手机站 - 网站地图 - 广告服务
您的当前位置:主页 > 浆纸技术 > 综述 > 正文

【生产实践】汽轮机转子振动故障诊断

来源:浆纸技术 编辑:李志文 时间:2020-03-31
导读: 汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械。岳阳林纸股份有限公司3#汽轮机为冲动式汽轮机
 

李志文 先生

高级工程师;

工作方向为设备故障诊断,现负责公司设备状态监测及故障诊断工作。

 

1  背景情况介绍

    汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械。岳阳林纸股份有限公司3#汽轮机为冲动式汽轮机,其工作原理可用图1表示。

    在汽轮机中,蒸汽在喷嘴中发生膨胀,压力降低,速度增加,热能转变为动能。高速气流流经动叶片时,由于气流方向改变,产生了对叶片的冲动力,推动叶轮旋转作功,将蒸汽的动能变成轴旋转的机械能。

    实际中,汽轮机轴上通常安装有多级叶片。蒸汽作功后,会进入到下一级叶片,再次作功。当蒸汽全部作功完成后,会从汽轮机尾部抽走,并完成蒸汽的热能转变为汽轮机转子动能的过程。

3#汽轮机装机容量为2.5MW,是公司主要发电机台,在生产中占有重要地位,其铭牌数据如表1。

    3#汽轮机正常生产中,因生产安排,该机组临时停机两天。当再次开机时,机组在冲转阶段,振动明显增大。在过临界转速后,振动没有下降,反而继续加大。监控数据显示瓦振达到100μm,严重超标。出于安全考虑,机组随即低速运行。在连续盘车14h后,机组再次冲转,振动依然超标。此时确认机组故障,无法正常并网,对全厂的生产安排造成影响。

 

2  故障诊断

    汽轮机属于重、大、精设备,在生产中占有重要地位。该机组停机前,运行数据正常。短暂停机后,再次开机即出现故障。由于故障毫无征兆,且停机期间也未对汽轮机做任何检修,因此车间人员暂无法短时间内对汽轮机故障做出判断。

    在此情况下,在车间生产人员配合下,对汽轮机故障进行了综合诊断。

2.1现场查看

    汽轮机现场无泄漏、松动等异常现象,主控室查看汽机历史运行数据无明显异常。机组的主要问题表现为冲转时振动大,并随转速上升而显著增大。

2.2数据采集

    针对汽轮机表现出来的故障,在生产人员的配合下分别在汽轮机转速900r/min和1200r/min时,对汽轮机振动数据进行了采集。采集的部位为:1#瓦、3#瓦、4#瓦(备注:2#瓦因现场原因,采集困难,且存在较大的安全风险,故未采集),各测点振动数据如表2。

    3#汽轮机额定转速为3000r/min,其临界转速为1600r/min,考虑到安全原因,数据采集只在较低转速下进行,因此最高只到1200r/min(备注:较低的转速可能会造成故障信号不明显,不利于对故障的诊断,但从后续的数据分析来看,并未对故障的诊断结果造成明显影响)。

    从表2数据初步判断,1#瓦、3#瓦振动偏大,且随转速变化明显。当转速只提升300r/min时,其振幅上升均超过100%,为确定故障原因,对数据进行了进一步分析。

2.3数据分析

    数据分析主要是通过频谱图,对设备振动进行分析,诊断设备故障的具体原因。

    频谱图反映的是设备振动各振动分量的组成,通过对频谱图的分析,可以找出造成设备振动的主要原因,从而确定设备故障的来源。因此,频谱图在设备故障诊断中占有非常重要的地位。

    通过对比分析各测点数据,3#瓦表现出较明显的故障信号,其频谱图见图2、图3。

对比分析3#瓦在不同转速下的频谱图,主要有以下两个明显的特征:

(1)转频(f)的谐波信号非常明显

    汽轮机使用的是滑动轴承,其稳定性非常好。汽轮机正常运行时,不会出现如此丰富的谐波信号。从故障诊断的经验来判断,谐波信号的产生有可能是油膜振荡、转子碰磨等原因。但油膜振荡本质来说是共振,会产生剧烈的振动,而且在低转速下也不可能发生油漠振荡。结合3#汽轮机实际运行情况,重点怀疑转子存在碰磨问题。

(2)转频(f)振幅变化明显

    汽轮机转速从900r/min升到1200r/min时,转频振幅从0.2mm/s急剧升到了1.1mm/s,升高了近5倍,但转速只上升了33%,说明汽轮机转频振动随转速变化明显。其它测点振动数据也表现出这一特征。此时诊断,汽轮机转子应该出现了较明显的动不平衡问题。汽轮机转子动不平衡原因主要有:叶片掉落、叶片损坏、转子弯曲等。由于3#汽轮机之前一直运行平稳,且只短暂停机两天,所以叶片出现问题的可能性不大。重点怀疑转子出现了弯曲现象。

2.4诊断结论

    通过对数据的综合分析,汽轮机应该同时存在转子弯曲,以及转子碰磨两种故障。

    转子弯曲:转子弯曲是指汽轮机在启停过程中,因上下缸温差过大,使转子受热不均造成弯曲。根据弯曲的严重程度,转子弯曲可分为临时性弯曲和永久性弯曲。

    临时性弯曲是指转子的弯曲程度不大,还没有超过转子弹性形变的范围,此时通过长时间连续盘车使转子均匀受热后可消除变形,让转子恢复正常。

永久性弯曲是指转子的弯曲程度过大,超过转子弹性形变的范围,造成永久性变形。永久性弯曲无法通过现场盘车的方式进行消除。

    转子发生弯曲后,会造成动不平衡问题,使转子的振动加大,其中一个显著的特征就是振动随转速变化明显。通过对数据的分析,虽然确定汽轮机转子存在弯曲的故障,但无法进一步确认转子是临时性弯曲,还是永久性弯曲,有待对转子做进一步检测。

    转子碰磨:是指转子在运转时,与静止部件发生碰撞摩擦,造成机组故障,振动加大。转子碰磨通常发生在轴与轴封片、叶片与汽封片之间。

汽轮机在设计时,为提高效率,轴(汽)封的间隙通常都很小。当转子发生窜动或弯曲时,则很可能与轴(汽)封发生碰磨。

    综合分析,最后诊断结论为:3#汽轮机因转子弯曲,导致转子发生碰磨现象,使机组无法正常投入生产,需开盖检修。

 

3  检修结果

    当3#汽轮机组出现故障,无法正常并网时,由于事发突然,对故障无从判断,初步制定的检修方案是返厂检修,对故障进行全面的排查。但该方案时间周期长,成本高,对生产影响大。

    在对机组故障进行科学的分析与诊断后,车间根据诊断结论,决定现场开盖检修,以节省检修时间。

    汽轮机开盖检查发现,第五、第六级叶片间轴封磨损严重,有明显的金属颗粒卡在轴封处,具体见图4。 

    同时,对转子的相关数据进行了严格校核,其数据均在正常范围内,说明转子当时只是发生了临时性弯曲,在事后的盘车过程中消除了转子的变形。

检修结果与诊断结论基本相符。在对故障进行相应处理后,再次开机,机组运行正常,成功并网。

 

4  原因分析

    由于汽轮机在停机前运行正常,事后分析,汽轮机故障应该发生在停机阶段。应该是停机过程中,上下缸温差大,使转子发生弯曲,转子变形后与轴封发生碰磨,使轴封损坏。当再次开机时,因碰磨故障导致机组振动超标,无法并网。

    事后,通过查看相关记录以及人员询问,机组停机过程均按标准操作规程进行操作,并无违规操作行为。但生产人员反应,在盘车过程中,现场检查发现盘车装置曾中途自行退出,由于该机组的盘车装置为手动操作,在机组中也无监控数据,所以具体是什么时候退出的,退出有多长时间无从得知。但很有可能就是在盘车退出的这段时间内,由于转子停转,导致上下缸温差过大,使转子发生了变形。同时,检查盘车装置,发现传动装置蜗轮蜗杆磨损严重,这有可能是盘车装置中途退出的原因。

5  谐波故障机理分析

    对于此次汽轮机碰磨故障的分析,其突破口在于对谐波信号的分析。谐波是指频率等于基波整数倍的高次分量,如基波频率为10Hz,则频率为20Hz、30Hz、40Hz等的分量则为该基波的谐波,根据其与基波的倍数关系,称为二次谐波、三次谐波等。

    在振动信号分析中,谐波的产生通常是设备产生了非线性振动。一个机械振动系统包含有三大要素:质量(m)、刚度(k)和阻尼(c)。当物体在振动过程中,如果三大要素中的一个或多个随时间发生改变,则物体必然会产生非线性振动,在信号处理过程中则会产生谐波。

    对于此案例中汽轮机转子的碰磨故障,当转子与轴封发生碰磨的瞬间,其刚度会发生变化,那么在对振动信号进行处理后,其频谱图中必然会产生基于汽轮机转速的谐波。

    因此,从原理上来分析,谐波产生的根本原因是因为非线性振动。如果汽轮机在运行过程中因内部或外部因素的影响,产生了非线性振动,则都会在频谱图中出现谐波。也就是说:转子的碰磨会产生谐波,但谐波的产生不一定是转子的碰磨。因此,对于汽轮机而言,谐波的故障信号还有可能是油膜振荡、地脚螺栓松动等问题。

    在此案例中,通过对数据的分析,以及汽轮机实际的运行情况,基本排除了油膜振荡、地脚螺栓松动等问题,重点怀疑转子产生了碰磨,并最后通过检修得到了验证。

在实际诊断过程中,对于谐波故障信号应结合故障的机理、现场实际的情况来综合分析,只有这样才能尽可能准确地判断故障原因。

 

6  结语

    此次对于汽轮机故障的准确诊断,很好地指导了车间制定相应的维修方案,将设备故障对生产的影响降至了最低,同时也为公司自行诊断大型设备的故障积累了经验。


关于我们 |广告服务|特色服务|企业建站|其他服务|法律声明|版权隐私|付款方式|联系我们
Copyright © 2002-2022 中华纸业杂志社 版权所有 鲁ICP备10014844号-1
地址:济南市历城区工业南路101号│ 新媒体部:0531-88192261 │ 采编部:0531-88935343 │ 市场部:0531-88522949 │
中华纸业传媒微信公众号
可信网站