某燃气轮机振动故障分析

某燃气轮机振动故障分析

大型机车启动、调整和方便。它是中国的重要调峰机组之一，在确保电网安全，减少co和so2排放方面发挥着重要作用。然而目前大型燃气轮机在实际运行中频频出现油膜振荡故障,影响了燃气发电机组的安全运行。通过分析某燃气机组的油膜振荡故障,诊断出故障原因为燃气轮机高温气体泄漏,并且已有多起相同原因引起的振动故障,应引起重视。1机组主要参数及振动点布置该机组的燃气轮机、汽轮机和发电机分别选用美国GE公司生产的PG9315FA型、D10型有再热系统的三压双缸双流式汽轮机和390H型氢冷发电机。燃气轮机、蒸汽轮机和发电机转子刚性串联在一根长轴上(见图1),额定转速为3000r/min。机组主轴分为4段:燃气轮机压气机转子、高中压转子、低压转子、发电机转子,均为整锻实心转子,每段转子由2个径向轴瓦支撑。图1中1,3,4,5为可倾瓦轴承;2,6,7,8为椭圆瓦轴承。机组振动测点布置如下:1~8号轴承均装有2个电涡流传感器。2个涡流传感器相互垂直安装,自燃气轮机向发电机方向看,左45°为X方向,右45°为Y方向。机组配备1套systemone汽轮机诊断监视系统,实时监控和记录机组的振动数据。2振动的发生及特征某日12:51,机组带基本负荷345MW运行时,3X和3Y(即3号轴承X和Y方向,以下以此类推)轴振动突然从0.03mm和0.04mm上升到0.09mm和0.14mm,当时主汽压9.52MPa,主汽温563℃,润滑油温43℃无波动,1号瓦温110℃,3号瓦温82℃,燃气轮机排气分散度无异常,就地检查无异常。减负荷到330MW,振动无明显下降趋势。14:41,3Y轴振达到0.15mm报警,减负荷至300MW。16:00,3Y轴振在0.13~0.14mm波动。16:12,负荷300MW,3X和3Y轴振突然从0.10mm和0.13mm下降到0.03mm,当时主汽压8.81MPa,主汽温565℃,润滑油温45℃无波动,1号瓦温110℃,3号瓦温83℃。查阅历史数据,发现机组自启动以来十多天内,已多次发生突发性振动变化,且振动幅值一次比一次大,而这次异常振动的振幅变化值最大,机组不得不降负荷运行。从运行记录看,振动异常时,提高润滑油温和降低负荷对消除振动有一定的效果。如图2—4所示,以3号轴承振动情况为例,分析此次机组的故障现象及原因。由历次振动突变情况可知,3X和3Y振动为突然上升,振动上升时,工频分量基本不变,其相位也没有变化,可排除碰摩和转动部件脱落的可能性。查阅3X和3Y的频谱图,发现在振动突然上升的时候出现了低频分量,3Y振动频率以21.8Hz为主,其幅值为0.113mm,远远超过工频分量,如图3、图4所示。3X和3Y这段时间的频谱分析显示出以21.8Hz为主的低频分量。当振动突然下降时,低频振动消失,振动恢复到以工频为主。振动特征分析如下:(1)3X和3Y轴振具突发性,如图2所示,振动呈阶跃变化。1min之内,3X和3Y轴振动突然从0.03mm和0.04mm上升到0.09mm和0.14mm。(2)突变前后工频振动幅值基本无变化,而低频分量变化较大,以21.8Hz为主的低频分量占主导地位。(3)振动不稳定。低频振动突然出现时,通频振动在一定幅值下波动爬升,而且低频振动又会突然消失及再次出现,波动过程并无明显的规律可循。(4)与运行参数的关系。多次突变振动的出现和消失,均在负荷稳定运行时,负荷下降时,偶尔也会使突变振动消失,但不是每次降低负荷均有效果,突变振动与负荷关系并不明显,不是决定性因素。突变振动对润滑油温较为敏感,提高润滑油温能使振动减少或消失。3油膜摇晃故障原因分析3号轴振的振动特征和低频分量的出现,充分说明了该机的高中压转子已经发生了油膜振荡,低频涡动的频率为0.44倍工频。3.1热下轴承的稳定性和热风险(1)扰动力过大。动静碰摩引起的转子热不平衡,或工质温度与转子温度不匹配造成转子温度分布不均匀发生热不平衡,使轴颈在轴承内扰动过大,易发生油膜失稳故障。(2)轴承型式影响。不同型式轴承的稳定性差别较大,可倾瓦轴承是目前现场使用的稳定性最高的轴承。(3)轴承负载。在运行过程中,由于机组的热变形,转子在油膜中浮起,加上真空度、地基不均匀下沉等因素的影响,轴系对中情况将发生变化,即各轴承的标高产生起伏。因此,热态下机组轴承负荷将重新分配,有可能使个别轴承过载,出现温升过高和烧瓦;个别轴承的负荷偏低,产生油膜振荡或其它异常振动。(4)轴承进油温度和润滑油粘度。随着润滑油粘度的增加,转子油膜失稳的工作转速点下移,从而降低了整个转子系统的稳定性,油温变化则改变了油的粘度,轴承的工作点、油膜刚度和阻尼系数都将发生变化,一般情况下,油温高,最小油膜厚度小,偏心率大,稳定性增加,轴承不易产生油膜振荡。(5)轴瓦间隙。过大的轴承顶隙使轴颈上部的油膜力下降,即降低了轴承的载荷,使得轴承偏心率降低,轴承稳定性下降。3.2故障机组及分析结合上述影响因素,分析机组产生油膜振荡故障的原因如下:(1)不平衡力的因素。高中压转子轴系振动的工频分量很小,启动过程中未发生半速涡动现象,机组在故障发生前没有出现致使转轴弯曲的故障特征,由此可以排除因为轴颈不平衡过大而导致油膜振荡的可能。(2)轴瓦的稳定性是由轴承设计、轴承负载和轴承润滑油温度及粘度决定的。燃气轮机已经使用比压较大的轴承,且机组此前近2年的运行中没有发生过油膜失稳故障,该机组的油膜振荡现象远比文献中的机组要轻微,所以可以认为在设计方面轴瓦稳定性没有问题,也就是说不会因为轴瓦结构上的原因引起油膜振荡。查阅安装检修记录,轴承座间隙、轴承座标高、轴瓦紧力、联轴器安装均在合格范围之内。(3)轴承冷态负载变化。从现场了解到,燃气轮机此前不久曾有一次小修,对燃机-汽机转子中心进行过重新调整,小修前,机组未曾出现过轴系失稳,基本负荷工况下3号瓦温91℃,1号瓦温110℃。修后,基本负荷工况下3号瓦温87℃(未发生油膜失稳时),比修前低4℃。说明这次对转子中心的调整使3号轴承负载有所降低,转子系统的稳定裕度已经有所下降。(4)轴承热态负载变化。油膜振荡消失之后会再出现,且发生油膜振荡时,3号瓦温仅82℃,离正常运行时的87℃仍有偏差,说明轴承的负载在进一步减轻,高中压转子还在进一步上浮,认为存在其他故障源降低了3号轴承的负载,导致轴系失稳。(5)燃气轮机存在高温气体泄漏。从振动数据的分析来看,2个轴承的振动振幅总是3号轴承较高,所以认为故障源应该在3号轴承侧,极有可能与燃气轮机部分有关。与其他运行机组参数对比,发现发生油膜振荡故障的机组中,1号轴承所在燃气透平间的温度偏高,最高达到170℃,而其他正常运行机组,燃气透平间温度一般不超过120℃,2号机组燃气透平间偏高,说明燃机部件存在高温气体泄漏。从燃气轮机的结构图可以看到在燃机缸体1号瓦和2号瓦侧各有1个用来支撑缸体的锚固支架,其受热膨胀会影响旁边轴承的高度。而由于散热方面存在缺陷,锚固支架会出现受热不均的现象。尤其是1号瓦侧支架靠近燃气涡轮,温度较高,且冷却效果较差,膨胀量更大,致使1号瓦相对抬高。由于1号瓦和3号瓦相邻,1号瓦抬高导致了3号瓦也相应抬高,使3号瓦的负载相对减小,影响了轴瓦的稳定性,产生了油膜振荡。正常情况下,支撑燃气轮机缸体的支架引起的3号瓦热态标高变化,并不会引起油膜振荡故障。但是,该燃气轮机在1号瓦侧还存在漏气,机舱里燃烧筒联烟管的高温部件有泄漏,高温部件的漏气使得锚固支架的受热膨胀量更大,致使1号瓦标高进一步抬高,造成3号瓦的负载进一步减轻,从而出现了油膜振荡故障。综上所述,小修时中心调整使轴承负载偏轻,是发生油膜振荡的一大诱因,而燃气轮机高温气体的泄漏则进一步降低了3号轴承的负载,从而导致3号瓦、4号瓦轴承的油膜振荡故障。4燃机-汽机转子中心失稳,影响系统稳定发展在保障机组正常安全运行的前提条件下,采取以下解决措施:(1)提高润滑油温。根据文献的经验,润滑油温可以提高到49℃长期运行。运行中应注意各参数的稳定性,特别注意3号瓦温的情况,要求3号瓦温不能低于85℃,如出现3号、4号瓦振动突升,应马上提高润滑油温。(2)加强燃气透平间的温度监视,采取措施保证燃气透平间的温度小于120℃,如有停机机会,应查找燃机机舱内的泄漏点,并进行处理。(3)重新调整燃机-汽机转子中心,提高3号轴承标高和转子轴承系统的稳定裕度。采取上述措