某燃氣輪機振動故障分析

某燃氣輪機振動故障分析

大型機車啟動、調整和方便。它是中國的重要調峰機組之一，在確保電網安全，減少co和so2排放方面發(fā)揮著重要作用。然而目前大型燃氣輪機在實際運行中頻頻出現油膜振蕩故障,影響了燃氣發(fā)電機組的安全運行。通過分析某燃氣機組的油膜振蕩故障,診斷出故障原因為燃氣輪機高溫氣體泄漏,并且已有多起相同原因引起的振動故障,應引起重視。1機組主要參數及振動點布置該機組的燃氣輪機、汽輪機和發(fā)電機分別選用美國GE公司生產的PG9315FA型、D10型有再熱系統的三壓雙缸雙流式汽輪機和390H型氫冷發(fā)電機。燃氣輪機、蒸汽輪機和發(fā)電機轉子剛性串聯在一根長軸上(見圖1),額定轉速為3000r/min。機組主軸分為4段:燃氣輪機壓氣機轉子、高中壓轉子、低壓轉子、發(fā)電機轉子,均為整鍛實心轉子,每段轉子由2個徑向軸瓦支撐。圖1中1,3,4,5為可傾瓦軸承;2,6,7,8為橢圓瓦軸承。機組振動測點布置如下:1~8號軸承均裝有2個電渦流傳感器。2個渦流傳感器相互垂直安裝,自燃氣輪機向發(fā)電機方向看,左45°為X方向,右45°為Y方向。機組配備1套systemone汽輪機診斷監(jiān)視系統,實時監(jiān)控和記錄機組的振動數據。2振動的發(fā)生及特征某日12:51,機組帶基本負荷345MW運行時,3X和3Y(即3號軸承X和Y方向,以下以此類推)軸振動突然從0.03mm和0.04mm上升到0.09mm和0.14mm,當時主汽壓9.52MPa,主汽溫563℃,潤滑油溫43℃無波動,1號瓦溫110℃,3號瓦溫82℃,燃氣輪機排氣分散度無異常,就地檢查無異常。減負荷到330MW,振動無明顯下降趨勢。14:41,3Y軸振達到0.15mm報警,減負荷至300MW。16:00,3Y軸振在0.13~0.14mm波動。16:12,負荷300MW,3X和3Y軸振突然從0.10mm和0.13mm下降到0.03mm,當時主汽壓8.81MPa,主汽溫565℃,潤滑油溫45℃無波動,1號瓦溫110℃,3號瓦溫83℃。查閱歷史數據,發(fā)現機組自啟動以來十多天內,已多次發(fā)生突發(fā)性振動變化,且振動幅值一次比一次大,而這次異常振動的振幅變化值最大,機組不得不降負荷運行。從運行記錄看,振動異常時,提高潤滑油溫和降低負荷對消除振動有一定的效果。如圖2—4所示,以3號軸承振動情況為例,分析此次機組的故障現象及原因。由歷次振動突變情況可知,3X和3Y振動為突然上升,振動上升時,工頻分量基本不變,其相位也沒有變化,可排除碰摩和轉動部件脫落的可能性。查閱3X和3Y的頻譜圖,發(fā)現在振動突然上升的時候出現了低頻分量,3Y振動頻率以21.8Hz為主,其幅值為0.113mm,遠遠超過工頻分量,如圖3、圖4所示。3X和3Y這段時間的頻譜分析顯示出以21.8Hz為主的低頻分量。當振動突然下降時,低頻振動消失,振動恢復到以工頻為主。振動特征分析如下:(1)3X和3Y軸振具突發(fā)性,如圖2所示,振動呈階躍變化。1min之內,3X和3Y軸振動突然從0.03mm和0.04mm上升到0.09mm和0.14mm。(2)突變前后工頻振動幅值基本無變化,而低頻分量變化較大,以21.8Hz為主的低頻分量占主導地位。(3)振動不穩(wěn)定。低頻振動突然出現時,通頻振動在一定幅值下波動爬升,而且低頻振動又會突然消失及再次出現,波動過程并無明顯的規(guī)律可循。(4)與運行參數的關系。多次突變振動的出現和消失,均在負荷穩(wěn)定運行時,負荷下降時,偶爾也會使突變振動消失,但不是每次降低負荷均有效果,突變振動與負荷關系并不明顯,不是決定性因素。突變振動對潤滑油溫較為敏感,提高潤滑油溫能使振動減少或消失。3油膜搖晃故障原因分析3號軸振的振動特征和低頻分量的出現,充分說明了該機的高中壓轉子已經發(fā)生了油膜振蕩,低頻渦動的頻率為0.44倍工頻。3.1熱下軸承的穩(wěn)定性和熱風險(1)擾動力過大。動靜碰摩引起的轉子熱不平衡,或工質溫度與轉子溫度不匹配造成轉子溫度分布不均勻發(fā)生熱不平衡,使軸頸在軸承內擾動過大,易發(fā)生油膜失穩(wěn)故障。(2)軸承型式影響。不同型式軸承的穩(wěn)定性差別較大,可傾瓦軸承是目前現場使用的穩(wěn)定性最高的軸承。(3)軸承負載。在運行過程中,由于機組的熱變形,轉子在油膜中浮起,加上真空度、地基不均勻下沉等因素的影響,軸系對中情況將發(fā)生變化,即各軸承的標高產生起伏。因此,熱態(tài)下機組軸承負荷將重新分配,有可能使個別軸承過載,出現溫升過高和燒瓦;個別軸承的負荷偏低,產生油膜振蕩或其它異常振動。(4)軸承進油溫度和潤滑油粘度。隨著潤滑油粘度的增加,轉子油膜失穩(wěn)的工作轉速點下移,從而降低了整個轉子系統的穩(wěn)定性,油溫變化則改變了油的粘度,軸承的工作點、油膜剛度和阻尼系數都將發(fā)生變化,一般情況下,油溫高,最小油膜厚度小,偏心率大,穩(wěn)定性增加,軸承不易產生油膜振蕩。(5)軸瓦間隙。過大的軸承頂隙使軸頸上部的油膜力下降,即降低了軸承的載荷,使得軸承偏心率降低,軸承穩(wěn)定性下降。3.2故障機組及分析結合上述影響因素,分析機組產生油膜振蕩故障的原因如下:(1)不平衡力的因素。高中壓轉子軸系振動的工頻分量很小,啟動過程中未發(fā)生半速渦動現象,機組在故障發(fā)生前沒有出現致使轉軸彎曲的故障特征,由此可以排除因為軸頸不平衡過大而導致油膜振蕩的可能。(2)軸瓦的穩(wěn)定性是由軸承設計、軸承負載和軸承潤滑油溫度及粘度決定的。燃氣輪機已經使用比壓較大的軸承,且機組此前近2年的運行中沒有發(fā)生過油膜失穩(wěn)故障,該機組的油膜振蕩現象遠比文獻中的機組要輕微,所以可以認為在設計方面軸瓦穩(wěn)定性沒有問題,也就是說不會因為軸瓦結構上的原因引起油膜振蕩。查閱安裝檢修記錄,軸承座間隙、軸承座標高、軸瓦緊力、聯軸器安裝均在合格范圍之內。(3)軸承冷態(tài)負載變化。從現場了解到,燃氣輪機此前不久曾有一次小修,對燃機-汽機轉子中心進行過重新調整,小修前,機組未曾出現過軸系失穩(wěn),基本負荷工況下3號瓦溫91℃,1號瓦溫110℃。修后,基本負荷工況下3號瓦溫87℃(未發(fā)生油膜失穩(wěn)時),比修前低4℃。說明這次對轉子中心的調整使3號軸承負載有所降低,轉子系統的穩(wěn)定裕度已經有所下降。(4)軸承熱態(tài)負載變化。油膜振蕩消失之后會再出現,且發(fā)生油膜振蕩時,3號瓦溫僅82℃,離正常運行時的87℃仍有偏差,說明軸承的負載在進一步減輕,高中壓轉子還在進一步上浮,認為存在其他故障源降低了3號軸承的負載,導致軸系失穩(wěn)。(5)燃氣輪機存在高溫氣體泄漏。從振動數據的分析來看,2個軸承的振動振幅總是3號軸承較高,所以認為故障源應該在3號軸承側,極有可能與燃氣輪機部分有關。與其他運行機組參數對比,發(fā)現發(fā)生油膜振蕩故障的機組中,1號軸承所在燃氣透平間的溫度偏高,最高達到170℃,而其他正常運行機組,燃氣透平間溫度一般不超過120℃,2號機組燃氣透平間偏高,說明燃機部件存在高溫氣體泄漏。從燃氣輪機的結構圖可以看到在燃機缸體1號瓦和2號瓦側各有1個用來支撐缸體的錨固支架,其受熱膨脹會影響旁邊軸承的高度。而由于散熱方面存在缺陷,錨固支架會出現受熱不均的現象。尤其是1號瓦側支架靠近燃氣渦輪,溫度較高,且冷卻效果較差,膨脹量更大,致使1號瓦相對抬高。由于1號瓦和3號瓦相鄰,1號瓦抬高導致了3號瓦也相應抬高,使3號瓦的負載相對減小,影響了軸瓦的穩(wěn)定性,產生了油膜振蕩。正常情況下,支撐燃氣輪機缸體的支架引起的3號瓦熱態(tài)標高變化,并不會引起油膜振蕩故障。但是,該燃氣輪機在1號瓦側還存在漏氣,機艙里燃燒筒聯煙管的高溫部件有泄漏,高溫部件的漏氣使得錨固支架的受熱膨脹量更大,致使1號瓦標高進一步抬高,造成3號瓦的負載進一步減輕,從而出現了油膜振蕩故障。綜上所述,小修時中心調整使軸承負載偏輕,是發(fā)生油膜振蕩的一大誘因,而燃氣輪機高溫氣體的泄漏則進一步降低了3號軸承的負載,從而導致3號瓦、4號瓦軸承的油膜振蕩故障。4燃機-汽機轉子中心失穩(wěn),影響系統穩(wěn)定發(fā)展在保障機組正常安全運行的前提條件下,采取以下解決措施:(1)提高潤滑油溫。根據文獻的經驗,潤滑油溫可以提高到49℃長期運行。運行中應注意各參數的穩(wěn)定性,特別注意3號瓦溫的情況,要求3號瓦溫不能低于85℃,如出現3號、4號瓦振動突升,應馬上提高潤滑油溫。(2)加強燃氣透平間的溫度監(jiān)視,采取措施保證燃氣透平間的溫度小于120℃,如有停機機會,應查找燃機機艙內的泄漏點,并進行處理。(3)重新調整燃機-汽機轉子中心,提高3號軸承標高和轉子軸承系統的穩(wěn)定裕度。采取上述措