30MW汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)原因分析及處理

蔡國(guó)娟

(中石化股份有限公司天津分公司，天津 300271)

石油化工企業(yè)中，汽輪發(fā)電機(jī)組是生產(chǎn)裝置的動(dòng)力保障，其作用是將鍋爐產(chǎn)生的蒸汽熱能轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)出電能。由于汽輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱效率高，且處于高溫、高壓、高真空、高轉(zhuǎn)速、小動(dòng)靜間隙、大力矩等惡劣條件下工作，使得機(jī)組在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的大小直接關(guān)系到機(jī)組能否安全運(yùn)行，大多數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組因異常振動(dòng)而停機(jī)處理。異常振動(dòng)是汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中缺陷、隱患的綜合反映，是發(fā)生故障的信號(hào)。因此，新安裝或檢修后的機(jī)組，必須經(jīng)過試運(yùn)行，測(cè)試各軸承振動(dòng)及各軸承處軸振在合格標(biāo)準(zhǔn)以下，方可將機(jī)組投入運(yùn)行。本文針對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)過大的現(xiàn)象，通過對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，分析故障原因，并采取解決措施，使機(jī)組振動(dòng)達(dá)到正常水平。

1 軸瓦振動(dòng)影響因素

從理論來講，引起機(jī)組軸瓦振動(dòng)大的原因是多方面的，既可能是生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)和制造方面的原因，也可能是發(fā)電廠調(diào)整操作的原因，還可能是安裝和檢修工藝水平等方面的原因[1]?？偨Y(jié)起來主要包括以下幾個(gè)方面：

1.1 設(shè)計(jì)制造方面

汽輪發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)制造時(shí)，加工精度不夠、裝配工藝質(zhì)量較差、機(jī)組支撐軸承選取不當(dāng)，是機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)的原因。

1.2 安裝檢修方面

汽輪發(fā)電機(jī)組在安裝和檢修過程中的工藝質(zhì)量對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響非常大，或者說機(jī)組的振動(dòng)很多時(shí)候都是可以通過安裝或檢修來解決的。例如軸承的標(biāo)高、滑銷系統(tǒng)、動(dòng)靜間隙等。軸瓦檢修工藝不高，會(huì)存在缺陷或者安全隱患。

1.3 運(yùn)行工況方面[2]

汽輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中機(jī)組葉片斷裂，造成轉(zhuǎn)子運(yùn)行不平衡，動(dòng)靜部分摩擦；機(jī)組負(fù)荷變化過快或者過大；轉(zhuǎn)子中心有偏差，機(jī)組中心不正；潤(rùn)滑油溫變化大，潤(rùn)滑油壓波動(dòng)頻繁，影響軸承油膜形成；汽輪機(jī)汽缸膨脹不均；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，勵(lì)磁機(jī)線圈接地或?qū)娱g短路造成負(fù)荷不對(duì)稱等都是機(jī)組產(chǎn)生異常振動(dòng)的原因。

2 汽輪發(fā)電機(jī)故障診斷案例

2.1 汽輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置

某石化公司一30MW汽輪發(fā)電機(jī)組由杭州汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，型號(hào)B17-8.83/4.2(HGS71/40)，剛性支撐，剛性聯(lián)軸器。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min，額定功率17MW，進(jìn)口壓力8.83 MPa，進(jìn)口溫度535℃，出口壓力4.2MPa，出口溫度440℃，潤(rùn)滑油壓力0.22 MPa，潤(rùn)滑油溫度38～42℃。發(fā)電機(jī)功率30MW，轉(zhuǎn)速3000r/min。機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 振動(dòng)故障分析

該汽輪發(fā)電機(jī)更新后于2013年5月重新啟機(jī)。試運(yùn)行過程中，對(duì)機(jī)組兩次離線監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)兩端振動(dòng)幅值不大，發(fā)電機(jī)兩端(3瓦，4瓦處)水平振動(dòng)幅值稍大，特別是發(fā)電機(jī)4瓦處軸向振動(dòng)幅值最高達(dá)5.23mm/s，且4瓦處潤(rùn)滑油溫度高于正常溫度范圍。根據(jù)ISO10816大型機(jī)組振動(dòng)烈度區(qū)域分類可知，對(duì)于剛性支撐的機(jī)組，該振動(dòng)幅值處于不能令人滿意的長(zhǎng)期工作的機(jī)器振動(dòng)區(qū)域。兩次振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1。

表1 各軸瓦振動(dòng)幅值(單位：mm/s)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，汽輪機(jī)兩側(cè)軸瓦振動(dòng)及瓦溫正常，可以排除汽輪機(jī)一側(cè)的故障。3、4瓦振動(dòng)幅值偏大，且4瓦處潤(rùn)滑油溫高于正常水平，說明發(fā)電機(jī)側(cè)存在運(yùn)行隱患。對(duì)振動(dòng)幅值較大的4瓦處軸向振動(dòng)進(jìn)行波形頻譜分析，波形頻譜圖如圖2所示。

從振動(dòng)頻譜圖中可以看出，主要頻率成分為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的工頻(50Hz)和二倍頻成分，其他諧波成分的幅值很小。根據(jù)故障診斷機(jī)理[3]，角度不對(duì)中主要引起軸向振動(dòng)，對(duì)于剛性聯(lián)軸節(jié)，軸向振動(dòng)的振幅要大于徑向振幅，且易激起工頻振動(dòng)，同時(shí)也存在多倍頻分量。推斷可能是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子存在角度不對(duì)中，使得發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在4瓦處與軸瓦的接觸長(zhǎng)度變小，載荷分布不均勻，產(chǎn)生動(dòng)靜摩擦，潤(rùn)滑油溫度上升，改變了軸瓦中的油膜壓力，油膜剛度變化，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)加大，導(dǎo)致軸瓦振動(dòng)異常。據(jù)分析原因可能是機(jī)組在安裝時(shí)，冷態(tài)對(duì)中數(shù)據(jù)有偏差，造成熱態(tài)工作狀態(tài)下汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的不對(duì)中。

圖2 發(fā)電機(jī)4瓦軸向振動(dòng)頻譜圖

2.3 解決措施及效果

與現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員和汽輪機(jī)廠家協(xié)商，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行停機(jī)檢查。將3、4瓦拆卸后，發(fā)現(xiàn)3、4瓦及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不同程度的磨損，4號(hào)軸瓦有烏金脫落。同時(shí)發(fā)現(xiàn)4瓦軸承座與臺(tái)板接觸不良，支撐剛度不足。通過振動(dòng)頻譜圖與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量分析，造成轉(zhuǎn)子及軸瓦嚴(yán)重受損的原因確實(shí)是由于整體軸系對(duì)中數(shù)據(jù)較差，4號(hào)軸瓦與軸頸底部接觸長(zhǎng)度不夠，軸瓦與軸頸水位間隙不均勻所致。

圖3 處理后發(fā)電機(jī)4瓦軸向振動(dòng)頻譜圖

最后抬高發(fā)電機(jī)3、4瓦軸承座，保證發(fā)電機(jī)前后軸承座與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子揚(yáng)度保持一致。如調(diào)整汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子揚(yáng)度，將影響機(jī)組進(jìn)汽管道、排汽管道、汽封管道、軸頭泵等設(shè)備管線應(yīng)力、中心問題，施工難度大，工期長(zhǎng)。具體做法是將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子冷態(tài)對(duì)中后(外圓在±0.02mm，左右開口為±0.02mm，上下開口為0或下開口0.02mm)，在軸承座下部墊斜墊鐵調(diào)整軸承座與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子揚(yáng)度保持一致[4]，并調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)中度，保證4瓦軸頸與瓦的接觸面長(zhǎng)度大于80%，水位間隙均勻，軸頸與軸瓦軸線同心，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理，重新加固了4瓦軸承座的基礎(chǔ)，滿足支撐剛度。

再次對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)各瓦進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，得到4瓦處的振動(dòng)頻譜圖如圖3所示。振動(dòng)幅值明顯減小，在允許機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的范圍之內(nèi)。

3 結(jié)束語

對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組，因冷態(tài)安裝、熱態(tài)工作時(shí)聯(lián)軸器兩側(cè)轉(zhuǎn)子中心變化的差別很大，從而可能導(dǎo)致軸承負(fù)荷分配及軸系穩(wěn)定性偏離設(shè)計(jì)值。冷態(tài)找轉(zhuǎn)子中心時(shí)預(yù)留合理的轉(zhuǎn)子冷熱態(tài)中心差值，可避免軸承烏金面受損及機(jī)組發(fā)生異常振動(dòng)。通過對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)和故障診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了機(jī)組運(yùn)行中存在的隱患，遏制了事故的發(fā)生，縮短了維修周期。