背压汽轮机振动过大的分析与处理

2022-08-13贾自强黄汉华孙景伟杜华慧

化肥设计 2022年3期

贾自强，黄汉华，孙景伟，常诚，杜华慧

(1.中国五环工程有限公司,湖北武汉 430223;2.兖矿能源集团股份有限公司鲍店煤矿,山东济宁 272000)

驱动压缩机的汽轮机属于化工厂的关键设备，其安全稳定运行对装置和工厂至关重要。某项目的背压式汽轮机在单机试车过程中，多次出现振动过大的现象并触发跳车。本文从多方面进行了分析排查，根据故障原因给予针对性处理，整改后保证了项目进度，实现了机组安全、稳定运行。

1 问题概述

1.1 机组概况

机组负载是离心压缩机，提供高压CO2气，用于向气化炉输送煤粉。透平型号BHS25/01，汽轮机径向轴承为四油楔椭圆瓦轴承，推力轴承为双端面Kingsbury轴承。机组主要参数见表1。

表1 汽轮机主要参数

1.2 问题描述

2015年10 月13 日，机组进行无负荷试车。升到7 460 r/min时，施工单位仪表工程师调整探头时触发温度误联锁。在约0.5 h后再热态试车时，出现振动联锁(机组设定的报警值为72μm，联锁值为100μm)。在厂家指导下尝试延长暖机时间，但并未奏效。此后数次冲转均出现类似振动联锁。表2为前两次试车各转速下的振动数据。其中，测点3194A为前轴承速关阀侧，3194B为前轴承速关阀对侧，3195A为后轴承速关阀侧，3195B为后轴承速关阀对侧。初期振动最大值在3195A处；随转速上升，3194A处振动迅速增大并先触发联锁。

表2 试车中汽轮机振动数据 μm

2 排查轴承及机组应力

2.1 径向轴承偏磨

打开轴承箱，发现后轴承径向轴瓦的摩擦带呈楔形，外侧摩擦痕迹宽度约为内测的2倍(见图1)，前轴承瓦块摩擦痕迹正常，表明转子在排汽端出现了一定程度摆动。厂家认为该偏磨痕迹影响不大，但还是更换了排汽端径向轴承，原轴承返厂修复后作为备件。

图1 排汽端径向轴承瓦面

2.2 进汽端膨胀间隙不足

汽轮机升温时缸体和转子受热后，缸体和前轴承座会向前轴承侧膨胀，安装时应预留足够膨胀间隙。运行中如限位螺柱(猫爪)顶死、膨胀受限，缸体会产生巨大应力，可能使动、静件发生擦碰，严重者将导致转子变形[1]。

在设计上本机组向前轴承座方向膨胀可达3 mm。试车时，前轴承座猫爪处在轴向膨胀空间只有1.2 mm。故机组不能自由膨胀。

机组公用底板上的台座间距在现场无法改动。经厂家计算，在满足强度的情况下对限位螺柱的直径进行了车削处理，加工后膨胀间隙扩大为4 mm。

2.3 进汽管道发生顶缸

机组冷态时，在猫爪、速关阀垂直方向架百分表。暖机过程中发现速关阀上升约2 mm，速关阀侧猫爪处上升0.2 mm后顶死，对侧猫爪处上升0.15 mm左右，表明机组升温后出现管道顶缸现象。

蒸汽管道在高温下会发生膨胀，膨胀后施加给缸体的应力须限制在允许范围内，否则轻则引发轴承振动、温度超标，重则造成动静件接触摩擦，甚至机组永久变形。本汽轮机质量较轻(1 700 kg)，更容易出现顶缸。

管道模型及弹簧支撑见图2，紫色节点为弹簧支撑，绿色节点为限位管架，其中离速关阀最近的点1055、415为恒力弹簧支撑，点412为变力弹簧支撑。若在速关阀前对管道进行硬限位，速关阀及缸体的膨胀无处释放，应力模拟显示产生的应力远超机组允许范围。为改善管道顶缸，将点1055、415及412弹簧卸载了部分拉力，使垂直段蒸汽管道更容易向下膨胀。

图2 进汽管道模型及支撑

汽轮机管口载荷公式见式(1)～(3)：

Lt=Fr+1.09Mr

(1)

(2)

(3)

其中：Lt为管口总载荷；Fr为合力；Mr为合力矩；Fx、Fy、Fz为管口3个方向上受的力；Mx、My、Mz为管口3个方向上受的力矩。

调整弹簧后，根据仿真分析，管道作用在速关阀管口的总载荷为8 277 kN/m2(方向向上)，厂家确认可以接受。

排查整个进汽管道时，发现图2中405点应为轴向限位点，但施工时轴向和垂直均作了限位；点290应为垂直限位，但实际做成了轴向限位。此两处限位离缸体较远，但对管道的自由膨胀会有一定影响。按设计，对上述支点进行了整改。

采取上述措施后再次进行了无负荷试车，振动问题有所改善，但仍出现振动高联锁。上述现象说明，管道顶缸不是跳车的直接原因，或者顶缸已经造成机组其他故障。

3 监控数据分析

为进一步排查，调取了ITCC记录的各测点振动趋势，并从System1中提取机组的振动频谱和轴心轨迹进行分析。

3.1 轴心轨迹呈反向涡动

机组轴心轨迹见图3，转速为5 060 r/min，振动峰峰值约为60 μm。轴心轨迹呈现椭圆形，并出现了明显的反向涡动特征。转子轴心轨迹反向涡动是动静件接触摩擦的征兆[2]。

图3 前轴承轴心轨迹

3.2 System1振动频谱特征

分析了System1中的振动频谱(见图4)。横坐标为不同的倍频，纵坐标为对应频率下的振动幅值。可见振动具有明显的±1倍频特征：-1倍频振动在总振幅中占60%以上；+1倍频振动占20%以上；其他高频振动振幅很小。

图4 System1振动幅值频谱

局部摩擦的振动信号具有广谱特性，低频振动成分和高频振动成分均比较丰富。当局部摩擦发展为大范围摩擦后，频谱图中±1倍频振动分量多占据主导地位，高倍频分量较弱。由此判断机组内部的动静部件已出现大范围的接触摩擦。

3.3 振幅随转速增加

图5为各测点振动随转速的趋势。

图5 ITCC各测点振动随转速的趋势

上图显示，各测点的振幅对转速具有极好的跟随性，表明转子的残余不平衡力与转速成正比[3]。随转速增加，所有轴承的振幅同时加大也符合动平衡失稳的特征[4]。故判断透平转子已出现质量不平衡或弯曲。

从第2次启动，各次试车中同转速、同测点的振动幅度具有良好重复性，由此推断永久性转子不平衡发生在第1次跳车后至第2次热态启动前。

4 开缸检查汽封、转子

4.1 进汽端汽封偏磨

透平轴端汽封为高低齿，动静汽封齿错落布置。开缸后发现进汽侧上静汽封与转子已发生严重偏磨(见图6)。

图6 上部静汽封齿磨损

速关阀侧斜上方45°位置，沿圆周方向有弧长约100 mm的摩擦带，密封齿为不锈钢，硬度较大，转子只有350 kg，抗扰动能力弱。动静摩擦会激发转子摆动和振动。

这与频谱显示的±1倍频主导振动和轴心轨迹反向涡动特性相吻合。摩擦位置靠近触发联锁的探头位置，故该汽封摩擦是导致透平振动跳车的直接原因。为确保再次冲转成功，直接更换了新汽封。

此外，转子汽封在圆周上也有约100 mm的偏磨带，其他方位未见摩擦，证明转子发生了固定相位的跳动。

4.2 转子表面局部变色

开缸后发现转子进汽段和排汽段材料表面呈现乌蓝色，排汽端尤其明显(见图7)。

图7 转子表面呈现乌蓝色

本机组的蒸汽温度约450 ℃，仅冲转数次即变蓝，说明转子可能在某个时间存在急剧降温，出现了类似“淬火”现象，导致该现象的原因有以下两种。

(1)试车初期缸内积液。高温蒸汽进入缸体时与常温的缸体材料存在温差，部分蒸汽凝结成水，如果排液不及时，缸内会积液，液体与转子接触时可能发生“淬火”现象。但经过分析，排除了这种可能。首先，开缸后检查了缸体导淋和静叶栅低点的贯通排液孔，未见堵塞。缸体导淋一直敞开，试车时一直排出蒸汽，缸体内不会积液。其次，未发现缸体流道内有水渍或变蓝。第三，若缸内积液先发生在进气端，进气端变蓝程度应更明显，但实际最严重的变色出现在排汽端。

(2)首次停机过程中出口放空阀未关，冷气窜入。汽轮机试车时，背压排汽未送入蒸汽管网，而是经放空阀去厂房外排大气。首次跳车后至第2次冲转的半小时间隔，操作人员未关掉排汽放空阀。缸体内蒸汽在冷凝过程中体积剧烈收缩，导致缸体内压力低于环境压力，使得室外环境低温(0 ℃以下)通过放空管逆向窜至汽轮机缸体内。高温转子遇见冷空气，剧烈降温，出现类似“淬火”现象。冷空气从排汽管进入，先接触排汽端，与排汽端变色更明显相吻合。转子局部结构，比如叶片、外圆围带等可能会在“淬火”中发生变形，使圆周上质量分布发生改变。

综上所述，转子在急剧冷却和外部应力(管道顶缸、热膨胀受限等)的共同作用下，发生不可逆的质量分布改变，导致转子动平衡失效，进而引发多次振动跳车。