汽轮机和空气压缩机联动试车振动异常原因分析和处理

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摘 要：汽轮机和空气压缩机联动试车振动过大会导致无法正常开车。由此，本文进行了两次联动试车，探讨汽轮机和空气压缩机联动试车振动异常的原因，最后提出改进处理方案，分析运行效果，并总结经验，以期为其他学者的研究提供借鉴。

关键词：汽轮机;空气压缩机;联轴器;振动

中图分类号：TK268.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）25-0073-03

Analysis and Treatment of Abnormal Vibration in Combined

Test Run of Steam Turbine Air Compressor

ZHANG Cheng XU Guanglei

（Kaifeng Air Separation Group Co.， Ltd.，Kaifeng Henan 475000）

Abstract： The vibration of turbine and air compressor linkage test run is too large， which leads to failure of normal start-up. Therefore， this paper had carried out two times of linkage test run to explore the causes of vibration abnormality in the linkage test run of steam turbine and air compressor. Finally， it put forward the improvement scheme， analyzed the operation effect， and summarized the experience， in order to provide reference for other scholars" research.

Keywords： steam turbine;air compressor;coupling;abnormal vibration

在煤化工型空分设备中，汽轮机作为压缩机的驱动装置得到了广泛应用。离心压缩机的用途广泛，是制氧、石油化工等企业的关键性设备。整个机组在运行过程中的轴承振动值是评估机组运行参数是否正常的一大因素，对于振动异常或者频繁波动，若不及时处理，很可能会对轴承轴瓦造成严重损伤，威胁整个机组的运行状况，导致机组不能正常运转，因此，轴系动平衡是机组调试过程中较为重要的一个环节。

本文以2013年山西天柱山化工厂14000空分设备空气压缩机组耗时3个月的联动试车调试过程为案列来分析轴系动平衡的重要性。

1 一次联动试车过程

山西天柱山化工厂14000空分设备现场配套1台型号为DA1640-41型空气压缩机和NH32/03型汽轮机，均为国产制造，联轴器由沈阳某大型联轴器制造商生产[1]。本项目由于工期延期，导致联轴器紧固件部分缺失和膜片型号与说明书不符，待重新更换后，开封空分集团有限公司设计研究院技术人员建议用户将联轴器返厂做高速动平衡校正，但用户未听取建议而仅在太原做了低速动平衡测试校正。待联轴器返回，开封空分集团有限公司设计研究院技术人员发现联轴器紧固螺栓和自锁螺母被严重磨损，并且配重块焊接位置不合理等，随即和联轴器厂商沟通商讨联轴器当前的可用性。厂商则建议更换被磨损件并要求将联轴器返厂重新做高速动平衡测试校正，但用户仍未听取建议，坚持按计划继续做联动试车。

2019年5月4日，汽輪机和空气压缩机按照原计划初次联动试车。升速过程中，汽轮机转子振动值持续稳步增长。在汽轮机转速约为4 800r/min时，前轴承振动值VE735、VE736和后轴承振动值VE737、VE738均超过规定停车值100μm，汽轮机立即“拍停”[2]。仪控人员检查仪表排线情况，排除仪表干扰等其他原因，确定汽轮机振动值数据准确。因联动试车之前汽轮机单独试车时轴振动值都在设计指标范围内，现场多方技术人员经过研究讨论，一致认为机组轴系动平衡问题可能性较大，需要进行现场动平衡校正。

之后汽轮机厂家委派专家到现场，于5月10日再次联动试车，并开始对机组做现场动平衡校正，用频谱分析仪从控制箱派利斯TM0180前置器端子进行数据采集，捕捉汽轮机在振动瞬间的振动数据。5月10日上午11：00开始，经过初次的联轴器两端试重校正和几次配重校正后，约到下午15：00，发现现场校正后效果并不理想，汽轮机前后轴承振动并未减小，相反有增大的趋势。停止调校后，现场技术人员研究讨论是否校正动平衡方向搞错的可能性。下午16：00，校正测试重新开始，校正结果为转速3 500r/min左右，汽轮机前后轴承振动值稳定在65μm左右，但等汽轮机继续冲转升高转速约为6 000r/min时，前轴承两个测点振动过大，均超过设计报警点，空气压缩机除低压侧轴承测点振动值接近50μm外，其余轴承测点均显示在正常范围内。研究分析发现，汽轮机的振动值VE735、VE736形成的轴心轨迹为椭圆形，则表示主要是转子本身不平衡造成;而振动值VE737、VE738形成的轴心轨迹为不规则图形，有毛刺和尖顶，则说明是转子有碰磨情况发生而导致的，转子轴心轨迹采样分析示意图如图1所示。

2 一次联动试车停车的原因分析

停机后，各方专家经过多次分析讨论，认为造成汽轮机前轴承振动值过大的原因有如下几种可能。

第一，汽轮机转子本身的动平衡可能存在问题。据现场工作人员反映，汽轮机单独试车时电动盘车工具曾出现机械故障，盘车工具严重磕碰转子本身。

第二，联轴器本身动平衡有较大问题。在现场动平衡校正测试结束后，开封空分集团有限公司设计研究院技术人员通过对空气压缩机和汽轮机对中数据进行复校，发现汽轮机和空气压缩机两端面平行度是0.04mm，外圆径向跳为0.16mm。这个数据在联轴器的膜片补偿系数之内，因此不会对汽轮机的振动造成影响。此外，频谱分析显示，振动以一倍工频为主，排除因对中因素造成振动过大的原因。因此，联轴器本身动平衡问题很可能是破坏轴系动平衡、引起汽轮机前轴承振动大的主要原因之一。

第三，开封空分集团有限公司设计研究院技术人员在现场发现联轴器垫圈尺寸有误，经现场机械修磨加工后，技术人员要求对联轴器再重做动平衡，同时要求更换做动平衡的测试厂家，但用户没有听取建议，坚持继续联动试车。这也是造成联动试车振动过大的主要原因之一。联轴器垫圈如图2所示。

第四，针对现场动平衡效果不理想的情况，技术人员根据试车日志和数据分析，并且和联轴器厂家沟通数次后，认为联轴器虽然经过两次动平衡校正，但都是在低速状态下做的动平衡校正，并未按照联轴器制造商要求在额定转速（6 870r/min）下做高速动平衡校正，特别是用户第一次单独找有关单位做低速校正动平衡后，联轴器紧固螺栓和螺母已经被严重磨损，实际已经不能再继续使用，很可能导致高速动平衡状态并不稳定，从而影响机组轴系动平衡状态，因此导致汽轮机升速时还未达到额定转速就因振动值达到高限报警[3]。根据整个机组运转情况，技术人员建议将联轴器做返厂检查，并做高速动平衡校正。

3 二次联动试车

5月中旬，联轴器被返厂进行整修并更换必要紧固件及膜片，同时做高速动平衡校正。5月29日重新进行现场联动试车，其间，联轴器厂家亦派专家指导现场动平衡工作。表1为当日联动试车机组轴承振动情况记录。

此次返厂，高速动平衡校正并没有取得任何效果。由以上数据可以看出，在汽轮机转速为3 500r/min时，汽轮机前轴承振动值最高是104μm，达到停机报警值，后轴承振动值最高达到77.5μm，也达到报警值。此外，频谱分析显示，其振动能量一倍频占其能量的95%以上，工频为主要峰值，说明主要原因为转子本身不平衡导致，所以要解决带负荷的动平衡问题[4]。转子轴心轨迹示意图如图3所示。

4 二次停车的原因分析

综上所述，汽轮机前后轴振动值增大的同时，空气压缩机低压端轴振动值也随之加大，具有联动效应，可以确定机该机组的轴系动平衡问题很严重。

第一，在现场联动试车结束后，技术人员分别对汽轮机组和空气压缩机组进行拆机检查。经过对空气压缩机机身流道进行检查，发现空气压缩机机体一级蜗壳蜗舌处有因铸造原因而多出的多余结构，如图4所示。

此处多余结构严重堵塞了气体流出蜗壳的流道，使得经过一级叶轮的压缩气体在多余结构处产生乱流和堆积，并造成压力过高，不断冲击蜗壳本身机体，这也是造成空气压缩机一级（低压端）轴振动偏大的原因之一。

第二，扩压器顶部与隔板间的间隙尺寸和各级叶轮出口处与扩压器进口交界处的宽度差有些偏差，按照设计人员图纸要求，此处交界处的宽度误差太大，如图5所示。

技术人员经研究分析得出，扩压器隔板制造时由于加工误差导致组装时和原设计尺寸偏差过大，并且在安装时技师并未进行磨合修正，这样经四级扩压器出口处气体在流经此处流道时，因为有此误差造成的机体阻碍同样会造成气体乱流现象和不断冲击机壳本身造成振动。

第三，一級蜗壳由于被设计为上下分体式，拆机开盖检查后发现上下蜗壳结合面有较大错位，气体流经上下结合面处会造成乱流或冲击机体本身的问题。

第四，综合波形频谱图综合判断，汽轮机转子和联轴器本身应该有有较大的动平衡问题。

5 改进处理方案

6月中旬，根据两次联动试车情况，技术人员认为联轴器本身动平衡问题严重，决定更换新联轴器，并要求汽轮机厂家将汽轮机转子也做返厂高速动平衡校正。在新联轴器加工生产期间，空气压缩机转子、汽轮机转子各自返厂进行高速动平衡调校。对于空气压缩机一级蜗壳流道局部多余结构进行切除修补，蜗壳分体下机壳和各扩压器隔板则按照图纸要求进行现场修磨，蜗壳分体上机壳须返厂进行机械加工整修。

6 运行效果

7月初待安装好新联轴器，就位做好高速动平衡的空气压缩机转子和汽轮机转子，重新校正机组对中数据，使之符合设计要求。7月底准备工作就绪后，机组一次性联动开车成功，汽轮机和空气压缩机各项振动指标均达到设计要求。

7 经验总结

空分设备的原料压缩空气由空气压缩机组提供，机组运行效果直接影响空分设备产品产量。日常运行中，维护人员需要密切注意压缩机组各运行参数的变化，尤其是轴系各轴振动值的变化趋势。技术人员应根据不同的轴振动值工况，认真分析其产生的原因，避免隐患扩大，以免造成机组故障停车或者设备损坏，为尽快恢复机组正常运行提供正确的对策解决方案。

参考文献：

[1]A.麦约尔.机器与汽轮机基础的振动分析与设计[M].张有龄，译.北京：中国工业出版社，1966.

[2]S.P.铁木森科.机械振动学[M].翁心惘，徐华舫，译.北京：机械工业出版社，1963.

[3] M.P诺顿.工程噪声和振动分析基础[M].盛元生，顾伟豪，韩健民，等译.北京：航空工业出版社，1993.

[4]施维新.汽轮机工作转速下转轴碰磨振动特征及其诊断[J].河北电力技术，1994（3）：1-19.