S109FA型单轴燃气-蒸汽联合循环机组临界转速轴振异常分析和处理

葛建春

(福建晋江天然气发电有限公司，福建 晋江 362251)

GE公司的S109FA单轴燃气-蒸汽联合循环机组轴系主要由燃气轮机转子、负荷短轴、汽轮机高中压转子、汽轮机低压转子、发电机转子等组成，如图1所示，其中1～5为可倾瓦轴承，6～8为椭圆瓦轴承，推力轴承位于1号轴承处，只有1号和2号轴承有顶轴油。对于两班制调峰运行的机组，由于轴系长达42 m，经常发生因轴承油膜失稳、轴系不对中、转子质量不平衡、动静碰磨等造成的振动故障，严重影响机组的安全可靠运行。

图1 轴系布置

本文主要研究了一起在正常停机至二阶临界转速时3号轴承轴振异常偏大的故障案例，通过采取调节润滑油温度、轴系找中、调整轴承标高、全速空载等待、转子平衡配重等方法探索临时措施和根本处理方案，并进行原因分析和总结，为处理和避免类似故障积累经验。

1 机组振动现象

某燃气电厂一期工程装配四台S109FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组，机组在投产初期启停和满负荷运行过程中各轴承振动情况良好，运行2年后，其中2台机组频繁发生停机至二阶临界转速时3X振动大故障，且随运行时间增长而不断恶化，如图2和3所示，主要表象为：

(1) 满负荷工况时各轴承轴振一般不大于0.10 mm，启机至临界转速工况时各轴承最大轴振一般不超过0.15 mm。

(2) 停机至二阶临界转速工况时，3X轴振大于0.20 mm，3Y及其它轴承轴振不大于0.10 mm，各轴承瓦振和瓦温数据未发生明显异常。

(3) 停机至二阶临界转速工况时，3X轴振主要是一倍频分量，且高中压转子两侧轴承振动相位基本相同。

(4) 停机至二阶临界转速工况时，3X偏大问题与机组冷热态启机运行方式无直接关联。

图2 停机降转速过程3X轴振图

图3 停机降转速过程3Y轴振图

2 振动影响因素试验研究

为避免故障进一步恶化，从以下几方面进行探索性研究查找问题原因，并适时采用有效的临时措施，为彻底根除故障争取时间和积累分析数据。

2.1 改变润滑油温度

表1为润滑油温度对4号机临界转速3号轴振影响。从表1可以看出：

(1) 润滑油温度降低约3 ℃，3X升高0.006 mm；润滑油温度升高4.5 ℃，3X降低0.012 mm。因此，相同温升和温降时，提高温度对3X影响更大。

(2) 停机至二阶临界转速时，3X振动大，3Y振动小，说明轴颈在3号轴承内沿X方向偏移较大，此时X方向油膜增厚，若提高润滑温度，可降低X方向油膜厚度，从而降低X方向振动，Y方向振动基本不变。

(3) 油温调整不易太高，一方面可能会引起轴承温度高造成润滑油油质老化，另一方面可能会降低油压影响润滑效果。因此，通过提高油温降低停机至二阶临界转速时3X振动的措施是受限的，效果也不佳。

表1 润滑油温度对4号机临界转速3号轴振影响

注：1) 机组正常停运时润滑油温度为49 ℃；

2) 润滑油压等参数未做调整。

2.2 停机解列至全速空载等待

表2为全速空载时长对3号机临界转速3号轴振影响。从表2可以看出：停机解列至全速空载等待时间越长，降速至二阶临界转速时3X和3Y振动下降幅度越大，效果越明显。

表2 全速空载时长对3号机临界转速3号轴振影响

注：机组正常停运时润滑油温度、压力等参数未做调整。

2.3 轴系找中

表3为轴系找中对4号机临界转速3号轴振影响。从表3可以看出：

(1) 第一次轴系找中后，停机至二阶临界转速时3X增大；第二次轴系找中后，停机至二阶临界转速时3X振动有小幅下降，但点火运行23次至2014年6月18日停机时达到0.185 mm，之后至下次找中前一直维持在0.180～0.210 mm；第三次轴系找中基本没有效果。

(2) 启动和正常运行过程中，各轴承瓦温和振动均正常，轴系不对中不是停机至二阶临界转速时3X振动大问题的根本原因，找中效果也不明显，如果找中不当可能会加剧3X振动幅值。

表3 轴系找中对4号机临界转速3号轴振影响

2.4 调整轴承标高

表4为调整轴承标高对3号机临界转速3号轴振影响。从表4可以看出：

(1) 调整3号轴承标高主要是增加负载，油膜厚度变薄，油膜刚度增大，可以暂时降低停机至二阶临界转速时3X振动，随着运行时间增长会继续恶化。

(2) 调整3号轴承标高要从轴系的负荷分配角度综合进行考虑。如在2016年6月22日热态启动过程因4号轴承振动大跳闸，再次对4号轴承进行标高调整才暂时缓解振动故障。

表4 调整轴承标高对3号机临界转速3号轴振影响

2.5 燃气轮机转子配重

在燃气轮机未揭缸检修的情况下，一般在透平三级动叶轮盘配重，如图4的③位置。在机组未检修的情况下，一般在负荷短轴中间配重，如图5的④位置；或在靠近汽轮机侧的靠背轮配重，如图5的⑤位置。

图4 燃气轮机透平转子配重示意图

图5 负荷短轴配重示意图

表5为燃气轮机转子配重对3号机临界转速3号轴振影响。从表5可以看出：燃气轮机三级动叶轮盘配重(图4的③位置)和负荷短轴中间配重(图5的④位置)可适当降低停机至二阶临界转速时3X振动，但可能会对定速满负荷工况下各轴承振动产生不利影响，效果不明显。

表5 燃气轮机转子配重对3号机临界转速3号轴振影响

注：1) 燃机三动轮盘一次配重：③加552g∠330°；

2) 燃机三动轮盘二次配重：③拆552g∠330°，③加690g∠260°；

3) 负荷短轴中间配重：④加232g∠300°。

3 振动原因分析

通过上述大量试验和频谱分析，基本排除油膜涡动、轴系不对中、燃气轮机转子质量不平衡等因素对停机至二阶临界转速时3X轴振的影响。考虑到停机至二阶临界转速时，1号和2号轴承轴振较小，3号轴承轴振较大，且高中压转子两侧轴承振动相位基本同相，初步推断故障原因是由于高中压转子质量不平衡引起。

4 汽轮机高中压转子动平衡试验

汽轮机在未揭缸检修的情况下，一般在两侧和中间位置配重，如图6所示，其中⑥和⑧是两侧配重位置，⑦是中间配重位置。

图6 高中压转子配重示意图

4.1 高中压转子两侧配重

表6为高中压两侧配重对4号机临界转速3号轴振影响。从表6可以看出：在汽轮机高中压转子两侧配重(图6的⑥和⑧位置)，可以暂时降低停机至二阶临界转速时3X振动，且振动幅值下降有限；随运行时间增长，停机至二阶临界转速时3X振动会持续恶化至报警甚至跳闸。

表6 高中压两侧配重对4号机临界转速3号轴振影响

注：1)“FS”指点火启动次数；

2)第1次配重：⑥和⑧各加350g∠200°；

3)第2次配重：⑥和⑧各加500g∠128°；

4)第3次配重：⑥和⑧各拆500g∠128°，⑥和⑧各加272g∠254°。

4.2 高中压转子中间配重

表7为高中压中间配重对4号机临界转速3号轴振影响。从表7可以看出：在汽轮机高中压转子中间配重面配重(图6的⑦位置)，可以较大降低停机至二阶临界转速时3X振动幅值，对其它轴承在启停机及定速工况下的轴振无明显影响，且不会随运行时间增长而恶化，说明此方案才是消除故障的根本措施。

表7 高中压中间配重对4号机临界转速3号轴振影响

注：1) “FS”指点火启动次数；

2) 配重：⑦加554g∠250°。

4.3 原因分析

由于停机至二阶临界转速时3X振动大是由于汽轮机高中压转子不平衡造成，且不平衡力位于高中压转子中间部位，当在高中压转子两侧进行配重时，配重面和失衡面不重合，在3个力的作用下，随着运行时间增长，转子会出现越来越大的弯曲变形，从而导致临界转速下振动越来越大，如图7所示。当在高中压转子中间面配重时，则会避免转子弯曲变形，从而彻底根除故障。

图7 转子弯曲变形示意图

5 结语

(1) 轴系找中、燃气轮机三级动叶轮盘配重、负荷短轴配重等方式基本无法有效降低停机至二阶临界转速时3X振动，有时反而会恶化，甚至会影响其它工况下各轴承振动。

(2) 延长停机解列至全速空载时长可以降低停机至二阶临界转速时3X振动，由于全速空载会造成天然气和电量消耗影响经济性，只能作为应急临时措施。

(3) 调整3号轴承标高可以作为临时措施降低停机至二阶临界转速时3X振动，但也可能会引起相邻轴承负荷分配发生变化造成其它振动异常，因此要综合考虑进行轴系标高调整。

(4) 提高油温和抬高3号轴承标高都是增加3号轴承负载，油膜厚度变薄，油膜刚度增大，降低停机至二阶临界转速时3X振动。提高油温效果相对不明显，一是受油温提升幅度限制；二是提升油温对所有轴承影响是同步的，而抬高3号轴承标高主要影响3号轴承。

(5) 在高中压转子两侧配重可以缓解停机至二阶临界转速时3X振动，由于配重面与失衡面不重合造成转子弯曲变形加大，导致故障重复发生。

(6) 在高中压转子中间配重面进行动平衡可以根除故障，因此尽量在转子失衡面进行配重。