某型燃气轮发电机组异常振动分析及处理

2023-12-21欧阳向上付岳峰林万安

冶金动力 2023年6期

欧阳向上，付岳峰，林万安

（涟源钢铁股份有限公司，湖南娄底 417009）

引言

某厂一台自备发电机组（机组编号G003#）为三菱重工成套生产的M251S 型燃气轮发电机组，其与余热锅炉、汽轮发电机组组成的燃气-蒸汽联合循环机组效率达到38%。联合循环机组采用分轴布置，年发电38 000 万kWh 以上，具有较好的经济效益和社会效益。

G003#机组主要由燃气轮机、主齿轮箱、高炉煤气压缩机、发电机、启动装置等组成，整个轴系较为复杂。燃气轮机和高炉煤气压缩机轴承均采用可倾瓦，主齿轮箱轴承采用圆筒瓦，发电机轴承采用椭圆瓦。运行时，燃机转速5 015 r/min，发电机转速3 000 r/min，煤气压缩机转速6 064 r/min。轴系布置见图1。

图1 M251S燃气轮发电机组轴系布置图

机组7 个轴承设置轴振动测点，检测轴系的运行状态，分别设置在燃机转子2个轴承处、煤气压缩机转子2 个轴承处、发电机的2 个轴承处及启动装置靠发电机侧的轴承处（见图1中1#～7#），而主齿轮箱和启动装置的其他轴承未设置振动测点。该机组从2007 年3 月投运至今，振动一直比较稳定。最近的一次大修于2021 年1 月完成，大修后机组各轴承振动均正常。

1 振动现象及特征

2022 年8 月20 日开始该机组燃机的1#轴承处轴振动出现了波动，平均每天波动1～2次，且波动幅值越高、发生波动间隔的时间就越长，在8 月23 日11 点31 分1#轴振动最大值达到127 μm，接近跳机值（1#轴承振动趋势见图2），而其他轴承振动正常。且每次波动后下降速率较快，能够恢复到以前正常时的振动水平（20 μm左右）。

图2 1#轴振动变化趋势

G003#机组振动变化过程为：前20～30 min 从正常水平缓慢上升，在最后几分钟迅速爬升到峰值后，在几分钟内快速下降恢复到正常值。在振动缓慢上升阶段，加减负荷、升降润滑油温、升降润滑油压，对振动基本没有影响。

为确保机组安全连续运行，尽快找到燃机发生振动波动的原因，8 月29 日开始对燃机的1#、2#轴振动频谱进行了检测。由于振动变化没有时间规律，连续监测了24 h。监测发现振动波动时，1#轴振动变化主要体现在83.57 Hz 的工频分量（燃机转速5 015 r/min）（见图3），在1#轴振动波动的时候，监测的其他轴振动平稳。

图3 1#轴振动频谱检测

从振动频谱来看，导致1#轴振动波动大的因素主要为工频分量（1X），其他频段分量基本无变化。振动与负荷没有明显对应关系，振动波动后，恢复性很好，均回到了正常时的振动水平。

2 振动原因分析

2.1 采用排除法查找振动原因

引起工频振动的原因主要有转子质量不平衡、转子热弯曲、转子上部件脱落、转子不对中、联轴器松动、动静碰摩、结构共振、结构刚度不足等。由于原因较多，于是采用排除法来确定原因。因机组运行多年且稳定，结构共振、结构刚度不足等因素可以排除。

（1）转轴质量不平衡。一般以工频为主，振幅应该是稳定的，不会发生突变。且该机组在2021年1 月完成大修启机时，厂家现场技术指导人员曾对整个启机和带负荷过程进行监测，转子不平衡量很小，该机组采用的燃料和空气均进行了净化处理，运行过程中积垢可能性也很小，且振动发生波动后能够快速复原，说明该燃机转轴的平衡没有问题。

（2）转动部件脱落。振动瞬时变化，且不会恢复到原来的振动水平。而G003#机组振动从正常水平开始发生变化，前30 min 处于缓慢上升阶段，在最后几分钟迅速爬升到峰值后，在几分钟内快速下降恢复到正常值，不会反复，说明这也不是造成振动的原因。

（3）转子热变形主要振动特征是工频振幅增加，大都发生在机组启动带负荷阶段，此时转子温度升高，材质内应力释放引起转子热变形，工频振动增大。G003#燃机已经连续高负荷运行近3个月，运行热值相对稳定，基本控制在3 300～3 400 kJ/m³之间、BPT 温度偏差小于20 ℃，整个转子和缸体的温度场都已均匀，如果转子存在内应力，应早已释放。

（4）联轴器松动。它与负荷有对应关系，而该机组进行反复加减负荷试验时，振动没有出现波动，联轴器松动可排除。

（5）转轴不对中。一般存在2X 分量，且转轴不对中一般出现在安装或检修后，且不会出现这种振动波动现象。

排除上述原因后，那么机组动静碰摩导致振动波动的可能性最大。

2.2 机组动静碰摩部位的预判

一般情况下，机组动静碰摩为局部碰摩，转子因高速旋转会使摩擦部位产生局部高温，使转子发生热变形，从而产生新的不平衡。在未发生碰摩故障时，振动高点H滞后于原始不平衡A一个角度，碰摩发生后高点产生高温使其发生形变，结果产生一个热不平衡B，这个热不平衡B 与原始不平衡A 合成为新的不平衡C。新的不平衡C 逆转一个滞后角出现新的振动高点H1，继续摩擦形成热不平衡B1，B1 与C 进一步合成形成C1，以此类推，使得在碰摩故障中相位不断增加，甚至呈周期性变化（见图4）。摩擦振动还包含碰撞的现象，会使振动频率出现高频、低频成分［1］。

图4 转子摩擦振动示意图

动静碰摩还会使转子发生横向自由振动，其振动频率与转子涡动频率一致，是碰摩过程的主要频率。同时转子在旋转过程中会绕转子中心点振动，其运动轨迹就是轴心轨迹，当动静碰摩发生时，轴心轨迹也会随着转子的涡动而发生涡动。动静碰摩的振动特征主要以1 倍频为主，有可能还伴随高频或低频，同时相位增加甚至出现周期性变化。该机组1#轴振动波动主要是工频变化导致振动增大，1#轴振相位相应发生变化，振动恢复后相位也随之恢复，其它各轴振相位均无变化。对振动波动前后的幅值、相位进行比较，重复性较好。由此认为该机组发生动静碰摩。

通常发生动静碰摩主要有转子与轴瓦、气封片或油挡之间发生碰摩。通过瓦温与振动数据比较，振动发生波动时，瓦温稳定无变化，基本排除轴瓦与转子摩擦的可能。在进行原因分析时，该机组运行人员反映在当日点检时发现该机组1#轴承处的油雾管道外壁温度偏低。经过技术人员现场测量确认1#轴承油雾管道温度仅30 ℃，空压机进口处的2#轴承油雾管道温度达到48.4 ℃，而其他同型号燃机（该公司共有3台同型号燃机）1#轴承油雾管道温度达到51.4 ℃。G003#燃机1#轴承温度明显偏低，而1#轴承油温与其他机组相比很正常，说明该轴承油雾管道存在堵塞，有可能造成油挡积碳。综合机组仅1#轴振动突变的情况，预判为1#轴承油挡积碳导致的G003#机组发生了软碰摩。

3 处理过程及改进措施

3.1 现场处理过程

在对故障原因进行分析后，该厂组织对G003#燃机进行了检修，机组解体后发现1#轴承外油挡内存在着大量的碳化物，在油挡下半部靠高温侧附着了一个约3 mm 厚、300 mm 长的碳环附着物，碳环已经磨得十分光滑（见图5）。同时还发现在内外油挡之间还有积油。将油挡下半部拆卸后，发现该油挡回到轴承油室的回油孔基本堵死。油雾管道内部异物较多，出现堵塞现象。

图5 1#轴承外油挡下半部附着物

3.2 积碳及回油孔堵塞原因分析

从1#轴承座示意图可以看出，油挡处有1 根密封空气管给油挡提供密封空气，避免高温烟气从油挡处进入轴承室内（见图6）。在轴瓦附近位置有1 根油雾管道，及时将轴承室内的油烟抽出轴承室，以保证轴承室微负压。内、外油挡之间腔室有1 根油挡回油管，从轴瓦泄漏出来的油通过这根油管回到轴承室再排回油箱。一旦油雾管道堵塞将使轴承室内压力高于密封空气压力，轴承室内油通过轴封漏入到高温的烟气，烟气使得轴封漏出的油高温碳化，碳化物不断积累导致与转轴发生碰摩，部分脱落的碳化物又将油挡回油管堵塞。