给水泵汽轮机间歇性振动故障的分析与诊断

边技超，白雅贺,2，高　倩

(1. 中国能源建设集团北京电力设备总厂有限公司 特种工业汽轮机厂，北京 102401；2. 华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

0　概　述

目前，大部分发电厂的锅炉给水泵均采用汽轮机拖动。相比于电动机拖动而言，汽轮机拖动给水泵可减少厂用电，提高机组的热效率，提高给水泵运行的可靠性及减少投资额[1，2]。给水泵汽轮机的稳定运行，直接关系到整个发电机组安全及高效运行。高速旋转设备的非线性振动，包括半速涡动、低频振荡、碰摩等故障，将严重影响机组的稳定运行。高速旋转设备发生碰摩等故障后，轻则导致汽封、油档等部件的磨损，缩短部件的使用寿命、降低汽轮机效率，严重时，则会导致叶片断裂、主轴弯曲，甚至使整个汽轮机损坏，造成巨大的经济损失及引发生产安全事故[3-6]。现通过研究故障实例，分析和研究给水泵汽轮机的间歇性振动状态。根据振动的发生条件、表现特征，提出了处理故障的方法，为类似振动故障的处理，提供参考。

1　设备概况

1.1　轴系的布置

某热电厂的主汽轮机为亚临界、一次中间再热、双缸双排汽、单轴抽汽凝汽式汽轮机，配套的锅炉给水泵动力源是给水泵汽轮机。

给水泵汽轮机与给水泵组成的轴系结构，如图1所示。轴系中的联轴器为挠性联轴器，汽轮机侧1号与2号轴承为固定瓦推力轴承，进油方式为侵入式。1号轴承是推力轴承与径向轴承组成的联合轴承。径向轴承衬瓦表面与推力轴承工作面及非工作面上都涂有乌金，并装有热电阻作为温度探头，设置了超温报警及报警提示。给水泵汽轮机的额定转速，约为5 400 r/min。

图1轴系结构示意图

1.2　振动现象

该给水泵汽轮机于2016年初投入运行，在2016年9月，已出现间歇性振动现象。间歇性振动的波动曲线，如图2所示。

图2间歇性振动的波动曲线

振动时，检测了汽动给水泵组的基本参数及运行情况。

(1)热力参数正常。经检查，发现进汽压力、进汽温度、前后轴承温度、润滑油温度、单列级温度以及汽泵入口流量、压力等参数，均没有发生波动。

(2)给水泵侧的3号、4号振动测点，运行正常。

(3)发生振动的间隔时间无规律。发生振动的间隔时间，最短为1天，最长约为8天。

(4)发生间隙性振动时，1号轴承处测点显示的振动幅值，明显增加。1号测点的X方向振幅，从约20 μm增至约50 μm。1号测点Y方向振幅，从约50 μm增至约70 μm。2号轴承处测点的振幅，则有小幅下降。4个测点的具体振动值，如表1所示。

表14个测点的振动时刻及振幅值单位：μm

2　振动故障的分析与诊断

2.1　振动特征

在振动发生时，存在一些典型的振动特征，以1号测点X方向上的振幅为例进行说明。从图3的频谱分析可知，此时，除工频振动之外，还存在1/2倍频的低频振动，以及2倍频、3倍频等的高频振动。另外，在图4的左图中，为正常运行时的振动波形图，右图为振动波动时刻的振动波形图。此时的波形图存在轻微的削峰现象。这2种振动现象，在旋转机械设备中，均为转动设备与静件发生动静碰摩的典型特征。

图3振动波动时刻频谱结构图

图4振动波动时刻波形图变化情况

2.2　理论分析

对于旋转设备发生的动静碰摩故障，可简化为简单的拉法尔转子模型进行分析[7]。拉法尔转子动

图5拉法尔转子动静碰摩模型

静碰摩的模型，如图5所示。

根据拉法尔转子的运动方程式，得：

(1)

式(1)中，

C—当量阻尼；

M—当量质量；

K—当量刚度；

ω—旋转角速度；

e—偏心距。

m—圆盘质量。

通过推导式(1)，可得此模型的一阶临界转速为：

(2)

所以，当碰摩发生时，此时的临界转速会升高，并可得公式：

(3)

在式(3)中：

A1—工频振幅；

A2—二倍频振幅；

ωc—涡动角速度。

另外，因为产生碰摩，转子上存在冲击力及摩擦力，这2种力都具有非线性的特性，所以，会产生一定数量的谐波分量。若产生严重的碰摩现象，将使转子的运动呈现一定的混沌特性。但在实际运行过程中，大部分碰摩都属于轻度碰摩，所以，在振动图谱上，主要以工频振幅的变化为主，其他频谱的分量较少。

2.3　故障诊断及分析

根据分析，初步判断此给水泵汽轮机转子存在周期性的轻度径向碰摩，而引起此类现象的发生，主要有几个方面的原因。

(1)前、后油档与转子存在碰摩现象。

(2)前、后轴承与转子存在碰摩现象。

(3)在高、低压轴封及隔板汽封处，存在碰摩现象。

如果因轴承的磨损，导致了支撑刚度的不足，引起碰摩，将会表现为振动波动周期越来越短、振幅值越来越大。由于高低压轴封、隔板汽封处的间隙较小、缸体受热膨胀变形等原因引起碰摩，一般在启机初期，就会出现碰摩，且不存在周期性的振动。所以，产生振动的最大原因，可能是由于前、后油档与转子发生了碰摩。

在运行过程中，前轴承箱内为微负压状态，很容易导致配汽机构上脱落的保温材料、外界灰尘等杂质被吸入油档密封齿之间的缝隙，从而形成油垢。在高温环境下，油垢被碳化固结，当积垢过多时，将与此处的转子发生摩擦和挤压，从而造成振幅值的增大。而当油垢被磨平或脱落后，消除了碰摩现象，振幅值又恢复正常。如此不断重复，导致了给水泵汽轮机的间歇性振动故障。1号轴承油档积垢的实物，如图6所示。

图61号轴承油档积垢实物图

对机组进行C级检修时，发现前后轴承完好，没有碰摩痕迹。但查看前后油档时，发现在1号轴承油档的密封齿间，已经积满油垢，且由于油垢过多，导致油档底部的出油口被严重堵塞，润滑油已不能通过。因此，离轴承较远部位的积灰已呈显干燥状态。现场环境较差的状态，如图7所示。

图7现场环境

经分析后，可判断造成前油档处严重积垢的主要原因，是油箱排烟风机处的挡板开度较大，使得前轴承箱的负压较低，灰尘杂质被大量吸入油档。现场环境较差，存在大量的保温材料碎片及灰尘，为油垢的形成提供了条件。

3　处理措施

在检修过程中，采取了一系列的措施。

(1)仔细清理了油档处的杂物。清理后的结果，如图8所示。

(2)制定了相应的操作规范，可长期保持现场环境的整洁。

(3)减小排烟风机出挡板的开度，从而适当调整了前轴承箱的负压，避免杂质再次被吸入油档。

图8清理后的油档

采取各项措施后，重新安装了油档。再次启动机组运行，发现1号、2号的4个测点处间歇性振动已消失，并且振幅值长期保持在25～30 μm。

4　结　语

通过实例，分析了给水泵汽轮机发生间歇性振动的故障原因。根据振动发生的条件和表现特征，并给出了处理方法。

(1)发生此类间歇性振动故障，主要原因是由于间隙的调整不当、前轴承箱的负压过大、现场环境较差，导致油档密封齿间的油垢过多，转子之间的间隙逐渐减小，当振幅值大于间隙值时，就会发生碰摩或摩擦。

(2)此类间歇性振动故障的表现特征，是发生振动的间隔时间不固定，振幅值不会逐渐增大或者逐渐减小。

(3)清理油档处的油垢及杂质后，同时减小了排烟风机处的挡板开度，防止杂质再被吸入油档，从而消除了此类间歇性的振动故障。

参考文献:

[1] 赵鹏飞.火力发电厂汽轮机驱动给水泵节能分析[J].机械管理开发，2017，32(10)：30-49.

[2] 赵建，牛全兴，黎渊博.小机排汽对主机凝汽器的影响研究[J].山东电力技术，2017，44(8)：60-65.

[3] 李录平，邹新元，陈荐.汽轮发电机组碰磨故障的典型特征研究[J].振动、测试与诊断，2001，21(4)：281-296.

[4] 刘玉智，张志明，谢卫兵.汽轮机转子碰磨振动特征实测分析[J].现代电力，2005，22(2)：42-45.

[5] 陈江，沙德生.电厂辅机振动故障诊断与处理[J].电站辅机，2003(1):24-27.

[6] 边技超，付忠广，杨金福.高速气体轴承转子周期性碰摩故障试验研究[J].噪声与振动控制，2015，35(5)：130-138.

[7] 李明，贾向龙，曹艳.汽轮机转子动静碰摩理论分析及判别特征[J].陕西电力，2011，39(9)：42-44.

简讯

全年工程建设瞄准1022万千瓦目标

日前，电建核电公司面对 2018 年全年投产发电 1022 万千瓦的繁重施工任务，各在建项目部以建设精品工程为目标，在保证工程质量和安全的前提下，不断加快工程建设速度。为了确保高效地完成 1022 万千瓦机组的建设任务，电建核电公司采取了多项有力措施，全面推进样板项目异地复制活动，大力开展科技创新活动，积极开发、推广、应用新技术。努力开拓和使用社会资源，更为有效地完成施工任务。

摘自上海电气电站设备有限公司电站辅机厂技术部《信息简讯》第232期