空分汽輪機(jī)碰摩案例分析

張世偉　徐東鎮(zhèn)　張保太

（1.中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古　鄂爾多斯　017300；2.GE本特利監(jiān)測與控制，江蘇　南京　210005）

空分汽輪機(jī)碰摩案例分析

張世偉1徐東鎮(zhèn)2張保太1

（1.中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017300；2.GE本特利監(jiān)測與控制，江蘇南京210005）

基于GE本特利的System1狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷平臺，對空分汽輪機(jī)上的兩個(gè)典型的碰摩案例（嚴(yán)重摩擦、輕微碰摩）進(jìn)行了對比介紹，為類似機(jī)組碰摩方面的狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷提供技術(shù)參考。

空分；汽輪機(jī)；碰摩

本文涉及的空分壓縮機(jī)組均由汽輪機(jī)進(jìn)行拖動。汽輪機(jī)的類型屬于單缸抽凝式。汽輪機(jī)運(yùn)行過程中的碰摩故障較為常見，主要是由于安裝、熱膨脹、管道、啟停機(jī)控制、負(fù)荷變化、抽汽、凝汽狀況等造成動靜間隙的異常變化，從而造成碰摩。因此關(guān)注汽輪機(jī)碰摩發(fā)生的機(jī)理、形式和故障診斷，對有效監(jiān)控、指導(dǎo)機(jī)組的運(yùn)行和檢修十分必要。以下結(jié)合兩個(gè)典型碰摩案例，對其機(jī)理、診斷分析進(jìn)行論述。

一、碰摩的機(jī)理及故障特征

第一、軸中心平均位置（直流量）異常，如非轉(zhuǎn)動部件翹曲、管道應(yīng)變、地基問題、溫升不均、殼體的變形、內(nèi)部外部不對中等。

第二、軸心軌跡（交流量）偏大，如由于不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲或流體激振引起過大的轉(zhuǎn)軸振動。

第三、內(nèi)部間隙不足。

從本質(zhì)上講，是轉(zhuǎn)子的軸中心平均位置（直流量）和軸心軌跡（交流量）疊加后超過了轉(zhuǎn)子和定子的可用間隙。不同的產(chǎn)生原因表現(xiàn)出不同的力的形式，力的性質(zhì)不同，帶來的故障特征就會產(chǎn)生差異，在此不作進(jìn)一步的闡述。碰摩發(fā)生時(shí)的故障特征主要由碰摩發(fā)生時(shí)的力的特性所決定，它們是沖擊力和摩擦力，如圖1所示。

沖擊力帶來對動靜部件的沖擊作用，可能會改變轉(zhuǎn)子運(yùn)動軌跡及帶來敲擊效應(yīng)，在某種轉(zhuǎn)速條件下激發(fā)分頻特征。摩擦力阻礙振動方向并產(chǎn)生熱效應(yīng)，帶來不同程度熱彎曲，引發(fā)合成不平衡力的變化，從而帶來1倍轉(zhuǎn)頻（同步）響應(yīng)的變化；同時(shí)動靜間隙的接觸時(shí)間，造成一定的削波和高次諧波特征；摩擦力的存在，帶來反向的受力特征，引起反進(jìn)動分量的變化，足夠大的摩擦，可能會導(dǎo)致振動方向完全或局部反向，即出現(xiàn)反進(jìn)動。同時(shí)碰摩程度不同，會產(chǎn)生不同的剛度效應(yīng)。表1是兩個(gè)案例的特征總結(jié)。表1特征建立在理論和有限經(jīng)驗(yàn)總結(jié)之上，且隨著動靜接觸時(shí)間，探頭距離碰摩位置的遠(yuǎn)近，特征會有所區(qū)別，此表僅供參考。本文提到的案例僅涉及到RPMo＜2xRPMr的嚴(yán)重摩擦和RPMo≥2xRPMr的輕微碰摩，對于RPMo≥2xRPMr的嚴(yán)重摩擦及RPMo＜2xRPMr的輕微碰摩未作說明。

圖1　碰摩受力示意圖

二、案例介紹

1.汽輪機(jī)嚴(yán)重摩擦

（1）機(jī)組信息

空分裝置空壓、增壓機(jī)組汽輪機(jī)兩端分別驅(qū)動空壓機(jī)和增壓機(jī)。汽輪機(jī)屬于單缸抽凝式，進(jìn)汽側(cè)靠近增壓機(jī)，排汽側(cè)靠近空壓機(jī)。機(jī)組轉(zhuǎn)速5369r/min，汽輪機(jī)輸出功率30501kW。臨界轉(zhuǎn)速接近3800r/min，因此汽輪機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速小于2x一階臨界轉(zhuǎn)速。

表1　本文案例碰摩故障特征

（2）案例背景

機(jī)組處在正常運(yùn)行過程中，此前機(jī)組會間隔1到2天就啟停機(jī)一次。汽輪機(jī)軸振在10s中增加，靠空壓機(jī)其中一個(gè)測點(diǎn)振動增加達(dá)到跳機(jī)值，其他測點(diǎn)也存在同趨勢的變化，振動變化最大的主要是汽輪機(jī)靠近空壓機(jī)的測點(diǎn)。

（3）診斷分析

從圖2的軸振趨勢圖可知，軸振變化的主要頻率成分是1x同步響應(yīng)，幅值和相位均發(fā)生變化，雖然變化時(shí)間不長，但并不是瞬間發(fā)生的（1～2s間），而是逐漸變化，這一點(diǎn)有別于轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的突變，但符合碰摩的幅值和相位特征。振動增大后軸心軌跡（圖3）說明靠近進(jìn)汽側(cè)垂直方向預(yù)載荷的存在，另外全頻瀑布圖中也呈現(xiàn)出反進(jìn)動分量的增大，而排汽側(cè)1x正進(jìn)動分量更顯著，這是嚴(yán)重摩擦的表現(xiàn)，且摩擦部位可能靠近排汽側(cè)。

摩擦問題基本確認(rèn)后，就要分析探討誘發(fā)摩擦的可能原因。在振動增大之前，汽輪機(jī)兩側(cè)的軸振幅值很小，可以排除離心力過大造成的摩擦。接下來需要重點(diǎn)關(guān)注軸中心平均位置的特點(diǎn)。兩次的軸中心平均位置在啟機(jī)進(jìn)入工作轉(zhuǎn)速后，汽輪機(jī)兩側(cè)的軸心位置均開始下降，并穩(wěn)定在某個(gè)位置，這是缸體及軸承座熱膨脹的結(jié)果。但本次跳機(jī)的軸中心平均位置相對正常的圖形，汽輪機(jī)兩側(cè)的熱態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的位置出現(xiàn)了明顯的偏差（相差120μm），且相對正常的那次，汽輪機(jī)進(jìn)汽側(cè)軸心位置在啟機(jī)過程中抬升高度明顯較低（僅抬升到80μm，正常抬升到250μm），在低速狀態(tài)下，軸頸抬升較為困難，說明在進(jìn)汽側(cè)附加了額外的預(yù)載荷，這與圖3的軸心軌跡也能對應(yīng)起來。由此可見機(jī)組在幾次啟停機(jī)運(yùn)行后，出現(xiàn)了熱態(tài)不對中的狀態(tài)，這可能與汽輪機(jī)的熱膨脹不均勻有關(guān)。

（4）現(xiàn)場反饋

機(jī)組停機(jī)后對汽輪機(jī)進(jìn)行了揭缸檢查，發(fā)現(xiàn)靠近排汽側(cè)的低壓級靜葉與轉(zhuǎn)子嚴(yán)重摩擦（圖4）。測量發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)對中狀態(tài)偏差較大。

2.汽輪機(jī)輕微碰摩

（1）機(jī)組信息

空分裝置氮壓機(jī)組，汽輪機(jī)帶動齒輪箱，驅(qū)動氮壓機(jī)。汽輪機(jī)屬于單缸抽凝式，機(jī)組轉(zhuǎn)速8800r/min，汽輪機(jī)輸出功率111164kW。臨界轉(zhuǎn)速接近3800r/ min，因此汽輪機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速高于2x一階臨界轉(zhuǎn)速。

（2）案例背景

機(jī)組處在正常運(yùn)行過程中，汽輪機(jī)兩側(cè)測點(diǎn)均出現(xiàn)軸振波動現(xiàn)象，波動最高幅值接近報(bào)警值。

圖2　汽輪機(jī)兩側(cè)軸振變化趨勢（201A/B：進(jìn)汽側(cè)；202A/B：排汽側(cè)）

圖3　振動增大前后汽輪機(jī)兩側(cè)軸心軌跡

（3）診斷分析

汽輪機(jī)軸振的振動趨勢見圖5，4個(gè)測點(diǎn)均出現(xiàn)波動現(xiàn)象，波動的主要頻率成分是同步響應(yīng)1x。圖6的極坐標(biāo)圖反映了同步響應(yīng)矢量的變化特點(diǎn)，相位存在變化，但不是很大，表現(xiàn)為不平緩和不連續(xù)的圓圈。波動時(shí)，1x頻率成分的正反進(jìn)動分量均出現(xiàn)變化，尤其是進(jìn)汽側(cè)。以上描述，均反映出輕微碰摩的特征。綜上所述，由輕微碰摩的故障現(xiàn)象可以確定，問題可能是油擋結(jié)垢，摩擦后又重新積聚。

圖4　低壓級靜葉及轉(zhuǎn)子摩擦實(shí)拍

圖5　汽輪機(jī)軸振趨勢

圖6　汽輪機(jī)兩側(cè)1x極坐標(biāo)圖

（4）現(xiàn)場反饋

現(xiàn)場持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后，狀態(tài)較為穩(wěn)定，大修時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)汽側(cè)前汽封處有高溫印記，油擋結(jié)垢碰摩（圖7）。

圖7　現(xiàn)場實(shí)拍汽輪機(jī)進(jìn)汽側(cè)汽封及油擋部位

三、結(jié)語

第一、碰摩屬于某種問題的繼發(fā)故障，故障特征與機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速、碰摩嚴(yán)重程度等密切關(guān)聯(lián)，要結(jié)合不同特征，做到有效準(zhǔn)確判斷。

第二、注意把握故障變化特征，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)的變化，對問題的程度和原因作出判斷，可靠的在線監(jiān)測系統(tǒng)至關(guān)重要。

第三、對嚴(yán)重摩擦及根本原因的分析判斷，可以防止二次啟機(jī)帶來的未知影響，并為檢修提供合理化建議。

對輕微碰摩的判斷，有助于把握設(shè)備問題的原因，有效地監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行，為生產(chǎn)與檢修的合理安排提供參考。

TM311

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1671-0711（2015）12-0081-03

（2015-08-10）