張成　徐廣磊

摘 要：汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)聯(lián)動試車振動過大會導(dǎo)致無法正常開車。由此，本文進(jìn)行了兩次聯(lián)動試車，探討汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)聯(lián)動試車振動異常的原因，最后提出改進(jìn)處理方案，分析運行效果，并總結(jié)經(jīng)驗，以期為其他學(xué)者的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);空氣壓縮機(jī);聯(lián)軸器;振動

中圖分類號：TK268.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）25-0073-03

Analysis and Treatment of Abnormal Vibration in Combined

Test Run of Steam Turbine Air Compressor

ZHANG Cheng XU Guanglei

（Kaifeng Air Separation Group Co.， Ltd.，Kaifeng Henan 475000）

Abstract： The vibration of turbine and air compressor linkage test run is too large， which leads to failure of normal start-up. Therefore， this paper had carried out two times of linkage test run to explore the causes of vibration abnormality in the linkage test run of steam turbine and air compressor. Finally， it put forward the improvement scheme， analyzed the operation effect， and summarized the experience， in order to provide reference for other scholars' research.

Keywords： steam turbine;air compressor;coupling;abnormal vibration

在煤化工型空分設(shè)備中，汽輪機(jī)作為壓縮機(jī)的驅(qū)動裝置得到了廣泛應(yīng)用。離心壓縮機(jī)的用途廣泛，是制氧、石油化工等企業(yè)的關(guān)鍵性設(shè)備。整個機(jī)組在運行過程中的軸承振動值是評估機(jī)組運行參數(shù)是否正常的一大因素，對于振動異?；蛘哳l繁波動，若不及時處理，很可能會對軸承軸瓦造成嚴(yán)重?fù)p傷，威脅整個機(jī)組的運行狀況，導(dǎo)致機(jī)組不能正常運轉(zhuǎn)，因此，軸系動平衡是機(jī)組調(diào)試過程中較為重要的一個環(huán)節(jié)。

本文以2013年山西天柱山化工廠14000空分設(shè)備空氣壓縮機(jī)組耗時3個月的聯(lián)動試車調(diào)試過程為案列來分析軸系動平衡的重要性。

1 一次聯(lián)動試車過程

山西天柱山化工廠14000空分設(shè)備現(xiàn)場配套1臺型號為DA1640-41型空氣壓縮機(jī)和NH32/03型汽輪機(jī)，均為國產(chǎn)制造，聯(lián)軸器由沈陽某大型聯(lián)軸器制造商生產(chǎn)[1]。本項目由于工期延期，導(dǎo)致聯(lián)軸器緊固件部分缺失和膜片型號與說明書不符，待重新更換后，開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計研究院技術(shù)人員建議用戶將聯(lián)軸器返廠做高速動平衡校正，但用戶未聽取建議而僅在太原做了低速動平衡測試校正。待聯(lián)軸器返回，開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計研究院技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器緊固螺栓和自鎖螺母被嚴(yán)重磨損，并且配重塊焊接位置不合理等，隨即和聯(lián)軸器廠商溝通商討聯(lián)軸器當(dāng)前的可用性。廠商則建議更換被磨損件并要求將聯(lián)軸器返廠重新做高速動平衡測試校正，但用戶仍未聽取建議，堅持按計劃繼續(xù)做聯(lián)動試車。

2019年5月4日，汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)按照原計劃初次聯(lián)動試車。升速過程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動值持續(xù)穩(wěn)步增長。在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速約為4 800r/min時，前軸承振動值VE735、VE736和后軸承振動值VE737、VE738均超過規(guī)定停車值100μm，汽輪機(jī)立即“拍?！盵2]。儀控人員檢查儀表排線情況，排除儀表干擾等其他原因，確定汽輪機(jī)振動值數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。因聯(lián)動試車之前汽輪機(jī)單獨試車時軸振動值都在設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)，現(xiàn)場多方技術(shù)人員經(jīng)過研究討論，一致認(rèn)為機(jī)組軸系動平衡問題可能性較大，需要進(jìn)行現(xiàn)場動平衡校正。

之后汽輪機(jī)廠家委派專家到現(xiàn)場，于5月10日再次聯(lián)動試車，并開始對機(jī)組做現(xiàn)場動平衡校正，用頻譜分析儀從控制箱派利斯TM0180前置器端子進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，捕捉汽輪機(jī)在振動瞬間的振動數(shù)據(jù)。5月10日上午11：00開始，經(jīng)過初次的聯(lián)軸器兩端試重校正和幾次配重校正后，約到下午15：00，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場校正后效果并不理想，汽輪機(jī)前后軸承振動并未減小，相反有增大的趨勢。停止調(diào)校后，現(xiàn)場技術(shù)人員研究討論是否校正動平衡方向搞錯的可能性。下午16：00，校正測試重新開始，校正結(jié)果為轉(zhuǎn)速3 500r/min左右，汽輪機(jī)前后軸承振動值穩(wěn)定在65μm左右，但等汽輪機(jī)繼續(xù)沖轉(zhuǎn)升高轉(zhuǎn)速約為6 000r/min時，前軸承兩個測點振動過大，均超過設(shè)計報警點，空氣壓縮機(jī)除低壓側(cè)軸承測點振動值接近50μm外，其余軸承測點均顯示在正常范圍內(nèi)。研究分析發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)的振動值VE735、VE736形成的軸心軌跡為橢圓形，則表示主要是轉(zhuǎn)子本身不平衡造成;而振動值VE737、VE738形成的軸心軌跡為不規(guī)則圖形，有毛刺和尖頂，則說明是轉(zhuǎn)子有碰磨情況發(fā)生而導(dǎo)致的，轉(zhuǎn)子軸心軌跡采樣分析示意圖如圖1所示。

2 一次聯(lián)動試車停車的原因分析

停機(jī)后，各方專家經(jīng)過多次分析討論，認(rèn)為造成汽輪機(jī)前軸承振動值過大的原因有如下幾種可能。

第一，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子本身的動平衡可能存在問題。據(jù)現(xiàn)場工作人員反映，汽輪機(jī)單獨試車時電動盤車工具曾出現(xiàn)機(jī)械故障，盤車工具嚴(yán)重磕碰轉(zhuǎn)子本身。

第二，聯(lián)軸器本身動平衡有較大問題。在現(xiàn)場動平衡校正測試結(jié)束后，開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計研究院技術(shù)人員通過對空氣壓縮機(jī)和汽輪機(jī)對中數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)校，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)兩端面平行度是0.04mm，外圓徑向跳為0.16mm。這個數(shù)據(jù)在聯(lián)軸器的膜片補償系數(shù)之內(nèi)，因此不會對汽輪機(jī)的振動造成影響。此外，頻譜分析顯示，振動以一倍工頻為主，排除因?qū)χ幸蛩卦斐烧駝舆^大的原因。因此，聯(lián)軸器本身動平衡問題很可能是破壞軸系動平衡、引起汽輪機(jī)前軸承振動大的主要原因之一。

第三，開封空分集團(tuán)有限公司設(shè)計研究院技術(shù)人員在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器墊圈尺寸有誤，經(jīng)現(xiàn)場機(jī)械修磨加工后，技術(shù)人員要求對聯(lián)軸器再重做動平衡，同時要求更換做動平衡的測試廠家，但用戶沒有聽取建議，堅持繼續(xù)聯(lián)動試車。這也是造成聯(lián)動試車振動過大的主要原因之一。聯(lián)軸器墊圈如圖2所示。

第四，針對現(xiàn)場動平衡效果不理想的情況，技術(shù)人員根據(jù)試車日志和數(shù)據(jù)分析，并且和聯(lián)軸器廠家溝通數(shù)次后，認(rèn)為聯(lián)軸器雖然經(jīng)過兩次動平衡校正，但都是在低速狀態(tài)下做的動平衡校正，并未按照聯(lián)軸器制造商要求在額定轉(zhuǎn)速（6 870r/min）下做高速動平衡校正，特別是用戶第一次單獨找有關(guān)單位做低速校正動平衡后，聯(lián)軸器緊固螺栓和螺母已經(jīng)被嚴(yán)重磨損，實際已經(jīng)不能再繼續(xù)使用，很可能導(dǎo)致高速動平衡狀態(tài)并不穩(wěn)定，從而影響機(jī)組軸系動平衡狀態(tài)，因此導(dǎo)致汽輪機(jī)升速時還未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速就因振動值達(dá)到高限報警[3]。根據(jù)整個機(jī)組運轉(zhuǎn)情況，技術(shù)人員建議將聯(lián)軸器做返廠檢查，并做高速動平衡校正。

3 二次聯(lián)動試車

5月中旬，聯(lián)軸器被返廠進(jìn)行整修并更換必要緊固件及膜片，同時做高速動平衡校正。5月29日重新進(jìn)行現(xiàn)場聯(lián)動試車，其間，聯(lián)軸器廠家亦派專家指導(dǎo)現(xiàn)場動平衡工作。表1為當(dāng)日聯(lián)動試車機(jī)組軸承振動情況記錄。

此次返廠，高速動平衡校正并沒有取得任何效果。由以上數(shù)據(jù)可以看出，在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3 500r/min時，汽輪機(jī)前軸承振動值最高是104μm，達(dá)到停機(jī)報警值，后軸承振動值最高達(dá)到77.5μm，也達(dá)到報警值。此外，頻譜分析顯示，其振動能量一倍頻占其能量的95%以上，工頻為主要峰值，說明主要原因為轉(zhuǎn)子本身不平衡導(dǎo)致，所以要解決帶負(fù)荷的動平衡問題[4]。轉(zhuǎn)子軸心軌跡示意圖如圖3所示。

4 二次停車的原因分析

綜上所述，汽輪機(jī)前后軸振動值增大的同時，空氣壓縮機(jī)低壓端軸振動值也隨之加大，具有聯(lián)動效應(yīng)，可以確定機(jī)該機(jī)組的軸系動平衡問題很嚴(yán)重。

第一，在現(xiàn)場聯(lián)動試車結(jié)束后，技術(shù)人員分別對汽輪機(jī)組和空氣壓縮機(jī)組進(jìn)行拆機(jī)檢查。經(jīng)過對空氣壓縮機(jī)機(jī)身流道進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)空氣壓縮機(jī)機(jī)體一級蝸殼蝸舌處有因鑄造原因而多出的多余結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

此處多余結(jié)構(gòu)嚴(yán)重堵塞了氣體流出蝸殼的流道，使得經(jīng)過一級葉輪的壓縮氣體在多余結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生亂流和堆積，并造成壓力過高，不斷沖擊蝸殼本身機(jī)體，這也是造成空氣壓縮機(jī)一級（低壓端）軸振動偏大的原因之一。

第二，擴(kuò)壓器頂部與隔板間的間隙尺寸和各級葉輪出口處與擴(kuò)壓器進(jìn)口交界處的寬度差有些偏差，按照設(shè)計人員圖紙要求，此處交界處的寬度誤差太大，如圖5所示。

技術(shù)人員經(jīng)研究分析得出，擴(kuò)壓器隔板制造時由于加工誤差導(dǎo)致組裝時和原設(shè)計尺寸偏差過大，并且在安裝時技師并未進(jìn)行磨合修正，這樣經(jīng)四級擴(kuò)壓器出口處氣體在流經(jīng)此處流道時，因為有此誤差造成的機(jī)體阻礙同樣會造成氣體亂流現(xiàn)象和不斷沖擊機(jī)殼本身造成振動。

第三，一級蝸殼由于被設(shè)計為上下分體式，拆機(jī)開蓋檢查后發(fā)現(xiàn)上下蝸殼結(jié)合面有較大錯位，氣體流經(jīng)上下結(jié)合面處會造成亂流或沖擊機(jī)體本身的問題。

第四，綜合波形頻譜圖綜合判斷，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和聯(lián)軸器本身應(yīng)該有有較大的動平衡問題。

5 改進(jìn)處理方案

6月中旬，根據(jù)兩次聯(lián)動試車情況，技術(shù)人員認(rèn)為聯(lián)軸器本身動平衡問題嚴(yán)重，決定更換新聯(lián)軸器，并要求汽輪機(jī)廠家將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子也做返廠高速動平衡校正。在新聯(lián)軸器加工生產(chǎn)期間，空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子各自返廠進(jìn)行高速動平衡調(diào)校。對于空氣壓縮機(jī)一級蝸殼流道局部多余結(jié)構(gòu)進(jìn)行切除修補，蝸殼分體下機(jī)殼和各擴(kuò)壓器隔板則按照圖紙要求進(jìn)行現(xiàn)場修磨，蝸殼分體上機(jī)殼須返廠進(jìn)行機(jī)械加工整修。

6 運行效果

7月初待安裝好新聯(lián)軸器，就位做好高速動平衡的空氣壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，重新校正機(jī)組對中數(shù)據(jù)，使之符合設(shè)計要求。7月底準(zhǔn)備工作就緒后，機(jī)組一次性聯(lián)動開車成功，汽輪機(jī)和空氣壓縮機(jī)各項振動指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求。

7 經(jīng)驗總結(jié)

空分設(shè)備的原料壓縮空氣由空氣壓縮機(jī)組提供，機(jī)組運行效果直接影響空分設(shè)備產(chǎn)品產(chǎn)量。日常運行中，維護(hù)人員需要密切注意壓縮機(jī)組各運行參數(shù)的變化，尤其是軸系各軸振動值的變化趨勢。技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)不同的軸振動值工況，認(rèn)真分析其產(chǎn)生的原因，避免隱患擴(kuò)大，以免造成機(jī)組故障停車或者設(shè)備損壞，為盡快恢復(fù)機(jī)組正常運行提供正確的對策解決方案。

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