某天然氣增壓機振動故障診斷及處理

白云山，馬金銘，龍顏長，田 鑫，郝建剛

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310037；2.天津華電軍糧城發(fā)電有限公司，天津 300000)

低頻振動是旋轉(zhuǎn)機械常見的振動故障之一，這種振動通常是由支撐軸承穩(wěn)定性不足導(dǎo)致徑向支撐力出現(xiàn)小幅波動或通流部件受不均衡的氣流沖擊，該類型振動的能量轉(zhuǎn)換，通常不是由外部提供，而是由運動系統(tǒng)本身產(chǎn)生[1-3]。因此，該類型故障難以診斷處理，且經(jīng)長時間發(fā)展會導(dǎo)致軸承部件磨損加劇及通流部件強度降低。因此，在故障發(fā)展初期及時分析處理，對保障機組安全運行至關(guān)重要。

本文研究了某燃機發(fā)電廠天然氣增壓機低頻振動產(chǎn)生的原因[4-5]，通過對機組進行現(xiàn)場測試及運行參數(shù)分析計算，理清了故障原因并提出了解決措施，對同類型故障的處理具有借鑒意義。

1 機組概況

為提高進口天然氣壓力，某燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組同步配備了2臺天然氣增壓機。該型增壓機為離心式設(shè)計，共一級葉輪，由電機通過變速齒輪箱驅(qū)動，額定轉(zhuǎn)速30 380 r/min，入口設(shè)計壓力2.5 MPa，出口設(shè)計壓力4.2 MPa，設(shè)計壓比1.68，排氣流量83 534 kg/h，工藝流程如圖1所示。

圖1 增壓機工藝流程

增壓機入口配備了截止閥和控制閥(ICV)，用于調(diào)整天然氣流量，出口分為兩部分，通過再循環(huán)冷卻到ICV前，該部分流量由再循環(huán)閥控制，另一部分通過出口截止閥送往下游用氣設(shè)備。增壓機入口及出口均設(shè)有溫度和壓力測點，用于監(jiān)測介質(zhì)參數(shù)。出口母管處的流量計僅用于機組防喘振控制，無法監(jiān)測實際流量，但在出口截止閥后和燃氣輪機燃料控制閥前設(shè)有科氏流量計，可用于測量增壓機送往燃機的天然氣流量。

2 振動現(xiàn)象分析

2020年11月2日，增壓機正常運行且為下游燃氣輪機供氣時，因振動大跳機(X向和Y向振動同時達到40.6 μm跳機)，調(diào)取了機組運行參數(shù)曲線，如圖2所示，此次振動特點如下。

圖2 運行參數(shù)曲線1

a.跳機前，振動幅值升高。振動幅值增大時，伴隨著轉(zhuǎn)速、ICV和排氣流量升高及再循環(huán)控制閥開度減小。

b.振動幅值存在波動現(xiàn)象，且隨著振動基準(zhǔn)值提高，波動幅度也隨之增大。

c.跳機前，增壓機再循環(huán)閥全關(guān)，ICV呈減小趨勢，轉(zhuǎn)速達到最大值30 200 r/min。入口壓力降至2.29 MPa，低于設(shè)定值2.5 MPa；出口壓力降至3.79 MPa，低于設(shè)定值3.9 MPa，電機電流為286 A。跳機前各主要參數(shù)如表1所示。

表1 跳機前各主要參數(shù)情況

通過對上述運行參數(shù)分析，得知振動相關(guān)的自變量主要為ICV開度、排氣流量、電機電流。為對機組運行情況做進一步分析，11月8日對機組做了進一步測試，該次測試中增壓機出口門關(guān)閉，內(nèi)部氣體再循環(huán)運行，同時，為了減少自變量數(shù)目，采用工頻方式運行。測試中，再循環(huán)閥自動調(diào)節(jié)，ICV改為手動調(diào)節(jié)，通過逐步增加ICV開度來觀察振動幅值的變化情況，測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著ICV開度的增加或減少，為維持出口壓力恒定，再循環(huán)閥開度隨之增加或減少，振動幅值隨著排氣流量、電機電流及ICV開度呈正相關(guān)變化。測試中，增壓機流量計顯示流量為58 458 kg/h時，再循環(huán)閥開度為95.8%，電機電流為275 A，X向振動幅值為29.7 μm，Y向振動幅值為34.6 μm。

圖3 運行參數(shù)曲線2

為對振動問題做詳細分析，對測試過程中不同時刻的振動頻譜進行了采集，如圖4—圖6所示?？梢?，振動幅值的變化主要是由低頻分量引起，工頻分量穩(wěn)定在5.08 μm，因此，排除了轉(zhuǎn)子存在動不平衡的可能性。此外，在測試過程中，通過將其他變量保持恒定，逐步調(diào)節(jié)潤滑油供油母管壓力和溫度，振動幅值未見變化，且增壓機為可傾瓦軸承，因此，排除了油膜渦動的可能性。結(jié)合機組運行過程中參數(shù)的變化情況及振動幅值、頻譜的分析，推測該機組振動增加主要為氣流不穩(wěn)定所致。從氣流激振的機理可知，隨著進入氣缸的天然氣流量增大及流速提高，作用在轉(zhuǎn)子上的切向力對動靜間隙、密封結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)子靈敏度同時提高，進而增大作用在轉(zhuǎn)子的激振力。這些將使軸系振動穩(wěn)定性降低，嚴(yán)重時會誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)，產(chǎn)生很大的突發(fā)性低頻振動。此外，氣流激振力與流量直接相關(guān)，即與機組的負荷有關(guān)，因此，一旦在某一負荷下發(fā)生氣流激振，必然隨著氣體流量的增大而加?。幌喾?，在小于某一流量下會減緩甚至消失，具有良好的再現(xiàn)性。增壓機工作轉(zhuǎn)速為30 000 r/min，振動的低頻分量主要集中在14 000 r/min左右，該值同時也是增壓機的一階臨界轉(zhuǎn)速。通過對增壓機振動特征分析可知，其與氣流激振的典型表現(xiàn)相符。

圖4 振動頻譜圖1

圖5 振動頻譜圖2

圖6 振動頻譜圖3

根據(jù)相關(guān)研究，氣流激振通常發(fā)生在機組大功率負荷階段，但該增壓機在實際排氣流量為41 000 kg/h時，已經(jīng)表現(xiàn)出振幅增大且波動的特征，為對該問題進一步分析，對增壓機在表1中3個時間點的工作效率進行了計算，計算方法如式(1)—式(4)所示，單一組分的低位熱值及顯熱的計算可參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

η=(houtM-hinM)/W

(1)

(2)

(3)

h=h0+h1

(4)

式中：η為增壓機效率，%；hout為增壓機出口天然氣焓值，kJ/kg；hin為增壓機入口天然氣焓值，kJ/kg；M為壓縮天然氣質(zhì)量流量，kg；W為電機輸出功率，kWh；xi為天然氣質(zhì)量組分；hi,0(t0)為天然氣組分i在基準(zhǔn)溫度t0下的低位熱值，kJ/kg；hi,1(t)為天然氣組分i在溫度t下的顯熱，kJ/kg。

通過計算，增壓機在3個時間點的工作效率分別為40%、42%、45%。機組入口壓力2.8 MPa，入口溫度12.0 ℃，出口壓力4.2 MPa，出口溫度60.0 ℃，出口流量83 534 kg/h，電機功率2244.9 kW，計算機組在設(shè)計工況的工作效率為90%。綜上，實際效率與設(shè)計效率相差過大。在增壓機運行時，測量了缸體表面溫度，未發(fā)現(xiàn)超溫，同時，用噪音計測量了增壓機缸體及進出口管道處聲音，也未超標(biāo)，因此，排除了散熱損失過大和氣流不穩(wěn)導(dǎo)致的機組工作效率過低。通過對系統(tǒng)工藝流程分析，因再循環(huán)管徑較大，冷卻水量為192 t/h，較為充足，即使再循環(huán)閥內(nèi)漏，當(dāng)前的冷卻水量完全可以將出口燃氣降低到正常水平，所以從機組運行參數(shù)無法推測出其是否內(nèi)漏。

綜上所述，通過對機組振動特征的分析，并結(jié)合工作效率計算，推斷增壓機再循環(huán)閥存在內(nèi)漏問題，在11月2日及11月8日運行中，增壓機出口母管的燃氣流量有可能已遠超出下游流量計所顯示的值，甚至大幅度偏離其設(shè)計值，因此，增壓機工作效率大幅降低，排氣流量異常增大，氣流的工作狀態(tài)發(fā)生改變，最終導(dǎo)致氣流激振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3 振動問題處理

11月28日將增壓機再循環(huán)閥拆除，并進行了檢查(如圖7所示)。檢查發(fā)現(xiàn)，再循環(huán)閥閥芯與閥體間隙較大，沿圓周方向存在至少1 cm間隙，間隙面積占閥芯面積的40%，內(nèi)漏嚴(yán)重。對該閥門泄漏問題進行了緊急處理(如圖8所示)，閥芯和閥體貼合緊密，通過透光性檢查無明顯泄漏。

圖7 增壓機再循環(huán)閥(處理前)

圖8 增壓機再循環(huán)閥(處理后)

12月5日，再次啟動增壓機，對再循環(huán)閥處理后機組的振動情況進行測試，機組運行情況如圖9所示。由圖9可知，各項參數(shù)運行平穩(wěn)，隨著排氣流量及電機電流的升高，軸承振動表現(xiàn)穩(wěn)定，基本維持在21 μm，振動水平良好，在此后的運行中，未再出現(xiàn)軸承振動升高的問題。

圖9 增壓機檢修后運行曲線

4 結(jié)論

a.氣流激振通常發(fā)生在機組負荷逐漸增加的過程中，且一般發(fā)生在較高負荷。突發(fā)性振動有一個臨界負荷，超過此負荷，立即發(fā)生氣流激振，而當(dāng)負荷降低到某一數(shù)值，振動即能恢復(fù)，有較好的重復(fù)性。

b.氣流激振發(fā)生時，隨著振動基準(zhǔn)值的升高，振動波動也會更為劇烈，且振動頻率通常與轉(zhuǎn)子的第一階臨界轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的頻率相吻合，因此，頻譜分析是識別氣流激振的重要手段。

c.該天然氣增壓機設(shè)計壓比為1.68，且為單級壓縮，相比于汽輪機、燃氣輪機等旋轉(zhuǎn)機械，其質(zhì)量小、壓比大、工作參數(shù)高，因此，一旦運行工況偏離設(shè)計值，更易發(fā)生氣流激振。當(dāng)出現(xiàn)該類問題時，應(yīng)從振動頻譜、機組效率、結(jié)構(gòu)設(shè)計及運行方式等方面綜合查找原因。