高爐煤氣余壓回收透平發(fā)電機組振動故障分析及處理實踐

楊曙東，亓振寶，亓 彬，魏佑峰

（1 山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南271100；2 萊鋼集團藍天公司，山東 濟南271100）

1 前 言

TRT 發(fā)電系統(tǒng)的主要包含透平機、發(fā)電機組、勵磁系統(tǒng)、高低壓發(fā)電、配電系統(tǒng)、動力油系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、供水和排水系統(tǒng)，以及大型閥門系統(tǒng)等。該系統(tǒng)的構(gòu)成復(fù)雜，并且需要在高溫高壓條件下長時間運轉(zhuǎn)，因此在運行中易發(fā)生故障風(fēng)險，其中發(fā)電機組的故障發(fā)生率相對較高，而導(dǎo)致發(fā)電機組故障的最主要風(fēng)險就是因非正常振動、超負荷運轉(zhuǎn)等因素所引起的振動故障，如故障不能快速處理，便會造成整個系統(tǒng)運行狀態(tài)惡化，導(dǎo)致出現(xiàn)機組振動幅度和頻率增加，加速機組的磨損損壞，最終無法正常工作而停機。所以必須要及時對TRT 機組振動故障進行判斷分析，快速做出相應(yīng)的處理措施，將故障影響降至最低。

2 余壓回收透平發(fā)電機組故障分析

2.1 非正常振動

非正常振動主要體現(xiàn)在下述幾方面：（1）機械設(shè)備運行過程中出現(xiàn)參數(shù)偏差是導(dǎo)致機組出現(xiàn)故障的一個重要原因。造成該情況的主要因素是機械設(shè)備操作人員的人為失誤，或設(shè)備維護維修人員對機械設(shè)備的內(nèi)部參數(shù)調(diào)整不合理，造成零件松動。上述問題在日常工作中不易發(fā)現(xiàn)，但其后果影響非常大，不僅會導(dǎo)致設(shè)備運行異常，工作效率大大降低，同時還會導(dǎo)致相關(guān)零部件耗損嚴重，甚至直接損毀硬件。（2）設(shè)備零件松動也是造成發(fā)電機組振動的最主要原因之一，由于高爐煉鐵環(huán)境因素的影響，機械零部件在熱脹冷縮的過程中就可能發(fā)生運行異常，進而導(dǎo)致零部件松動［1］。（3）機械設(shè)備電功率不穩(wěn)定。該類故障發(fā)生率相對較低，但是在發(fā)電機組運行中仍存在一定的可能性。電功率不穩(wěn)定會嚴重影響相關(guān)機械設(shè)備的正常運行，出現(xiàn)運轉(zhuǎn)速度不穩(wěn)定、設(shè)備損壞、短路等問題，進而導(dǎo)致設(shè)備運行異常。除了外接電源電壓不穩(wěn)定外，設(shè)備內(nèi)部電路故障也會導(dǎo)致電機功率不穩(wěn)定，在發(fā)生故障時必須及時進行原因排查，消除安全隱患。

2.2 超負荷運轉(zhuǎn)

高爐設(shè)備基本都需持續(xù)不間斷生產(chǎn)，無時無刻都會產(chǎn)生大量煤氣，這就導(dǎo)致TRT機組持續(xù)超負荷工作。一般情況下，機械設(shè)備都會預(yù)留一定的超負荷空間，即便機械設(shè)備超出額定功率和負荷，但只要不超過預(yù)留的最大負荷值，短期的超負荷工作對機械設(shè)備造成的損害比較小，并不會造成機械設(shè)備出現(xiàn)故障頻發(fā)的現(xiàn)象。但是超負荷運行時間過長，機組內(nèi)的相關(guān)零部件就會因超負荷運行出現(xiàn)嚴重磨損，尤其對于部分精密零部件，其使用壽命、工作精度等都會降低。當(dāng)磨損達到一定程度時，零部件就會出現(xiàn)損壞，進而引起機組故障，這不僅會給鋼鐵企業(yè)造成經(jīng)濟損失，還易引發(fā)安全事故。

3 余壓回收透平機組振動故障處理措施

3.1 遠程數(shù)據(jù)信息檢測管理系統(tǒng)

運用信息化技術(shù)可以實現(xiàn)對發(fā)電機械設(shè)備數(shù)據(jù)信息的時時在線監(jiān)控，并準(zhǔn)確識別相關(guān)機械設(shè)備的運行信息，提取故障的特征，明確故障的類型和故障區(qū)域，及時將故障信息通知相關(guān)運維人員，從而為TRT 機組的安全高效運轉(zhuǎn)提供有效保障。例如小波變換、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解以及固有時間尺度分解等技術(shù)都能夠準(zhǔn)確提取故障的信號特征。遠程數(shù)據(jù)信息檢測管理系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和現(xiàn)場機械設(shè)備發(fā)電建設(shè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，前者主要是利用信息化系統(tǒng)對相應(yīng)的遠程設(shè)備進行監(jiān)控，經(jīng)過計算機系統(tǒng)的運算處理后，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將指令輸送至監(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)下的遠程設(shè)備。后者則是利用信息化技術(shù)遠程操控機械設(shè)備發(fā)電數(shù)據(jù)采集信息系統(tǒng)，使其自動對煤氣發(fā)電運行各項設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，并將采集到的數(shù)據(jù)信息自動錄入數(shù)據(jù)資料庫。實現(xiàn)對TRT 機組信息數(shù)據(jù)的自動化采集管理，提升了工作效率和效益。

3.2 科學(xué)保養(yǎng)機械設(shè)備預(yù)防故障

機械設(shè)備的日常維護工作非常重要，對于易磨損的設(shè)備和零部件需要做好潤滑管理，并保持機械設(shè)備間通風(fēng)溫度適宜，實時檢查設(shè)備散熱、積塵的情況，避免因為散熱不及時或者灰塵積聚嚴重而引發(fā)通風(fēng)散熱方面的問題，不利于機組設(shè)備的正常運行。同時為了預(yù)防機械設(shè)備因咬合問題所引起的振動，需要對設(shè)備內(nèi)部的螺栓、齒輪等零件進行咬合校準(zhǔn)，并做好墊片保養(yǎng)，盡可能地避免因零件錯位而造成的機械設(shè)備振動。除日常維護工作外，機械設(shè)備的全面保養(yǎng)維修也是必不可少的，比如灰塵清理、磨損零件更換、零件保養(yǎng)、電路維護等［2］，這樣才能夠延長機組使用壽命，降低使用成本，提高機組運行效益。

3.3 不定時設(shè)備維護分析工作

同時TRT 機組設(shè)備管理部門應(yīng)建立專門的巡邏檢查機制，不定時檢查各相關(guān)機組設(shè)備設(shè)施，尤其對于高負荷運行的零部件或者易磨損零部件，必須加強維護檢查。通過各種高新技術(shù)、精密儀器詳細檢查機組零部件有無問題，全面排查各種設(shè)備故障隱患，確保TRT機組零故障零異常運行。

4 應(yīng)用實例分析

4.1 TRT發(fā)電機組基本情況

TRT煤氣透平機與發(fā)電機用剛性聯(lián)軸器聯(lián)接，3 000 r/min 轉(zhuǎn)速，發(fā)電機轉(zhuǎn)子為撓性轉(zhuǎn)子，電機為箱式結(jié)構(gòu)。TRT 發(fā)電機主要參數(shù)：電機型號QFR-22-2R；轉(zhuǎn)子長度4 000 mm；二倍頻f2=2 Hz，f=100 Hz；一階臨界轉(zhuǎn)1 680 r/min；機組主軸頻率50 Hz；額定功率22 MW。

4.2 檢測及分析過程

4.2.1 結(jié)構(gòu)簡圖及測點布置情況

TRT發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)，包括透平機、聯(lián)軸器、發(fā)電機、軸瓦等幾部分，結(jié)構(gòu)簡圖和測點步驟，見圖1。

圖1 TRT發(fā)電機組結(jié)構(gòu)簡圖及測點布置

4.2.2 機組診斷分析與處理

機組運行過程及振動檢測分析。發(fā)電機組于2013 年5 月投入使用，在運行中發(fā)現(xiàn)振動值過大，并于2013年6月更換了3#軸瓦；2014年6月3#瓦特振動過大，發(fā)電機組經(jīng)中心調(diào)整后再次運行；2014年11 月，3#軸瓦的振動非常劇烈，最大值超過130 μm。經(jīng)過頻段檢查后，對發(fā)電機組做出停機處理。停機前發(fā)電機組的內(nèi)置振動值如表1所示（轉(zhuǎn)速為3 000 r/min）。

表1 自帶檢測振動值 μm

根據(jù)振動數(shù)據(jù)分析表1 以及相關(guān)檢測圖譜可知，發(fā)電機的軸向振動為21.66 mm/s，3#軸瓦的垂直振動為7.91 mm/s。軸向振動躍為最大徑向的50%。經(jīng)研究后得出：（1）當(dāng)激振力不平衡時，發(fā)電機組將主要表現(xiàn)在兩個層面上，分別會引起軸系的徑向和軸向振動，頻譜顯示軸向振動大大超過了徑向振動。在充分考慮轉(zhuǎn)矩振動可能性的情況下，分析發(fā)現(xiàn)發(fā)電機軸系的平衡精度相對比較低。（2）3#軸瓦徑向振動頻帶有二倍頻成分，造成的原因可能是電動機轉(zhuǎn)子的對中很差，必須進一步對3#軸瓦的安裝精度以及軸瓦和軸枕的對準(zhǔn)做出檢查。（3）充分考慮3#軸瓦的劇烈振動，還需要對軸承座的基礎(chǔ)安裝剛度進行檢查，以確保其符合相關(guān)的要求。

機組振動缺陷處理過程。先對軸瓦進行查驗，軸瓦的側(cè)空隙偏小，軸頸與瓦包角不足，出現(xiàn)輕度的擦瓦印痕；透平機軸與發(fā)電機軸中心成下張嘴，張口的角度超出正常值達到0.08 mm（正常值為0.03 mm以下）；另外3#軸承座二次灌漿層與一次灌漿層之間出現(xiàn)了脫節(jié)問題。碾磨3#軸瓦基礎(chǔ)，觸碰度達到80%之上，確保3#軸瓦枕力與其空隙調(diào)節(jié)在有效范圍內(nèi)；碾磨4#軸瓦電動機基座，使其中心下降0.72 mm，做好發(fā)透平機軸和電機軸的對中工作，調(diào)解發(fā)電機的電機定子與電機轉(zhuǎn)子的間隙；由于在有效時間內(nèi)處理二次灌漿層裂紋的難度系數(shù)大，所以只采取了緊固基礎(chǔ)螺栓的措施。解決完后進行試車，發(fā)電機組在過臨界值轉(zhuǎn)速比1 680 r/min時振動頻率尚在可接納范疇內(nèi)，升速到2 200 r/min進行暖機，暖機后持續(xù)升速到2 950 r/min 時，振動頻率成直線升高，究其原因是由于3#軸瓦支撐剛度不夠，同時還在現(xiàn)場檢測出3#軸瓦基礎(chǔ)振動值超出正常范圍0.05 mm 以上，必須要緊急停機并及時解決問題。綜合考量對基礎(chǔ)進行處理可能會產(chǎn)生巨大影響，而且檢修周期較長，遂采用現(xiàn)場動平衡來減少振動值，現(xiàn)場動平衡在測點3處加重696 g，在測點4處加重699 g，兩配重相位相差180°。

4.3 試車情況

在完成檢修試車到3 000 r/min 后機組并網(wǎng)帶負荷，3#軸瓦振動值不斷減小，在振動穩(wěn)定后重新檢測，參照ISO 3945 振動標(biāo)準(zhǔn)，機組振動狀態(tài)評價為達標(biāo)。振動幅值數(shù)據(jù)見表2。

表2 處理后檢測振動幅值 μm

5 結(jié) 語

綜上所述，TRT發(fā)電機組能夠充分利用高爐爐頂煤氣的熱能和壓力能，將其轉(zhuǎn)化為電能，提高資源利用率，為冶金企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益?，F(xiàn)階段需要積極分析和研究TRT機組振動故障，明確故障的原因，做好對TRT 發(fā)電機組的維護檢修，最大程度保證其高效運行，不斷提升機組運行效益。