高炉透平机振动异常故障判断及处理

伍海明

摘 要：广西柳钢中金不锈钢有限公司炼铁厂2号高炉配1套高炉TRT发电机组，主要利用高炉煤气所具有的压力能和热能，通过透平膨胀做功，带动发电机发电，进行能量回收利用的一种节能装置，很大程度解决了冶金行业的用电自给问题。一旦透平机机组不能正常运行，将导致高炉煤气余压无法实现动能转化，公司将每天损失5万元电费。以广西柳钢中金不锈钢有限公司炼铁厂2号高炉TRT透平机故障为例，着重介绍燃气涡轮机故障诊断、故障排查及原因分析、振动频谱分析等，分析透平机振动异常原因，采取相应措施取得了良好效果，为同类问题的处理提供了分析思路。

关键词：透平膨胀机；振动；故障；分析思路

DIAGNOSIS AND HANDLING OF ABNORMAL VIBRATION FAULTS IN BLAST FURNACE TURBINES

Wu Haiming

（Iron Making Plant of Guangxi Liugang Zhongjin Stainless Steel Co.， Ltd.    Yulin    537624， China）

Abstract：Guangxi Liugang Zhongjin Stainless Steel Co.， Ltd.'s Blast Furnace No. 2 Ironmaking Plant is equipped with a set of TRT generators for the furnace， which mainly uses the pressure and heat energy of the blast furnace gas to generate electricity through turbine expansion and drive the generator to achieve energy recovery. This is an energy-saving device that largely solves the problem of power self-sufficiency in the metallurgical industry. Once the turbine unit fails to operate properly， the excess pressure of the blast furnace gas cannot be converted into kinetic energy， and the company will lose 50 000 yuan in electricity bills every day. This article focuses on the diagnosis of gas turbine faults， troubleshooting and root cause analysis， vibration spectrum analysis， and other related topics. Using the example of the TRT turbine failure in the No. 2 blast furnace of Guangxi Liugang Zhongjin Stainless Steel Co.， Ltd.'s ironmaking plant， the article analyzes the cause of abnormal turbine vibration and takes appropriate measures to achieve good results， providing analysis ideas for similar problems.

Key words： turbine;vibration;fault;analysis ideas

0    引    言

现阶段，信息化技术在冶金行业应用越来越广，设备信息化监测也越来越成熟。对透平膨胀机组进行在线监测，可以提前预知设备的工作状态以及故障的发展趋势，对保证企业的安全生产有重大意义。振动诊断是有效判别机械设备不平衡、不对中、基础松动、湍流、喘振、转子偏心、轴承故障、联轴器异常等故障的设备诊断工作中最常用的手段之一。相比其他非破坏性分析检测讯号（如电压、电流、温度、压力等），振动讯号是一种能提供丰富信息的讯号。对于一套完整的预知维护系统而言，要覆盖所有的信号分析检测技术，而震动分析检测技术就是预知维护系统的根本所在。

广西柳钢中金不锈钢有限公司炼铁厂2号高炉透平膨胀机，型号规格为MPG90，透平膨胀机径向振动值多次瞬间升高后达到设定值150 um，造成跳机，严重影响生产经营成本。

1    燃气涡轮机故障诊断（频谱里蕴含机器故障信息）

1.1    转子不平衡（叶片磨损或结垢、轴弯曲）

使用位移信号来进行普通的频谱分析，如果能够看到很高的1X波峰，那么就是出现转子不平衡。

由于叶片破裂、翘曲或点蚀等引起结构改变，通常会在叶片通过频率（涡轮叶片数X轴转速）处出现一个很强的波峰，会导致频谱上叶片通过频率处的振幅显著升高。

转子磨损不一致，或者转子发生部分损坏，如叶片损坏等，则叶片通过频率将被轴的转速所调制，并在频谱中形成边频带。

1.2    联轴器不对中

转子轴线角度不对中使得两轴弯曲受力，导致两端轴承的轴向上产生很强的1X振动和较弱2X振动，并且通常还会出现较强的3X波峰。可以看出1X、2X和3X波峰的重要性，因此准确测定出机器的运转速度非常重要。

转子不同轴导致两端轴承的径向（垂直和水平方向）上都会产生很强的2X和1X振动，大多数情况下2X的振幅要高于1X振幅。但与不平衡不同，二者的振幅不一定会相等。实际上，其中一个的幅值可能是另一个的两倍以上。

1.3    松动造成振动

1.3.1    旋转松动

滑动轴承间隙过大时会产生如下所示的0.5谐波。这通常被称为半阶分量或次谐波。摩擦和严重的冲击都会产生这样的谐波。甚至有时还可能会产生1/3阶的谐波。

1.3.2    结构松动

如果水平方向上的1X基频振动远大于垂直方向上的1X振动，那么就可以怀疑是松动引起的故障。如果水平方向上的1X振动小于或近似等于垂直方向上的1X振动，那么就很有可能是不平衡故障[1]。

1.3.3    轴承座松动

频谱中有1 X、2 X和3 X的振动分量（但通常没有更多的谐波），当故障严重时，频谱中甚至还会出现0.5 X的波峰[2]。

2    故障排查和原因分析

2.1    故障经过与数据分析

煤气透平机5月8日振动开始波动，透平进气侧VT2011X停机前从86 μm突然跳升到95 μm并达到新平衡，表现为小幅度突变。23点35分再次爬升到 130 μm并达到新平衡，表现为大幅度突变。23点45分爬升到 150 μm联锁值，造成跳机。

此过程中，高炉透平膨胀机频谱监测主要以1X倍频为主导，轴承两端相位相差179.3 °，两支承处同方向振动相位差接近。结合燃气涡轮机频谱分析可判定为主轴动不平衡。

透平机主轴动不平衡原因分析与措施见表4。

2.3    推理判断

结合高炉透平膨胀机频谱分析与时域波形图可以判定，透平机主轴动不平衡且存在主轴矢量突然变化，造成时透平两侧振动值（VT2011X、VT2011Y、VT2012X、VT2011Y）同步突变增加，判断为叶片上炉灰突然部分脱落透平机主轴动不平衡。

2.4    结垢对比

透平机开箱后发现透平机装置主轴叶轮 、二级动叶片以及进、出口管道等部位形成厚度不一层状结垢现象 （如图13a） 。

经维修人员对主轴叶轮、动叶片、静叶片结垢进行高压水清除后（如图13b），检查主轴叶片未发现叶片有刮痕和磨损现象。

2.5    反向论证

若透平机动叶片均匀结垢后在某时段单一或多块结垢脱落→透平机主轴旋转矢量分布不均→透平机主轴动不平衡（频谱特征：1X占主导）→透平机主轴时域波形突变后形成新的振动值并保持稳定（结垢二次脱落时，透平机主轴时域波形突变导致透平机振动值超150 μm联锁值造成跳机），因此二级动叶片结垢是本次透平机故障主要原因。

2.6    联轴器对中数据

为进一步消除其它条件因素影响，我们对透平机联轴器进行重新对中，数据如图14所示。

通过维护保养后，透平机恢复正常使用，因此提醒我们要紧抓煤气结垢主要原因，从高炉原料上解决透平机结垢根源问题。

3    结    论

通过频谱分析掌握设备运行状态，判断故障部位和原因，并对设备运行状态进行预测，能够在设备运行过程中或基本不拆卸的情况下进行分析，识别有无故障，明确故障严重程度并作出故障趋势分析，这将为同类设备检修打好基础，有效避免设备故障扩大化，确保公司生产运营稳定。

参考文献

[1]    黄志坚.机械设备振动故障监测与诊断[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2]    何杉. 旋转机械频谱智能分析系统的研究与实现[D]. 大连： 大连理工大学， 2009.