M701F4 燃气轮机轴承振动异常分析及处理

陈延柏

（江苏国信淮安第二燃气发电有限责任公司，淮安 223000）

某公司燃气轮机机组配置为“一拖一”分轴形式，每台燃气轮机配1 台发电机组。燃气轮机采用东方汽轮机有限公司引进的由日本三菱公司生产的燃气轮机，型号为M701F4。

M701F4 燃气轮机主要由带有进口可调导叶（Inlet Guide Vane，IGV）的17 级高效率轴流式压气机、20 只绕轴流压气机环形布置的分管燃烧器的燃烧室以及4 级反动式叶片的透平段组成。压气机压比为17，燃气轮机排气温度为586 ℃。

燃气轮机配置汽轮机监测仪表（Turbine Supervisory Instrumentation，TSI）系统，采用Bently Nevada 公司开发的3500 系列保护系统。一般而言，TSI 系统的监视参数包括多项内容，如机组转速、触发自动盘车的机组零转速、机组的轴系振动等。

TSI 系统作为现代化电厂旋转机械保护的重要监测工具，通过连续监测燃气轮机本体运行的重要参数、轴承振动等，实时为运行人员提供机组信息，指导其操作，并在机组发生严重故障时输出停机信号，迅速遮断燃气轮机，避免造成更大的事故。

1 轴振动测量的作用

对于工业使用旋转机械来说，振动值是一种判断、了解设备机械运转情况的指标。测量振动值可以实时监测轴承的工作状态，预警设备故障。振动数据测量包括径向振动数据测量、轴向振动数据测量等。设备的振动值一旦超过标准，则说明旋转机械内部出现故障。径向振动振幅变化是衡量转子是否发生偏移一个最重要的指标。转动机械发生的很多故障，如转子叶片断裂、转子表面结垢后不平衡、转子串轴、支撑轴承磨损、转子大轴裂纹、动静叶碰磨等，都可以通过测量振动的幅值、频率来探测。

转子是旋转机械的主要零部件，转子的运转状态决定着旋转机械是否能够正常工作。转子的运动建立在静子部件之上，它通过滚珠轴承或可倾瓦轴承等支撑在具有混凝土支撑的轴承座上，构成了转动机械转子支撑系统。一般情况下，滚珠轴承间隙较小，油膜轴承间隙较大，间隙为0.01～0.02 mm，这导致转子轴的相对振动与轴承座的振动有明显差别。特别是当设计的支撑系统（轴承座、轴承箱、支撑基础等）的刚度有异常，会直接影响轴振动数值的准确性。

目前，三菱M701F4 燃气轮机不再向用户提供轴承座振动检测，只提供轴承振动检测。因此，燃气轮机运行状况只能通过轴承振动数据来分析与判断。电厂技术人员通过TSI 系统测量得到转子振动数据，从数据中判断设备是否存在故障，这比从轴承座振动中得到信息更为直接和有效[1-2]。

转子轴振动的测量对电厂技术人员诊断燃气轮机故障非常必要。根据振动学原理建立坐标系，并把x、y方向的振动数据进行拟合，可得到轴心运动轨迹数据图。

2023 年8 月4 日，#1 燃气轮机在调峰启动过程中，出现3 次轴振突增现象，3 个峰值均不在机组临界转速附近，且都超过报警值。转速在1 638 r·min-1和1 733 r·min-1的峰值附近有振动为零的异常情况，其他测点振动数据正常。#1 燃气轮机启动过程振动数据见图1。图1 中1x～5x 代表1～5 号轴承在x方向的振动，1y～5y 代表1～5 号轴承在y方向的振动。

在测量三菱M701F4 燃气轮机的轴振时，把涡流传感器探头装在轴承壳上，使探头与轴承壳支撑座合为一体，探头所测数据为转子轴相对于轴承壳的径向振动振幅。由于旋转轴在垂直、水平方向的振动没有必然的内在联系，可能垂直方向（y方向）的振动幅值很大，但水平方向（x方向）的振动幅值是正常的。因此，应在燃气轮机的垂直、水平方向各装一个45°探头，保证2 个探头相互垂直即可，如图2 所示。当转子运转时，涡流传感器端部与转轴表面的间隙出现变化，传感器输出的交流信号随之变化，测量系统可根据信号变化计算出间隙变化值，即为振动值。

图2 轴振测量示意图

2 TSI 系统

TSI 系统主要由电涡流振动传感器（探头）、延长电缆、前置器、电源电缆、信号电缆、输入/输出（Input/Output，I/O）卡件以及3500 框架等组成，如图3 所示。

图3 TSI 系统

传感器是一种将机械振动量、位移、转速转换为电信号的机电转换装置。电涡流传感器的工作原理是给传感器端部线圈施加高频交变电流，当被测旋转机械转子间隙发生变化时，振荡器频率随之变化，从而间接得出物体的振动相对位移量。电涡流传感器与被测物之间没有直接的机械接触，具有很宽的使用频率范围（0～10 Hz）。利用电涡流传感器性能和测试对象的要求，对燃气轮机轴振动进行测量。

3 M701F4 燃气轮机轴承配置

M701F4 燃气轮机配置2 个可倾瓦式径向支持轴承来支承转子，分别位于进气端和排气端。排气端轴承为1 号轴承，进气端轴承为2 号轴承。由于1 号轴承位于燃气轮机本体潜水艇仓内（见图4），运行时燃气轮机排气温度接近586 ℃，为防止传感器、探头延长导线因高温而损坏，在延长线镀锌防护套管内注入仪用压缩空气作为冷却气源。

图4 M701F4 燃气轮机1 号轴承

燃气发电机组轴系由燃气轮机转子、发电机转子以及励磁电机组成，整个轴系由5 个轴承支承。燃气发电机组作为大型旋转机械，其转速由0 r·min-1上升至3 000 r·min-1，需要通过几个临界转速。临界转速是指数值等于轴系转子固有频率时的转速。转子如果在临界转速下运行，会出现剧烈振动，长时间运行还会造成飞车事故。M701F4 燃气轮机机组轴系临界转速：燃气轮机第一阶为900 r·min-1、第二阶为1 040 r·min-1、第三阶为2 420 r·min-1、第四阶为2 490/3 930 r·min-1。燃气轮发电机第一阶为950 r·min-1、第二阶为2 520 r·min-1。

该机组轴系5 个轴承当单点振动幅值大于125 μm时报警，同一轴承x向、y向振动幅值同时大于200 μm时跳机。

4 振动异常原因分析

2023 年8 月4 日，在启动过程中，整个机组轴系5个轴承金属温度未见异常变化，轴承润滑油温未见异常变化，随着负载增加轴承温度变化平缓，状态良好。

调取历史数据发现，在机组其他启动过程中，转速为1 400～1 800 r·min-1时，M701F4 燃气轮机轴承的轴振有不同程度的波动，最大波动值为73 μm，最小波动值为17 μm，且在转速1 638 r·min-1和1 733 r·min-1处均无明显峰值。相应的，在启动过程中，转速为1 400～1 800 r·min-1时，轴承金属温度也未发现异常。

出现波动的转速区间并未接近轴系临界转速。在启动过程中，1x 轴振虽然在2 195 r·min-1附近存在振动高点，但其频带较宽，未超过报警值。

调取历史数据发现，在#1 燃机停机状态下，1x轴振测点有偶发性振动突增和波动现象，最大值达142 μm。而且在2023 年8 月4 日停机过程中，转速为189 r·min-1时，1x 轴振有明显峰值，为64 μm。在其他停机过程的这2 个转速附近，1x 轴振均平滑变化，无明显峰值。偶发性振动见图5。

图5 偶发性振动数据

#1 燃气轮机1x 振动测量数据在启动、停机过程中均出现波动，且具有不确定因素，但在其他时间内振动正常。综合以上因素，可以判断#1 燃气轮机本体轴承、转子、动静叶无异常，不存在碰摩现象。1x 轴振异常现象的原因可能有以下2 点：一是轴振信号受电气因素扰动；二是轴振涡流传感器受电磁因素干扰。

5 检查结果

2023 年8 月12 日，利用#1 机组调停机会，对#1 燃气轮机进行高盘冷却，潜水艇仓内满足检查温度要求后，进入#1 燃气轮机潜水艇仓，对1x 轴承振动探头、前置器、延长电缆进行排查。

检查电缆屏蔽层接地完好，测量电压正常，为排除故障将1x、1y 振动测点进行调换，也未发现异常。为彻底排除故障，将1x 振动测量延长线电缆从防护套管中抽出，并进行检查。最终检查发现测量探头线缆和延长线电缆对接接头处未做防护处理（见图6），不符合TSI 厂家的接线绝缘防护要求。根据现场情况，判断在压缩空气冷却过程中，本应悬空处理的接头受到气流扰动后与外部镀锌防护套管接触，导致接地，进而使振动数据出现异常[3]。

图6 接头未防护

6 预防措施

轴承振动保护作为燃气轮机机组的重要保护之一，测量信号回路电缆未按规范要求安装和接地、电缆绝缘破损、接线端子松动、探头间隙磨损、接头防护不到位等，都会造成机组振动测量信号异常，给机组的安全运行带来影响。因此，现场技术人员对TSI系统维护到位尤为重要[4-5]。

为杜绝延长线接头与套管的接触，把探头电缆和延长线之间的接头锁紧后，缠上密封用的生料带，外部用热缩套管缩紧。

7 结语

M701F4 燃气轮机轴承振动异常问题，不仅会影响设备的应用效果，而且会影响公司的综合效益。相关人员应及时剖析振动异常的原因，并采取科学方法预防此问题，以确保机组安全、稳定运行。TSI3500系统延长线对绝缘和接地要求非常高，因此对本系统进行定期检查和维护至关重要，只有这样才能从根源上提高机组保护的综合效率。