖10所示。

對比啟停機波特圖，停機過程的振動比啟動過程大得多，而且相位變化明顯，反映出轉子的平衡狀態(tài)已經發(fā)生了改變，如圖11所示。

投入盤車初期，高壓轉子存在熱彎曲跡象，高壓轉子#1軸承測點位置晃度升高，且高壓缸內能聽到金屬摩擦聲;連續(xù)盤車過后，隨著時間的推移，轉子晃度逐漸減小直至恢復正常值（約30μm），如圖12所示。

通過對振動發(fā)生時的特征、數(shù)據及圖譜分析，可以確定振動異常是由動靜碰磨引起的。轉子與汽封相碰時，有切向力存在。切向力推動轉子繞O點作反向渦動，如圖13所示。

4? 振動故障確認

一般情況下，汽輪機組動靜碰磨多發(fā)生在汽封等位置，且多數(shù)是徑向碰磨。一般徑向碰磨，會使汽封片或油擋磨損，形成合理配合間隙，待轉子冷卻、彎曲恢復后，再次開機沖轉，消除碰磨故障。[3]但該機組多次啟動后仍然存在振動異?，F(xiàn)象，需解體后進一步分析，經檢查發(fā)現(xiàn)高中壓缸下缸軸封部位汽封圈存在不同程度的卷邊痕跡;高中壓轉子軸封位置存在不同程度的碰磨痕跡;前軸承箱擋油環(huán)和中軸承箱前后擋油環(huán)均存在較為嚴重的積碳現(xiàn)象;原本用于對高壓內缸進行軸向及垂直定位的L鍵的掛耳與對應的外上缸部位壓縮變形。

5? 振動因素分析

結合該機組啟停、運行、檢修的情況分析，除了間隙設置和調整不合理，機組還可能存在其他不同因素造成碰磨，需要進一步對汽輪機及管道系統(tǒng)的設計、安裝、運行進行全面的檢查，提出各種可能影響機組振動的因素，逐項排查，治理消除。經分析，提出以下主要可能存在的問題：①高壓內缸豎直方向定位;②貓爪熱膨脹;③前箱膨脹不暢;④高壓進汽與排汽管道推力;⑤高排通風閥運行方式;⑥橢圓瓦動特性差。

6? 振動異常治理

根據以上分析，專業(yè)技術人員提出多種解決方案，經綜合考慮安全、費用、工期等多方面因素，結合現(xiàn)場實際情況，決定開展以下幾個主要工作。[4]對機組問題進行治理：

①高壓缸L鍵優(yōu)化。更改L型調整墊片形式，以限制高壓內缸在機組運行過程中上浮，有效避免高壓缸動靜部件發(fā)生徑向碰磨。②通流間隙重新調整。綜合考慮缸體部件熱膨脹量，結合汽封磨損實際情況，調整高中壓缸通流間隙至合適范圍。③優(yōu)化機組啟動方式，取消高排通風系統(tǒng)及其閥前疏水，改用高、中壓缸聯(lián)合啟動的方式。④車削#1軸承烏金面寬度，減小長徑比，以提高軸瓦穩(wěn)定性。⑤為高壓缸貓爪增加冷卻水管，校核本體管道支吊架調整情況等，排除了其他可能影響因素。

除此之外，現(xiàn)場還分析了其它相關可能因素，如運行中各軸承潤滑油溫度的對比和調整，汽缸兩側膨脹偏差等隱患，提高了機組的安全性;增設貓爪墊片冷卻水，以減小貓爪溫度，降低墊塊膨脹對缸體中心的影響;全面檢查調整管道支吊架，為高排管道增加橫向力限位支架，減小管道橫向膨脹對缸體中心的影響。

7? 振動治理效果

機組在做完以上檢修及調整后，運轉正常，振動合格，如表1所示。

8? 研究展望

目前，國內在發(fā)電設備故障診斷方面還存在一定的不足，特別是在如何利用人工智能開展大數(shù)據分析和專家遠程診斷，為發(fā)電機組安全經濟運行提供指導，以及科學合理進行檢修決策方面還存在短板，需要我們繼續(xù)在這些方面進行努力。

實際應用過程中，我們要依靠信息融合技術，將振動分析和其他故障特征提取技術相結合，加強對振動的監(jiān)視和數(shù)據積累分析，對振動故障機理及診斷方法做更為全面、深入的研究。

參考文獻：

[1]楊國安.機械設備故障診斷實用技術[M].中國電力出版社， 2014.

[2]Bently Nevada， Machinery Diagnostics Technical Training Book.

[3]劉峻華，黃樹紅.汽輪機故障診斷技術的發(fā)展與展望[J].汽輪機技術，2000，42（1）：1-6.

[4]寇勝利.汽輪發(fā)電機組的振動及現(xiàn)場平衡[M].中國電力出版社，2007.