空分汽轮机碰摩案例分析

2015-12-30张世伟徐东镇张保太

中国设备工程 2015年12期

关键词：空分轴心汽轮机

张世伟　徐东镇　张保太

（1.中煤鄂尔多斯能源化工有限公司，内蒙古　鄂尔多斯　017300；2.GE本特利监测与控制，江苏　南京　210005）

空分汽轮机碰摩案例分析

张世伟1徐东镇2张保太1

（1.中煤鄂尔多斯能源化工有限公司，内蒙古鄂尔多斯017300；2.GE本特利监测与控制，江苏南京210005）

基于GE本特利的System1状态监测及故障诊断平台，对空分汽轮机上的两个典型的碰摩案例（严重摩擦、轻微碰摩）进行了对比介绍，为类似机组碰摩方面的状态监测及故障诊断提供技术参考。

空分；汽轮机；碰摩

本文涉及的空分压缩机组均由汽轮机进行拖动。汽轮机的类型属于单缸抽凝式。汽轮机运行过程中的碰摩故障较为常见，主要是由于安装、热膨胀、管道、启停机控制、负荷变化、抽汽、凝汽状况等造成动静间隙的异常变化，从而造成碰摩。因此关注汽轮机碰摩发生的机理、形式和故障诊断，对有效监控、指导机组的运行和检修十分必要。以下结合两个典型碰摩案例，对其机理、诊断分析进行论述。

一、碰摩的机理及故障特征

第一、轴中心平均位置（直流量）异常，如非转动部件翘曲、管道应变、地基问题、温升不均、壳体的变形、内部外部不对中等。

第二、轴心轨迹（交流量）偏大，如由于不平衡、转子弯曲或流体激振引起过大的转轴振动。

第三、内部间隙不足。

从本质上讲，是转子的轴中心平均位置（直流量）和轴心轨迹（交流量）叠加后超过了转子和定子的可用间隙。不同的产生原因表现出不同的力的形式，力的性质不同，带来的故障特征就会产生差异，在此不作进一步的阐述。碰摩发生时的故障特征主要由碰摩发生时的力的特性所决定，它们是冲击力和摩擦力，如图1所示。

冲击力带来对动静部件的冲击作用，可能会改变转子运动轨迹及带来敲击效应，在某种转速条件下激发分频特征。摩擦力阻碍振动方向并产生热效应，带来不同程度热弯曲，引发合成不平衡力的变化，从而带来1倍转频（同步）响应的变化；同时动静间隙的接触时间，造成一定的削波和高次谐波特征；摩擦力的存在，带来反向的受力特征，引起反进动分量的变化，足够大的摩擦，可能会导致振动方向完全或局部反向，即出现反进动。同时碰摩程度不同，会产生不同的刚度效应。表1是两个案例的特征总结。表1特征建立在理论和有限经验总结之上，且随着动静接触时间，探头距离碰摩位置的远近，特征会有所区别，此表仅供参考。本文提到的案例仅涉及到RPMo＜2xRPMr的严重摩擦和RPMo≥2xRPMr的轻微碰摩，对于RPMo≥2xRPMr的严重摩擦及RPMo＜2xRPMr的轻微碰摩未作说明。

图1　碰摩受力示意图

二、案例介绍

1.汽轮机严重摩擦

（1）机组信息

空分装置空压、增压机组汽轮机两端分别驱动空压机和增压机。汽轮机属于单缸抽凝式，进汽侧靠近增压机，排汽侧靠近空压机。机组转速5369r/min，汽轮机输出功率30501kW。临界转速接近3800r/min，因此汽轮机运行转速小于2x一阶临界转速。

表1　本文案例碰摩故障特征

（2）案例背景

机组处在正常运行过程中，此前机组会间隔1到2天就启停机一次。汽轮机轴振在10s中增加，靠空压机其中一个测点振动增加达到跳机值，其他测点也存在同趋势的变化，振动变化最大的主要是汽轮机靠近空压机的测点。

（3）诊断分析

从图2的轴振趋势图可知，轴振变化的主要频率成分是1x同步响应，幅值和相位均发生变化，虽然变化时间不长，但并不是瞬间发生的（1～2s间），而是逐渐变化，这一点有别于转子平衡状态的突变，但符合碰摩的幅值和相位特征。振动增大后轴心轨迹（图3）说明靠近进汽侧垂直方向预载荷的存在，另外全频瀑布图中也呈现出反进动分量的增大，而排汽侧1x正进动分量更显著，这是严重摩擦的表现，且摩擦部位可能靠近排汽侧。

摩擦问题基本确认后，就要分析探讨诱发摩擦的可能原因。在振动增大之前，汽轮机两侧的轴振幅值很小，可以排除离心力过大造成的摩擦。接下来需要重点关注轴中心平均位置的特点。两次的轴中心平均位置在启机进入工作转速后，汽轮机两侧的轴心位置均开始下降，并稳定在某个位置，这是缸体及轴承座热膨胀的结果。但本次跳机的轴中心平均位置相对正常的图形，汽轮机两侧的热态稳定运行时的位置出现了明显的偏差（相差120μm），且相对正常的那次，汽轮机进汽侧轴心位置在启机过程中抬升高度明显较低（仅抬升到80μm，正常抬升到250μm），在低速状态下，轴颈抬升较为困难，说明在进汽侧附加了额外的预载荷，这与图3的轴心轨迹也能对应起来。由此可见机组在几次启停机运行后，出现了热态不对中的状态，这可能与汽轮机的热膨胀不均匀有关。

（4）现场反馈

机组停机后对汽轮机进行了揭缸检查，发现靠近排汽侧的低压级静叶与转子严重摩擦（图4）。测量发现汽轮机对中状态偏差较大。

2.汽轮机轻微碰摩

（1）机组信息

空分装置氮压机组，汽轮机带动齿轮箱，驱动氮压机。汽轮机属于单缸抽凝式，机组转速8800r/min，汽轮机输出功率111164kW。临界转速接近3800r/ min，因此汽轮机运行转速高于2x一阶临界转速。

（2）案例背景

机组处在正常运行过程中，汽轮机两侧测点均出现轴振波动现象，波动最高幅值接近报警值。

图2　汽轮机两侧轴振变化趋势（201A/B：进汽侧；202A/B：排汽侧）

图3　振动增大前后汽轮机两侧轴心轨迹

（3）诊断分析

汽轮机轴振的振动趋势见图5，4个测点均出现波动现象，波动的主要频率成分是同步响应1x。图6的极坐标图反映了同步响应矢量的变化特点，相位存在变化，但不是很大，表现为不平缓和不连续的圆圈。波动时，1x频率成分的正反进动分量均出现变化，尤其是进汽侧。以上描述，均反映出轻微碰摩的特征。综上所述，由轻微碰摩的故障现象可以确定，问题可能是油挡结垢，摩擦后又重新积聚。