給水泵汽輪機(jī)間歇性振動(dòng)故障的分析與診斷

邊技超，白雅賀,2，高　倩

(1. 中國能源建設(shè)集團(tuán)北京電力設(shè)備總廠有限公司 特種工業(yè)汽輪機(jī)廠，北京 102401；2. 華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

0　概　述

目前，大部分發(fā)電廠的鍋爐給水泵均采用汽輪機(jī)拖動(dòng)。相比于電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)而言，汽輪機(jī)拖動(dòng)給水泵可減少廠用電，提高機(jī)組的熱效率，提高給水泵運(yùn)行的可靠性及減少投資額[1，2]。給水泵汽輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，直接關(guān)系到整個(gè)發(fā)電機(jī)組安全及高效運(yùn)行。高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備的非線性振動(dòng)，包括半速渦動(dòng)、低頻振蕩、碰摩等故障，將嚴(yán)重影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生碰摩等故障后，輕則導(dǎo)致汽封、油檔等部件的磨損，縮短部件的使用壽命、降低汽輪機(jī)效率，嚴(yán)重時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致葉片斷裂、主軸彎曲，甚至使整個(gè)汽輪機(jī)損壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失及引發(fā)生產(chǎn)安全事故[3-6]?，F(xiàn)通過研究故障實(shí)例，分析和研究給水泵汽輪機(jī)的間歇性振動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)振動(dòng)的發(fā)生條件、表現(xiàn)特征，提出了處理故障的方法，為類似振動(dòng)故障的處理，提供參考。

1　設(shè)備概況

1.1　軸系的布置

某熱電廠的主汽輪機(jī)為亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、單軸抽汽凝汽式汽輪機(jī)，配套的鍋爐給水泵動(dòng)力源是給水泵汽輪機(jī)。

給水泵汽輪機(jī)與給水泵組成的軸系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。軸系中的聯(lián)軸器為撓性聯(lián)軸器，汽輪機(jī)側(cè)1號與2號軸承為固定瓦推力軸承，進(jìn)油方式為侵入式。1號軸承是推力軸承與徑向軸承組成的聯(lián)合軸承。徑向軸承襯瓦表面與推力軸承工作面及非工作面上都涂有烏金，并裝有熱電阻作為溫度探頭，設(shè)置了超溫報(bào)警及報(bào)警提示。給水泵汽輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，約為5 400 r/min。

圖1軸系結(jié)構(gòu)示意圖

1.2　振動(dòng)現(xiàn)象

該給水泵汽輪機(jī)于2016年初投入運(yùn)行，在2016年9月，已出現(xiàn)間歇性振動(dòng)現(xiàn)象。間歇性振動(dòng)的波動(dòng)曲線，如圖2所示。

圖2間歇性振動(dòng)的波動(dòng)曲線

振動(dòng)時(shí)，檢測了汽動(dòng)給水泵組的基本參數(shù)及運(yùn)行情況。

(1)熱力參數(shù)正常。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)汽壓力、進(jìn)汽溫度、前后軸承溫度、潤滑油溫度、單列級溫度以及汽泵入口流量、壓力等參數(shù)，均沒有發(fā)生波動(dòng)。

(2)給水泵側(cè)的3號、4號振動(dòng)測點(diǎn)，運(yùn)行正常。

(3)發(fā)生振動(dòng)的間隔時(shí)間無規(guī)律。發(fā)生振動(dòng)的間隔時(shí)間，最短為1天，最長約為8天。

(4)發(fā)生間隙性振動(dòng)時(shí)，1號軸承處測點(diǎn)顯示的振動(dòng)幅值，明顯增加。1號測點(diǎn)的X方向振幅，從約20 μm增至約50 μm。1號測點(diǎn)Y方向振幅，從約50 μm增至約70 μm。2號軸承處測點(diǎn)的振幅，則有小幅下降。4個(gè)測點(diǎn)的具體振動(dòng)值，如表1所示。

表14個(gè)測點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)刻及振幅值單位：μm

2　振動(dòng)故障的分析與診斷

2.1　振動(dòng)特征

在振動(dòng)發(fā)生時(shí)，存在一些典型的振動(dòng)特征，以1號測點(diǎn)X方向上的振幅為例進(jìn)行說明。從圖3的頻譜分析可知，此時(shí)，除工頻振動(dòng)之外，還存在1/2倍頻的低頻振動(dòng)，以及2倍頻、3倍頻等的高頻振動(dòng)。另外，在圖4的左圖中，為正常運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)波形圖，右圖為振動(dòng)波動(dòng)時(shí)刻的振動(dòng)波形圖。此時(shí)的波形圖存在輕微的削峰現(xiàn)象。這2種振動(dòng)現(xiàn)象，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備中，均為轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備與靜件發(fā)生動(dòng)靜碰摩的典型特征。

圖3振動(dòng)波動(dòng)時(shí)刻頻譜結(jié)構(gòu)圖

圖4振動(dòng)波動(dòng)時(shí)刻波形圖變化情況

2.2　理論分析

對于旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生的動(dòng)靜碰摩故障，可簡化為簡單的拉法爾轉(zhuǎn)子模型進(jìn)行分析[7]。拉法爾轉(zhuǎn)子動(dòng)

圖5拉法爾轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰摩模型

靜碰摩的模型，如圖5所示。

根據(jù)拉法爾轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方程式，得：

(1)

式(1)中，

C—當(dāng)量阻尼；

M—當(dāng)量質(zhì)量；

K—當(dāng)量剛度；

ω—旋轉(zhuǎn)角速度；

e—偏心距。

m—圓盤質(zhì)量。

通過推導(dǎo)式(1)，可得此模型的一階臨界轉(zhuǎn)速為：

(2)

所以，當(dāng)碰摩發(fā)生時(shí)，此時(shí)的臨界轉(zhuǎn)速會(huì)升高，并可得公式：

(3)

在式(3)中：

A1—工頻振幅；

A2—二倍頻振幅；

ωc—渦動(dòng)角速度。

另外，因?yàn)楫a(chǎn)生碰摩，轉(zhuǎn)子上存在沖擊力及摩擦力，這2種力都具有非線性的特性，所以，會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的諧波分量。若產(chǎn)生嚴(yán)重的碰摩現(xiàn)象，將使轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)一定的混沌特性。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，大部分碰摩都屬于輕度碰摩，所以，在振動(dòng)圖譜上，主要以工頻振幅的變化為主，其他頻譜的分量較少。

2.3　故障診斷及分析

根據(jù)分析，初步判斷此給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子存在周期性的輕度徑向碰摩，而引起此類現(xiàn)象的發(fā)生，主要有幾個(gè)方面的原因。

(1)前、后油檔與轉(zhuǎn)子存在碰摩現(xiàn)象。

(2)前、后軸承與轉(zhuǎn)子存在碰摩現(xiàn)象。

(3)在高、低壓軸封及隔板汽封處，存在碰摩現(xiàn)象。

如果因軸承的磨損，導(dǎo)致了支撐剛度的不足，引起碰摩，將會(huì)表現(xiàn)為振動(dòng)波動(dòng)周期越來越短、振幅值越來越大。由于高低壓軸封、隔板汽封處的間隙較小、缸體受熱膨脹變形等原因引起碰摩，一般在啟機(jī)初期，就會(huì)出現(xiàn)碰摩，且不存在周期性的振動(dòng)。所以，產(chǎn)生振動(dòng)的最大原因，可能是由于前、后油檔與轉(zhuǎn)子發(fā)生了碰摩。

在運(yùn)行過程中，前軸承箱內(nèi)為微負(fù)壓狀態(tài)，很容易導(dǎo)致配汽機(jī)構(gòu)上脫落的保溫材料、外界灰塵等雜質(zhì)被吸入油檔密封齒之間的縫隙，從而形成油垢。在高溫環(huán)境下，油垢被碳化固結(jié)，當(dāng)積垢過多時(shí)，將與此處的轉(zhuǎn)子發(fā)生摩擦和擠壓，從而造成振幅值的增大。而當(dāng)油垢被磨平或脫落后，消除了碰摩現(xiàn)象，振幅值又恢復(fù)正常。如此不斷重復(fù)，導(dǎo)致了給水泵汽輪機(jī)的間歇性振動(dòng)故障。1號軸承油檔積垢的實(shí)物，如圖6所示。

圖61號軸承油檔積垢實(shí)物圖

對機(jī)組進(jìn)行C級檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)前后軸承完好，沒有碰摩痕跡。但查看前后油檔時(shí)，發(fā)現(xiàn)在1號軸承油檔的密封齒間，已經(jīng)積滿油垢，且由于油垢過多，導(dǎo)致油檔底部的出油口被嚴(yán)重堵塞，潤滑油已不能通過。因此，離軸承較遠(yuǎn)部位的積灰已呈顯干燥狀態(tài)?，F(xiàn)場環(huán)境較差的狀態(tài)，如圖7所示。

圖7現(xiàn)場環(huán)境

經(jīng)分析后，可判斷造成前油檔處嚴(yán)重積垢的主要原因，是油箱排煙風(fēng)機(jī)處的擋板開度較大，使得前軸承箱的負(fù)壓較低，灰塵雜質(zhì)被大量吸入油檔?，F(xiàn)場環(huán)境較差，存在大量的保溫材料碎片及灰塵，為油垢的形成提供了條件。

3　處理措施

在檢修過程中，采取了一系列的措施。

(1)仔細(xì)清理了油檔處的雜物。清理后的結(jié)果，如圖8所示。

(2)制定了相應(yīng)的操作規(guī)范，可長期保持現(xiàn)場環(huán)境的整潔。

(3)減小排煙風(fēng)機(jī)出擋板的開度，從而適當(dāng)調(diào)整了前軸承箱的負(fù)壓，避免雜質(zhì)再次被吸入油檔。

圖8清理后的油檔

采取各項(xiàng)措施后，重新安裝了油檔。再次啟動(dòng)機(jī)組運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)1號、2號的4個(gè)測點(diǎn)處間歇性振動(dòng)已消失，并且振幅值長期保持在25～30 μm。

4　結(jié)　語

通過實(shí)例，分析了給水泵汽輪機(jī)發(fā)生間歇性振動(dòng)的故障原因。根據(jù)振動(dòng)發(fā)生的條件和表現(xiàn)特征，并給出了處理方法。

(1)發(fā)生此類間歇性振動(dòng)故障，主要原因是由于間隙的調(diào)整不當(dāng)、前軸承箱的負(fù)壓過大、現(xiàn)場環(huán)境較差，導(dǎo)致油檔密封齒間的油垢過多，轉(zhuǎn)子之間的間隙逐漸減小，當(dāng)振幅值大于間隙值時(shí)，就會(huì)發(fā)生碰摩或摩擦。

(2)此類間歇性振動(dòng)故障的表現(xiàn)特征，是發(fā)生振動(dòng)的間隔時(shí)間不固定，振幅值不會(huì)逐漸增大或者逐漸減小。

(3)清理油檔處的油垢及雜質(zhì)后，同時(shí)減小了排煙風(fēng)機(jī)處的擋板開度，防止雜質(zhì)再被吸入油檔，從而消除了此類間歇性的振動(dòng)故障。

參考文獻(xiàn):

[1] 趙鵬飛.火力發(fā)電廠汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵節(jié)能分析[J].機(jī)械管理開發(fā)，2017，32(10)：30-49.

[2] 趙建，牛全興，黎淵博.小機(jī)排汽對主機(jī)凝汽器的影響研究[J].山東電力技術(shù)，2017，44(8)：60-65.

[3] 李錄平，鄒新元，陳薦.汽輪發(fā)電機(jī)組碰磨故障的典型特征研究[J].振動(dòng)、測試與診斷，2001，21(4)：281-296.

[4] 劉玉智，張志明，謝衛(wèi)兵.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子碰磨振動(dòng)特征實(shí)測分析[J].現(xiàn)代電力，2005，22(2)：42-45.

[5] 陳江，沙德生.電廠輔機(jī)振動(dòng)故障診斷與處理[J].電站輔機(jī)，2003(1):24-27.

[6] 邊技超，付忠廣，楊金福.高速氣體軸承轉(zhuǎn)子周期性碰摩故障試驗(yàn)研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2015，35(5)：130-138.

[7] 李明，賈向龍，曹艷.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰摩理論分析及判別特征[J].陜西電力，2011，39(9)：42-44.

簡訊

全年工程建設(shè)瞄準(zhǔn)1022萬千瓦目標(biāo)

日前，電建核電公司面對 2018 年全年投產(chǎn)發(fā)電 1022 萬千瓦的繁重施工任務(wù)，各在建項(xiàng)目部以建設(shè)精品工程為目標(biāo)，在保證工程質(zhì)量和安全的前提下，不斷加快工程建設(shè)速度。為了確保高效地完成 1022 萬千瓦機(jī)組的建設(shè)任務(wù)，電建核電公司采取了多項(xiàng)有力措施，全面推進(jìn)樣板項(xiàng)目異地復(fù)制活動(dòng)，大力開展科技創(chuàng)新活動(dòng)，積極開發(fā)、推廣、應(yīng)用新技術(shù)。努力開拓和使用社會(huì)資源，更為有效地完成施工任務(wù)。

摘自上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠技術(shù)部《信息簡訊》第232期