S109FA型單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速軸振異常分析和處理

葛建春

(福建晉江天然氣發(fā)電有限公司，福建 晉江 362251)

GE公司的S109FA單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組軸系主要由燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子、負(fù)荷短軸、汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等組成，如圖1所示，其中1～5為可傾瓦軸承，6～8為橢圓瓦軸承，推力軸承位于1號(hào)軸承處，只有1號(hào)和2號(hào)軸承有頂軸油。對(duì)于兩班制調(diào)峰運(yùn)行的機(jī)組，由于軸系長達(dá)42 m，經(jīng)常發(fā)生因軸承油膜失穩(wěn)、軸系不對(duì)中、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、動(dòng)靜碰磨等造成的振動(dòng)故障，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

圖1 軸系布置

本文主要研究了一起在正常停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3號(hào)軸承軸振異常偏大的故障案例，通過采取調(diào)節(jié)潤滑油溫度、軸系找中、調(diào)整軸承標(biāo)高、全速空載等待、轉(zhuǎn)子平衡配重等方法探索臨時(shí)措施和根本處理方案，并進(jìn)行原因分析和總結(jié)，為處理和避免類似故障積累經(jīng)驗(yàn)。

1 機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象

某燃?xì)怆姀S一期工程裝配四臺(tái)S109FA單軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，機(jī)組在投產(chǎn)初期啟停和滿負(fù)荷運(yùn)行過程中各軸承振動(dòng)情況良好，運(yùn)行2年后，其中2臺(tái)機(jī)組頻繁發(fā)生停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)大故障，且隨運(yùn)行時(shí)間增長而不斷惡化，如圖2和3所示，主要表象為：

(1) 滿負(fù)荷工況時(shí)各軸承軸振一般不大于0.10 mm，啟機(jī)至臨界轉(zhuǎn)速工況時(shí)各軸承最大軸振一般不超過0.15 mm。

(2) 停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速工況時(shí)，3X軸振大于0.20 mm，3Y及其它軸承軸振不大于0.10 mm，各軸承瓦振和瓦溫?cái)?shù)據(jù)未發(fā)生明顯異常。

(3) 停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速工況時(shí)，3X軸振主要是一倍頻分量，且高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)軸承振動(dòng)相位基本相同。

(4) 停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速工況時(shí)，3X偏大問題與機(jī)組冷熱態(tài)啟機(jī)運(yùn)行方式無直接關(guān)聯(lián)。

圖2 停機(jī)降轉(zhuǎn)速過程3X軸振圖

圖3 停機(jī)降轉(zhuǎn)速過程3Y軸振圖

2 振動(dòng)影響因素試驗(yàn)研究

為避免故障進(jìn)一步惡化，從以下幾方面進(jìn)行探索性研究查找問題原因，并適時(shí)采用有效的臨時(shí)措施，為徹底根除故障爭取時(shí)間和積累分析數(shù)據(jù)。

2.1 改變潤滑油溫度

表1為潤滑油溫度對(duì)4號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響。從表1可以看出：

(1) 潤滑油溫度降低約3 ℃，3X升高0.006 mm；潤滑油溫度升高4.5 ℃，3X降低0.012 mm。因此，相同溫升和溫降時(shí)，提高溫度對(duì)3X影響更大。

(2) 停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，3X振動(dòng)大，3Y振動(dòng)小，說明軸頸在3號(hào)軸承內(nèi)沿X方向偏移較大，此時(shí)X方向油膜增厚，若提高潤滑溫度，可降低X方向油膜厚度，從而降低X方向振動(dòng)，Y方向振動(dòng)基本不變。

(3) 油溫調(diào)整不易太高，一方面可能會(huì)引起軸承溫度高造成潤滑油油質(zhì)老化，另一方面可能會(huì)降低油壓影響潤滑效果。因此，通過提高油溫降低停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)的措施是受限的，效果也不佳。

表1 潤滑油溫度對(duì)4號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響

注：1) 機(jī)組正常停運(yùn)時(shí)潤滑油溫度為49 ℃；

2) 潤滑油壓等參數(shù)未做調(diào)整。

2.2 停機(jī)解列至全速空載等待

表2為全速空載時(shí)長對(duì)3號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響。從表2可以看出：停機(jī)解列至全速空載等待時(shí)間越長，降速至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X和3Y振動(dòng)下降幅度越大，效果越明顯。

表2 全速空載時(shí)長對(duì)3號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響

注：機(jī)組正常停運(yùn)時(shí)潤滑油溫度、壓力等參數(shù)未做調(diào)整。

2.3 軸系找中

表3為軸系找中對(duì)4號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響。從表3可以看出：

(1) 第一次軸系找中后，停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X增大；第二次軸系找中后，停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)有小幅下降，但點(diǎn)火運(yùn)行23次至2014年6月18日停機(jī)時(shí)達(dá)到0.185 mm，之后至下次找中前一直維持在0.180～0.210 mm；第三次軸系找中基本沒有效果。

(2) 啟動(dòng)和正常運(yùn)行過程中，各軸承瓦溫和振動(dòng)均正常，軸系不對(duì)中不是停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)大問題的根本原因，找中效果也不明顯，如果找中不當(dāng)可能會(huì)加劇3X振動(dòng)幅值。

表3 軸系找中對(duì)4號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響

2.4 調(diào)整軸承標(biāo)高

表4為調(diào)整軸承標(biāo)高對(duì)3號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響。從表4可以看出：

(1) 調(diào)整3號(hào)軸承標(biāo)高主要是增加負(fù)載，油膜厚度變薄，油膜剛度增大，可以暫時(shí)降低停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)，隨著運(yùn)行時(shí)間增長會(huì)繼續(xù)惡化。

(2) 調(diào)整3號(hào)軸承標(biāo)高要從軸系的負(fù)荷分配角度綜合進(jìn)行考慮。如在2016年6月22日熱態(tài)啟動(dòng)過程因4號(hào)軸承振動(dòng)大跳閘，再次對(duì)4號(hào)軸承進(jìn)行標(biāo)高調(diào)整才暫時(shí)緩解振動(dòng)故障。

表4 調(diào)整軸承標(biāo)高對(duì)3號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響

2.5 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子配重

在燃?xì)廨啓C(jī)未揭缸檢修的情況下，一般在透平三級(jí)動(dòng)葉輪盤配重，如圖4的③位置。在機(jī)組未檢修的情況下，一般在負(fù)荷短軸中間配重，如圖5的④位置；或在靠近汽輪機(jī)側(cè)的靠背輪配重，如圖5的⑤位置。

圖4 燃?xì)廨啓C(jī)透平轉(zhuǎn)子配重示意圖

圖5 負(fù)荷短軸配重示意圖

表5為燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子配重對(duì)3號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響。從表5可以看出：燃?xì)廨啓C(jī)三級(jí)動(dòng)葉輪盤配重(圖4的③位置)和負(fù)荷短軸中間配重(圖5的④位置)可適當(dāng)降低停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)，但可能會(huì)對(duì)定速滿負(fù)荷工況下各軸承振動(dòng)產(chǎn)生不利影響，效果不明顯。

表5 燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子配重對(duì)3號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響

注：1) 燃機(jī)三動(dòng)輪盤一次配重：③加552g∠330°；

2) 燃機(jī)三動(dòng)輪盤二次配重：③拆552g∠330°，③加690g∠260°；

3) 負(fù)荷短軸中間配重：④加232g∠300°。

3 振動(dòng)原因分析

通過上述大量試驗(yàn)和頻譜分析，基本排除油膜渦動(dòng)、軸系不對(duì)中、燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡等因素對(duì)停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X軸振的影響?？紤]到停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，1號(hào)和2號(hào)軸承軸振較小，3號(hào)軸承軸振較大，且高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)軸承振動(dòng)相位基本同相，初步推斷故障原因是由于高中壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起。

4 汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)

汽輪機(jī)在未揭缸檢修的情況下，一般在兩側(cè)和中間位置配重，如圖6所示，其中⑥和⑧是兩側(cè)配重位置，⑦是中間配重位置。

圖6 高中壓轉(zhuǎn)子配重示意圖

4.1 高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)配重

表6為高中壓兩側(cè)配重對(duì)4號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響。從表6可以看出：在汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)配重(圖6的⑥和⑧位置)，可以暫時(shí)降低停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)，且振動(dòng)幅值下降有限；隨運(yùn)行時(shí)間增長，停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)會(huì)持續(xù)惡化至報(bào)警甚至跳閘。

表6 高中壓兩側(cè)配重對(duì)4號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響

注：1)“FS”指點(diǎn)火啟動(dòng)次數(shù)；

2)第1次配重：⑥和⑧各加350g∠200°；

3)第2次配重：⑥和⑧各加500g∠128°；

4)第3次配重：⑥和⑧各拆500g∠128°，⑥和⑧各加272g∠254°。

4.2 高中壓轉(zhuǎn)子中間配重

表7為高中壓中間配重對(duì)4號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響。從表7可以看出：在汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子中間配重面配重(圖6的⑦位置)，可以較大降低停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)幅值，對(duì)其它軸承在啟停機(jī)及定速工況下的軸振無明顯影響，且不會(huì)隨運(yùn)行時(shí)間增長而惡化，說明此方案才是消除故障的根本措施。

表7 高中壓中間配重對(duì)4號(hào)機(jī)臨界轉(zhuǎn)速3號(hào)軸振影響

注：1) “FS”指點(diǎn)火啟動(dòng)次數(shù)；

2) 配重：⑦加554g∠250°。

4.3 原因分析

由于停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)大是由于汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子不平衡造成，且不平衡力位于高中壓轉(zhuǎn)子中間部位，當(dāng)在高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)進(jìn)行配重時(shí)，配重面和失衡面不重合，在3個(gè)力的作用下，隨著運(yùn)行時(shí)間增長，轉(zhuǎn)子會(huì)出現(xiàn)越來越大的彎曲變形，從而導(dǎo)致臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)越來越大，如圖7所示。當(dāng)在高中壓轉(zhuǎn)子中間面配重時(shí)，則會(huì)避免轉(zhuǎn)子彎曲變形，從而徹底根除故障。

圖7 轉(zhuǎn)子彎曲變形示意圖

5 結(jié)語

(1) 軸系找中、燃?xì)廨啓C(jī)三級(jí)動(dòng)葉輪盤配重、負(fù)荷短軸配重等方式基本無法有效降低停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)，有時(shí)反而會(huì)惡化，甚至?xí)绊懫渌r下各軸承振動(dòng)。

(2) 延長停機(jī)解列至全速空載時(shí)長可以降低停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)，由于全速空載會(huì)造成天然氣和電量消耗影響經(jīng)濟(jì)性，只能作為應(yīng)急臨時(shí)措施。

(3) 調(diào)整3號(hào)軸承標(biāo)高可以作為臨時(shí)措施降低停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)，但也可能會(huì)引起相鄰軸承負(fù)荷分配發(fā)生變化造成其它振動(dòng)異常，因此要綜合考慮進(jìn)行軸系標(biāo)高調(diào)整。

(4) 提高油溫和抬高3號(hào)軸承標(biāo)高都是增加3號(hào)軸承負(fù)載，油膜厚度變薄，油膜剛度增大，降低停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)。提高油溫效果相對(duì)不明顯，一是受油溫提升幅度限制；二是提升油溫對(duì)所有軸承影響是同步的，而抬高3號(hào)軸承標(biāo)高主要影響3號(hào)軸承。

(5) 在高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)配重可以緩解停機(jī)至二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)3X振動(dòng)，由于配重面與失衡面不重合造成轉(zhuǎn)子彎曲變形加大，導(dǎo)致故障重復(fù)發(fā)生。

(6) 在高中壓轉(zhuǎn)子中間配重面進(jìn)行動(dòng)平衡可以根除故障，因此盡量在轉(zhuǎn)子失衡面進(jìn)行配重。