汽轮机振动分析与故障诊断

余浩进(内蒙古久泰新材料有限公司，内蒙古 呼和浩特 010200)

0 引言

煤制乙二醇项目是在新材料、新能源、生物可降解的产业发展思路下的重要项目，汽轮机是该项目的关键设备，具有大型、高速、连续工作且处于核心地位的特点，其运行状况好坏直接影响企业的生产，一旦出现振动高将引起停机。而出现振动高进行原因分析时，往往只能在仪表和工艺参数方面得到较准确的结论，而对于汽轮机本身机械方面的只能分析可能的原因，需要解体验证，借助故障诊断仪器能准确的诊断出汽轮机机械方面的问题。研究并应用先进的故障诊断技术不仅可以早期发现故障，避免恶性事故的发生，可以更有效的指导设备的维修管理，从根本上解决目前设备定期维修不足和维修过剩的问题，通过及时检测汽轮机振动变化，掌握历史频谱图和设备的劣化，可有效防止损伤设备关键部件，延长使用寿命，提高可靠性，可以在有限的使用寿命周期内创造最大的价值，作为制定设备维护策略的有效方法。

1 汽轮机概况

本项目压缩机分别采用汽轮机、电动机、膨胀机驱动，本文主要介绍汽轮机驱动的B单元丙烯汽轮机和A单元空分汽轮机，均为9.8 MPa过热蒸汽驱动，参数分别为进汽量58、118.3 t/h，功率14 500、37 426 kW，转速3 910～4 830、4 823 r/min，轴承跨距2 870、3 340 mm，转子重量3.4、7.4 t，滑动轴承均为可倾瓦形式，推力轴承均为米歇尔形式。

2 存在的问题

2.1 共性问题

自试车以来蒸汽品质一直不好，两年后丙烯汽轮机和空分汽轮机均出现蒸汽消耗量增加，分析是过流部分结垢导致，多次采取低压饱和蒸汽清洗的方法对汽轮机转子进行清洗，清洗后有所好转，但很快又出现蒸汽消耗量增加的现象，特别是空分汽轮机出现调速阀全开时转速下降的情况。

经过近两个月的取样分析，汽轮机蒸汽冷凝液部分化验结果，二氧化硅为23.3、40.2、66.4、18.9、26、14、20.4、24、31.9、19.7 μg/L，电导率为21.1、22.9、15.8、18.12、14.72、11.8、13.6、12.25、15、11.34 μs/cm，根据GB/T 12145—2016 《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》要求，蒸汽质量为二氧化硅20 μg/L、电导率0.15 μs/cm，凝结水质量标准为电导率0.3 μs/cm，可见二氧化硅时有超标，最高3倍多，电导率超标情况严重，约40～70倍，最高113倍。

在某研究院技术监督报告中指出，锅炉炉水硅含量偏大，最高5 mg/L，过热蒸汽氢电导率超标，最高达1.1 μs/cm，应通过加强炉水排污降低其硅含量至合格范围。

2.2 丙烯汽轮机

次年5月，汽轮机排气端轴承振值153 Y开始出现波动，振动峰值逐次升高，且出现波峰的周期越来越短，振值波动持续40 min左右后恢复正常，7月3日，振值达到51.7 μm，超过报警值50 μm，该轴承振值联锁值为75 μm；8月6日，振值达到74.8 μm，提前进入大修。

2.3 空分汽轮机

次年4月，汽轮机累计运行约8 000 h，排气端轴承振值VI981X达49 μm，同时调速阀全开转速仍然下降，经清洗后效果明显；9月之后，进气端轴承振值VI982 X偏高，经常升至接近报警值后下降，最高至61.35 μm，期间对转子进行了低压饱和蒸汽清洗，到投运4年后大修前，振值最高值稳定在报警值附近。轴承振值报警值为59.5 μm，联锁值为79.3 μm。

3 振动原因分析

3.1 丙烯汽轮机

自发生振值波动开始，从多方面进行排查，始终没有发现产生振动的根本原因，可能的原因及结果如下。

(1)振动探头和接线，153 Y与其他三个测点振值同时波动，未发现松动等异常现象，排除此原因；

(2)负荷调整引起振动，对相同负荷或不同负荷的振动情况进行对比，未发现异常；

(3)末端排气通路，真空良好，疏水通畅，排除水击可能；

(4)润滑油，分析报告结果显示油质合格；

(5)结垢严重导致发生碰磨，无法验证，需解体检查；

(6)动、静件碰磨，可能是汽封间隙有问题，高压气体窜入低压缸引起热弯曲，无法验证，需解体检查。

在分析无果的情况下，委托原厂进行频谱分析，结果显示振动波动以一倍频分量为主，40 min左右后恢复正常，压缩机振动数据稳定。由此判断属于强迫振动，转子的动平衡状态发生了变化，气缸内部中后端发生轻微碰磨的可能性较大，轴承座油档密封齿也可能存在动静碰磨但概率较小。机组均不存在油膜涡动、汽流激振。建议尽快停机检查，先打开轴承座检查油档，如果没有发现问题，解体检查气缸内部碰磨情况。

后经解体验证，油档密封齿没有发现磨损，气缸中后部结垢严重，汽封间隙减小，引起碰磨，结垢沉积物磨完后振值恢复正常，当结垢沉积物到达一定厚度时，又引起碰磨导致振动。频谱分析结果正确，频谱分析能较准确的发现问题所在。

3.2 空分汽轮机

发生振动异常偏高后，与丙烯汽轮机类似，没有找到根本原因，但没有进行频谱分析。考虑到振值稳定，为了保证生产，一直保持运行。投运4年后大修时，解体发现转子结垢严重，进气端6圈汽封被打断，怀疑是装置试车时蒸汽管道有杂物所致。本次大修经历了三次解体七次试车两次动平衡，每次联锁停车均因排气端VI981 X振值高，后两次解体及振动大的原因分析如下。

(1)第二次解体

经过2次联动、1次单体试车，均在转速为2 160 r/m左右时，VI981 X振值高联锁停车。解体后发现叶轮间汽封处径向有碰磨，怀疑汽封间隙不够。因无原厂数据，转子吊出前对各部间隙进行了记录，回装时对汽封间隙进行了复查，与解体前是一致的。为解决振动，对碰磨部位扩大了汽封间隙。其他可能的原因分析如下。

①冲转前速关阀漏气，如漏气会引起上、下缸温差大导致振动，测温仪表显示缸内温度低，不存在温差；

②轴瓦间隙，轴瓦与库存新轴瓦厚度相同，且低转速时不会造成大的振动导致跳车；

③对中，汽轮机、空压机、增压机轴系均未变动，且联轴器长，对中不好不会造成大的振动导致跳车，单体试车已排除此因素；

④发生碰磨，现场无膨胀指示装置，可能因汽封原始间隙未考虑膨胀，或原始装配有误差引起碰磨，需检查汽封碰磨的情况；

⑤转子挠度偏大，已做静、动平衡，排除此因素。

(2)第三次解体

扩大间隙后对各部间隙进行了认真复查，回装后进行了2次单体试车，并通过架设百分表检查膨胀，在转速为2 160 r/m左右时，仍因VI981 X振值高联锁停车。解体后发现汽封片处有轴向碰磨，除上次解体的原因分析外，还进行了以下分析和检查。

①缸体膨胀不充分，下次试车时延长低速暖机时间，使缸体充分膨胀；

②高压端轴承箱卡涩，经检查滑销，排除了此因素；

③动平衡，重新做了动平衡，结果显示合格，并对测振带表面进行了处理；

④管道应力，回装时主蒸汽管管口对中情况较好，并对油管进行了检查。

回装后经过2次联动试车，均延长暖机时间30 min，并通过架设百分表检查膨胀，两次试车均成功。虽然最后开车成功，但没有频谱分析仪辅助进行准确的查找振动高的原因，致使原因分析只能凭经验进行判断，并且多进行了一次动平衡试验，延长了检修工期。

4 故障诊断技术

机械设备故障诊断技术是利用测取机械设备在运行中或者相对静态条件下的状态信息，通过对所测得信号进行分析和处理，并结合诊断对象的历史状态，来定量识别机械设备及其零部件的实时技术状态，并预知有关异常故障和预测未来的技术状态，从而确定必要对策的技术，它包含两方面的内容：一是对设备的运行状态进行监测；二是在发现异常情况后对设备的故障进行分析、诊断。该技术首先来自军事上的需要，在第二次世界大战初期问世，经过电子计算机技术、现代测试技术、信号处理技术及信号识别技术的发展，利用计算机对机械设备故障进行有效的辅助监测和诊断已成为重要的诊断手段，其发展已进入“不解体化、高精度化、智能化、网络化”的趋势[1]。下面总结一下该技术在汽轮机转子和滑动轴承故障诊断方面的应用。

汽轮机属高速旋转机械，由于旋转质量的不平衡、对中不良、动静件摩擦等原因都会引起振动，振动会产生反复变动的巨大载荷，不但会降低寿命和可靠性，而且还可能发生严重的破坏事故，给生产带来很大的经济损失[1]。表1对频谱分析时各种故障的特征和振动敏感参数进行了总结，从表中可以看出，不同故障的特征和振动敏感参数不同，通过频谱分析可以对汽轮机机械方面的故障做出准确的诊断。

表1 故障特征和敏感参数

5 结语

汽轮机是煤制乙二醇项目的关键设备，一旦出现振动高引起停机，将造成巨大的经济损失和严重的后果。而出现振动高进行常规的原因分析时，对于汽轮机本身机械方面的只能得到可能的结论，需要解体验证。借助故障诊断仪器能准确地诊断出汽轮机机械方面存在的问题，可以更有效的指导汽轮机的维修管理，能掌握历史频谱图和劣化，可有效防止汽轮机中关键部件的损伤，延长汽轮机的使用寿命，提高汽轮机工作的可靠性，可以在有限的使用寿命周期内创造最大的价值，作为制定汽轮机维护策略的有效方法，频谱分析应受到各工业领域的重视[1-2]。