合成循环气压缩机蒸汽轮机振动分析及处理

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(1.濮阳永金化工有限公司，河南 濮阳 457004 ; 2.河南长兴建设集团有限责任公司，河南 濮阳 457000)



合成循环气压缩机蒸汽轮机振动分析及处理

高明亮1，王志云2

(1.濮阳永金化工有限公司，河南 濮阳 457004 ; 2.河南长兴建设集团有限责任公司，河南 濮阳 457000)

汽轮机组是化工装置的核心设备，振动也是其主要故障，文章分析了乙二醇装置合成循环气压缩机振动的原因及特征，采取了处理措施。

合成循环气压缩机 ； 蒸汽轮机 ； 汽流激振 ； 故障

0 前言

某厂年产20万t乙二醇装置合成循环气压缩机采用沈鼓DMCL804离心式压缩机，其驱动机采用杭州中能HS5313背压冲动式蒸汽轮机，其主要性能参数见表1。两端的径向轴承采用二油楔轴承，每个径向轴承装有互成90°的两个本特利3 300振动探头。控制装置采用SKZ-01-CM-10速关控制器，调节阀采用双阀杆结构，有4个阀头。转子采用整锻转子，材料为优质铬钼钒钢，有1个双列调节级和4个压力级。一阶临界转速4 240 r/min，二阶临界转速7 967 r/min，转子质量1 820 kg，润滑油采用46号L-TSA汽轮机油。

表1 蒸汽轮机主要性能参数

1 问题的产生

机组开车运行两年，调速机构运行正常，前轴承via163和后轴承via165振动由28 μm左右上升至38 μm。通过频谱分析，发现主要出现一倍频和半倍频幅值，判断转子本身出现一定变化，动平衡受到破坏，同时轴承出现磨损。停机后出现了异常的振动升高，解体后该转子在DH50动平衡机上做高速动平衡，在第一级叶轮修正面处增加了80 g配重，两端轴承处达到了小于1.12 mm/s的平衡精度要求。检查轴承巴氏合金有一定程度的磨损，轴承间隙超标，经调整后回装。

1.1第一次单试汽轮机情况

启动后进入1 200 r/min暖机，前轴承via163振值28 μm左右，后轴承via165振值16 μm左右，45 min后进入1 800 r/min暖机，前后轴承振值基本稳定。暖机40 min后，前后轴承振动值均出现上升，其中前轴承via163达到44 μm，降低暖机转速至1 400 r/min后，前后轴承振值下降。10 min后，前后轴承振动值又出现上升，此时转速1 600 r/min，后轴承振动达到74 μm，降低转速后振动值又显著下降，振动趋势比转速信号滞后，此时判断机组不能连续运行，停机。

停机后，高压蒸汽调节阀不回复零位，出现卡涩现象，调节阀静态试验数据出现偏差。

1.2检修处理及第二次单试汽轮机情况

复查检修资料，转子在检修期间检查转子跳动0.05 mm，符合要求，同时做动平衡合格，基本排除转子不平衡的可能；复查前后轴承的检修资料，前后轴承的瓦量和瓦背紧力符合要求，巴氏合金进行的刮研也符合要求，各个汽封间隙及转子在缸体中心的情况也符合要求。准备再次试机，在试机前采取以下措施：①针对停车时调节阀静态数据偏差问题，对调节阀阀杆和填料进行检查，发现阀杆有一定程度磨损，对阀杆和填料处理后静态调试合格。②由于该次是大修后首次启动机组出现问题，本次全面排查了蒸汽系统及缸体导淋系统，排除缸体导淋排水不畅导致水击的问题。③由于滑销系统仅有前端缸体轴向膨胀的监测，在开机前对缸体前后各架四个百分表，观察缸体横向膨胀位移情况。④为更准确分析判断原因，使用分析仪直接从本特利3300表架上采集振动数据进行振动分析评价，评判标准为相应的国家振动标准、相关等同国家标准或企业相关标准。

启动前严格控制缸体上下部的温差范围80～100 ℃，同时适当延长暖机的时间，机组在转速为1 800 r/min暖机，经过暖机前轴承via163振值由29 μm降至25 μm。通过频谱分析，主要是工频，但也有部分半频的分量。机组过临界后，蒸汽调节阀调节信号vsic151出现波动，蒸汽流量也出现波动，转速达到5 220 r/min后，后轴承via165达到71.7 μm，前轴承via163最高达到57 μm，频谱分析出现丰富的频谱特征，同时波动也很大，既有工频成分，也有2、3、4倍频及高频成分，同时低频成分超过工频幅值。检查汽机横向膨胀比较均匀，四个百分表误差在0.2 mm以内。降低转速至4 800 r/min，振动值出现下降，10 min后又出现大幅度波动上升，机组上缸有异常响声，机组停机，蒸汽调节阀未有效关闭，关闭主蒸汽大阀后机组转速降至零。

2 原因分析

汽轮机作为一种大型机械设备，其组成部件数量较多，各部件之间的联系也较复杂，与本次异常振动相关的有以下原因。

2.1机组动静碰磨

机组发生碰磨时，振动时域波形发生畸变，出现削波现象，同时在振动信号中有异常信号。同时碰磨有丰富的频谱特征，既有工频成分，也有2、3、4倍及高频成分，也有半频及固定频率等低频成分。

2.2汽流激振

汽流激振力通常来自以下几个方面：①叶顶间隙激振力。汽轮机叶轮在偏心位置时，由于叶顶间隙沿圆周方向不同，蒸汽在不同间隙位置处的泄漏量不均匀，使得作用在叶轮沿圆周向的切向力不相等，就会产生作用于叶轮中心的横向力，也称为间隙激振力。②汽封汽流激振力。由于转子的动态偏心，引起轴封和隔板汽封腔中沿周向蒸汽压力分布不均匀，产生一个垂直于转子偏移方向的合力，使转子运动趋于不稳定。③作用于转子上的蒸汽力。由于缸体进汽方式的影响，高压蒸汽产生一个作用于转子的蒸汽力，造成转子流通部分间隙的变化。此蒸汽力的大小和方向受各喷嘴开启顺序、开度所影响。汽轮机的调节级由于承受喷嘴喷出的高温高压蒸汽，该处的蒸汽温度、压力、速度和密度最大。该处是部分进汽，且在不同工况各喷嘴的汽流流量不同，该级的汽流激振力是引起汽轮机振动的重要因素。不同工况汽门喷嘴开启情况不同，本机有4个喷嘴，在均匀进汽的情况力激振力较小，在进汽不对称且不均匀的情况下，激振力的大小和方向变化剧烈，容易引起振动。

汽流激振对负荷比较敏感，发生在高压转子或高中压转子上。产生的低频振动以接近0.5倍频分量为主，严重时与转子一阶临界转速相吻合。

根据振动的特征，判断由于调节蒸汽分配造成的汽流激振，在低速情况下对转子影响不大，但在过临界之后，激振力突然增大，机组处于失稳状态，出现转子碰磨，加剧了机组振动。

3 检修处理

解体机组高压调节阀后，4号喷嘴阀头脱落，阀蝶螺纹损坏，该阀头由螺纹固定在阀蝶螺栓上，同时用销钉铆牢，由于该阀头处于蒸汽进口，受到冲击较大，由于长期运行销钉松动脱落，该阀头从阀蝶螺栓上松脱。汽阀配置示意图如图1所示。

图1 汽阀配置示意图

由图1得知，查机组资料得知该汽轮机调节阀共有4个阀头，其中1号阀头阀径50 mm，2号阀头阀径56 mm，3号阀头阀径56 mm，4号阀头阀径45 mm。1号阀头升程3 mm(即调节阀行程达到3 mm时该阀头开始动作，以下同理)；2号阀头升程12 mm；3号阀头升程18 mm；4号阀头升程23.5 mm。随着负荷的增加，阀头顺序打开，在汽轮机单试过程中，由于负荷较小，根据汽阀配置图我们得知仅有1号阀头打开，而4号阀头脱落失效，导致调节级配汽严重不平衡，随着转速的提高，轮室内的压力升高，不平衡力矩越来越大，转子失稳，出现了动静摩擦，加剧了机组的振动。

对阀头和阀蝶螺栓更换新件，并将阀头与固定销用氩弧焊点死，同时将其它三个阀头与固定销点焊处理，消除了隐患。

由于开车进度原因，检修后开车直接带压缩机启动，暖机时前轴承via163和后轴承via165振值均在15 μm左右，过临界后各轴承振值在20～24 μm，机组进入正常运行区后，各轴承振值在23～29 μm，检修效果较好。

4 结束语

汽轮机在运行过程中，不仅要承受汽流的作用力和由叶片、叶轮本身离心力所引起的应力，而且承受着由温度差所引起的热应力等多种作用力，因此汽轮机的振动在所难免。要获得正确的振动故障诊断，要认识机组的振动特征规律，收集振动数据，进行仔细的分析和推理，才能对汽轮机振动故障作出准确的判断。

2017-04-10

高明亮(1975-)，男，高级工程师，从事化工设备方面管理工作，电话：13721728230。

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