高炉煤气余压回收透平发电机组振动故障分析及处理实践

杨曙东，亓振宝，亓 彬，魏佑峰

（1 山东泰山钢铁集团有限公司，山东 济南271100；2 莱钢集团蓝天公司，山东 济南271100）

1 前 言

TRT 发电系统的主要包含透平机、发电机组、励磁系统、高低压发电、配电系统、动力油系统、润滑油系统、供水和排水系统，以及大型阀门系统等。该系统的构成复杂，并且需要在高温高压条件下长时间运转，因此在运行中易发生故障风险，其中发电机组的故障发生率相对较高，而导致发电机组故障的最主要风险就是因非正常振动、超负荷运转等因素所引起的振动故障，如故障不能快速处理，便会造成整个系统运行状态恶化，导致出现机组振动幅度和频率增加，加速机组的磨损损坏，最终无法正常工作而停机。所以必须要及时对TRT 机组振动故障进行判断分析，快速做出相应的处理措施，将故障影响降至最低。

2 余压回收透平发电机组故障分析

2.1 非正常振动

非正常振动主要体现在下述几方面：（1）机械设备运行过程中出现参数偏差是导致机组出现故障的一个重要原因。造成该情况的主要因素是机械设备操作人员的人为失误，或设备维护维修人员对机械设备的内部参数调整不合理，造成零件松动。上述问题在日常工作中不易发现，但其后果影响非常大，不仅会导致设备运行异常，工作效率大大降低，同时还会导致相关零部件耗损严重，甚至直接损毁硬件。（2）设备零件松动也是造成发电机组振动的最主要原因之一，由于高炉炼铁环境因素的影响，机械零部件在热胀冷缩的过程中就可能发生运行异常，进而导致零部件松动［1］。（3）机械设备电功率不稳定。该类故障发生率相对较低，但是在发电机组运行中仍存在一定的可能性。电功率不稳定会严重影响相关机械设备的正常运行，出现运转速度不稳定、设备损坏、短路等问题，进而导致设备运行异常。除了外接电源电压不稳定外，设备内部电路故障也会导致电机功率不稳定，在发生故障时必须及时进行原因排查，消除安全隐患。

2.2 超负荷运转

高炉设备基本都需持续不间断生产，无时无刻都会产生大量煤气，这就导致TRT机组持续超负荷工作。一般情况下，机械设备都会预留一定的超负荷空间，即便机械设备超出额定功率和负荷，但只要不超过预留的最大负荷值，短期的超负荷工作对机械设备造成的损害比较小，并不会造成机械设备出现故障频发的现象。但是超负荷运行时间过长，机组内的相关零部件就会因超负荷运行出现严重磨损，尤其对于部分精密零部件，其使用寿命、工作精度等都会降低。当磨损达到一定程度时，零部件就会出现损坏，进而引起机组故障，这不仅会给钢铁企业造成经济损失，还易引发安全事故。

3 余压回收透平机组振动故障处理措施

3.1 远程数据信息检测管理系统

运用信息化技术可以实现对发电机械设备数据信息的时时在线监控，并准确识别相关机械设备的运行信息，提取故障的特征，明确故障的类型和故障区域，及时将故障信息通知相关运维人员，从而为TRT 机组的安全高效运转提供有效保障。例如小波变换、经验模态分解以及固有时间尺度分解等技术都能够准确提取故障的信号特征。远程数据信息检测管理系统是由数据采集系统和现场机械设备发电建设数据采集系统构成，前者主要是利用信息化系统对相应的远程设备进行监控，经过计算机系统的运算处理后，通过物联网技术将指令输送至监控数据采集系统下的远程设备。后者则是利用信息化技术远程操控机械设备发电数据采集信息系统，使其自动对煤气发电运行各项设备进行数据采集和监控，并将采集到的数据信息自动录入数据资料库。实现对TRT 机组信息数据的自动化采集管理，提升了工作效率和效益。

3.2 科学保养机械设备预防故障

机械设备的日常维护工作非常重要，对于易磨损的设备和零部件需要做好润滑管理，并保持机械设备间通风温度适宜，实时检查设备散热、积尘的情况，避免因为散热不及时或者灰尘积聚严重而引发通风散热方面的问题，不利于机组设备的正常运行。同时为了预防机械设备因咬合问题所引起的振动，需要对设备内部的螺栓、齿轮等零件进行咬合校准，并做好垫片保养，尽可能地避免因零件错位而造成的机械设备振动。除日常维护工作外，机械设备的全面保养维修也是必不可少的，比如灰尘清理、磨损零件更换、零件保养、电路维护等［2］，这样才能够延长机组使用寿命，降低使用成本，提高机组运行效益。

3.3 不定时设备维护分析工作

同时TRT 机组设备管理部门应建立专门的巡逻检查机制，不定时检查各相关机组设备设施，尤其对于高负荷运行的零部件或者易磨损零部件，必须加强维护检查。通过各种高新技术、精密仪器详细检查机组零部件有无问题，全面排查各种设备故障隐患，确保TRT机组零故障零异常运行。

4 应用实例分析

4.1 TRT发电机组基本情况

TRT煤气透平机与发电机用刚性联轴器联接，3 000 r/min 转速，发电机转子为挠性转子，电机为箱式结构。TRT 发电机主要参数：电机型号QFR-22-2R；转子长度4 000 mm；二倍频f2=2 Hz，f=100 Hz；一阶临界转1 680 r/min；机组主轴频率50 Hz；额定功率22 MW。

4.2 检测及分析过程

4.2.1 结构简图及测点布置情况

TRT发电机组的结构，包括透平机、联轴器、发电机、轴瓦等几部分，结构简图和测点步骤，见图1。

图1 TRT发电机组结构简图及测点布置

4.2.2 机组诊断分析与处理

机组运行过程及振动检测分析。发电机组于2013 年5 月投入使用，在运行中发现振动值过大，并于2013年6月更换了3#轴瓦；2014年6月3#瓦特振动过大，发电机组经中心调整后再次运行；2014年11 月，3#轴瓦的振动非常剧烈，最大值超过130 μm。经过频段检查后，对发电机组做出停机处理。停机前发电机组的内置振动值如表1所示（转速为3 000 r/min）。

表1 自带检测振动值 μm

根据振动数据分析表1 以及相关检测图谱可知，发电机的轴向振动为21.66 mm/s，3#轴瓦的垂直振动为7.91 mm/s。轴向振动跃为最大径向的50%。经研究后得出：（1）当激振力不平衡时，发电机组将主要表现在两个层面上，分别会引起轴系的径向和轴向振动，频谱显示轴向振动大大超过了径向振动。在充分考虑转矩振动可能性的情况下，分析发现发电机轴系的平衡精度相对比较低。（2）3#轴瓦径向振动频带有二倍频成分，造成的原因可能是电动机转子的对中很差，必须进一步对3#轴瓦的安装精度以及轴瓦和轴枕的对准做出检查。（3）充分考虑3#轴瓦的剧烈振动，还需要对轴承座的基础安装刚度进行检查，以确保其符合相关的要求。

机组振动缺陷处理过程。先对轴瓦进行查验，轴瓦的侧空隙偏小，轴颈与瓦包角不足，出现轻度的擦瓦印痕；透平机轴与发电机轴中心成下张嘴，张口的角度超出正常值达到0.08 mm（正常值为0.03 mm以下）；另外3#轴承座二次灌浆层与一次灌浆层之间出现了脱节问题。碾磨3#轴瓦基础，触碰度达到80%之上，确保3#轴瓦枕力与其空隙调节在有效范围内；碾磨4#轴瓦电动机基座，使其中心下降0.72 mm，做好发透平机轴和电机轴的对中工作，调解发电机的电机定子与电机转子的间隙；由于在有效时间内处理二次灌浆层裂纹的难度系数大，所以只采取了紧固基础螺栓的措施。解决完后进行试车，发电机组在过临界值转速比1 680 r/min时振动频率尚在可接纳范畴内，升速到2 200 r/min进行暖机，暖机后持续升速到2 950 r/min 时，振动频率成直线升高，究其原因是由于3#轴瓦支撑刚度不够，同时还在现场检测出3#轴瓦基础振动值超出正常范围0.05 mm 以上，必须要紧急停机并及时解决问题。综合考量对基础进行处理可能会产生巨大影响，而且检修周期较长，遂采用现场动平衡来减少振动值，现场动平衡在测点3处加重696 g，在测点4处加重699 g，两配重相位相差180°。

4.3 试车情况

在完成检修试车到3 000 r/min 后机组并网带负荷，3#轴瓦振动值不断减小，在振动稳定后重新检测，参照ISO 3945 振动标准，机组振动状态评价为达标。振动幅值数据见表2。

表2 处理后检测振动幅值 μm

5 结 语

综上所述，TRT发电机组能够充分利用高炉炉顶煤气的热能和压力能，将其转化为电能，提高资源利用率，为冶金企业创造更多的经济效益。现阶段需要积极分析和研究TRT机组振动故障，明确故障的原因，做好对TRT 发电机组的维护检修，最大程度保证其高效运行，不断提升机组运行效益。