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        汽輪機(jī)組軸振值增高的原因分析與在線動(dòng)平衡方法應(yīng)用探究

        2019-05-08 11:34:56郭偉龍劉延鶴司海濤蘆清武
        石油化工設(shè)備技術(shù) 2019年3期
        關(guān)鍵詞:動(dòng)平衡聯(lián)軸器軸系

        郭偉龍,劉延鶴,司海濤,蘆清武

        (中國石化中原石油化工有限責(zé)任公司,河南 濮陽 457000)

        1 機(jī)組情況

        該機(jī)組由1臺(tái)汽輪機(jī)和2臺(tái)壓縮機(jī)組成,軸系圖如圖1所示。機(jī)組調(diào)速范圍為9 039~12 100 r/min,正常工作轉(zhuǎn)速為11 000 r/min。2018年5月,對(duì)汽輪機(jī)、低壓缸、高壓缸全部進(jìn)行大修,汽輪機(jī)、高壓缸轉(zhuǎn)子均外委進(jìn)行了高速動(dòng)平衡,低壓缸更換新轉(zhuǎn)子,汽輪機(jī)、低壓缸、高壓缸軸承全部更換。汽輪機(jī)單試期間,軸振值相對(duì)較好,未出現(xiàn)軸振超標(biāo)情況。機(jī)組聯(lián)試達(dá)到正常工作轉(zhuǎn)速后,與單試相比,汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)軸振值明顯變大,汽輪機(jī)、低壓缸聯(lián)軸器側(cè)各有1測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值偏大。汽輪機(jī)振動(dòng)比低壓缸略小,但其振動(dòng)更讓人擔(dān)心,因?yàn)槠啓C(jī)軸振報(bào)警值為41.1 μm,低壓缸軸振報(bào)警值為62 μm,聯(lián)試期間的汽輪機(jī)軸振值已逼近報(bào)警值。針對(duì)機(jī)組軸振增高問題,作出了在線動(dòng)平衡調(diào)整方案。

        圖1 機(jī)組軸系

        2 機(jī)組試車運(yùn)行情況

        2.1 汽輪機(jī)單試

        8月2日14:00,在工作轉(zhuǎn)速11 000 r/min時(shí),汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)軸振測(cè)點(diǎn)VE3349A振動(dòng)值為28 μm,與檢修前振動(dòng)值25 μm相差不大。圖2 為單試期間聯(lián)軸器側(cè)軸振隨轉(zhuǎn)速變化情況。從圖2可以看出,振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速提升而不斷增大,汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)軸振在8 000 r/min以后隨轉(zhuǎn)速變化明顯。

        2.2 第1次機(jī)組聯(lián)試

        8月10日~11日第1次機(jī)組聯(lián)試,因蒸汽量不足,機(jī)組轉(zhuǎn)速最高升至10 700 r/min,未能升至工作轉(zhuǎn)速11 000 r/min。此時(shí),汽輪機(jī)低壓側(cè)軸振測(cè)點(diǎn)VE3349A振動(dòng)值為39 μm;低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)(東側(cè))軸振測(cè)點(diǎn)VE3244振動(dòng)值為43 μm。

        圖3為聯(lián)動(dòng)試車期間,汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)Bode圖。從圖3可以看出,汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)軸振值隨轉(zhuǎn)速提升而不斷增大,在7 000 r/min以后隨轉(zhuǎn)速變化明顯。

        圖4為聯(lián)動(dòng)試車期間,低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)Bode圖。從圖4可以看出,低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)軸振值隨轉(zhuǎn)速提升而不斷增大,在7 000 r/min以后隨轉(zhuǎn)速變化明顯。

        3 處理過程及效果

        1) 8月12日~13日,斷開聯(lián)軸器檢查,分析頻譜圖。

        從上述信息中可以直觀得到1個(gè)振動(dòng)特征,即汽輪機(jī)、低壓缸間聯(lián)軸器兩側(cè)振動(dòng)值都大。遂決定拆檢聯(lián)軸器,復(fù)查對(duì)中,核查軸瓦安裝記錄;經(jīng)復(fù)檢確認(rèn),機(jī)組對(duì)中、聯(lián)軸器安裝、軸瓦安裝均符合要求,排除了上述因素引起軸振值偏大的可能。

        圖2 汽輪機(jī)單試 聯(lián)軸器側(cè)軸振隨轉(zhuǎn)速變化情況

        圖3 聯(lián)動(dòng)試車 汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)Bode

        圖4 聯(lián)動(dòng)試車 低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)Bode

        查看聯(lián)試期間S8000狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Bode圖(見圖5)、頻譜圖(見圖6)、軸心軌跡圖(見圖7~圖8)發(fā)現(xiàn)以下特征:波形圖近似正弦波;能量主要集中于1倍頻, 峰值突出, 2倍等高倍頻分量較?。?軸振隨轉(zhuǎn)速升高不斷增大; 軸心軌跡近似橢圓。

        初步分析認(rèn)為:軸振偏大因“軸系動(dòng)不平衡”引起。

        從圖5~圖8不難看出:

        a) 振動(dòng)值大小隨轉(zhuǎn)速升高(7 000 r/min以后)迅速變大;

        b) 軸振測(cè)點(diǎn)VE3349A、VE3244的時(shí)域波形近似為正弦波;

        c) 軸振測(cè)點(diǎn)VE3349A、VE3244的頻域圖中,能量主要集中于1倍頻,峰值突出,高倍頻分量較?。?/p>

        d) 汽輪機(jī)、低壓缸轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器側(cè)軸心軌跡為橢圓形。

        此4點(diǎn)特征均符合轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡的故障特征【1-2】,由此判斷軸振值偏大為動(dòng)不平衡所引起。

        圖5 聯(lián)動(dòng)試車 汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)軸振隨轉(zhuǎn)速變化情況

        圖6 汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)軸振測(cè)點(diǎn)VE3349A、低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)軸振測(cè)點(diǎn)VE3244波形頻譜

        圖7 汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)軸心軌跡

        圖8 低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)軸心軌跡

        2) 8月14日上午,首次在線動(dòng)平衡試驗(yàn)調(diào)整

        將聯(lián)軸節(jié)與汽輪機(jī)對(duì)輪間連接螺栓松開,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子不動(dòng),汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)180°后回裝聯(lián)軸器連接螺栓,嘗試是否有減小振動(dòng)的可能。

        3) 8月14日11:30,機(jī)組聯(lián)動(dòng)試車(汽輪機(jī)、低壓缸轉(zhuǎn)子相對(duì)旋轉(zhuǎn)180°)

        汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)軸振測(cè)點(diǎn)VE3349A振動(dòng)值進(jìn)一步增大,在機(jī)組轉(zhuǎn)速升至9 946 r/min時(shí),振動(dòng)值為61.4 μm(已超過聯(lián)鎖值60.2 μm),提速過程中振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速提升而不斷增大,汽輪機(jī)高壓側(cè)的振動(dòng)值相比汽輪機(jī)和低壓缸轉(zhuǎn)子相對(duì)旋轉(zhuǎn)前聯(lián)試時(shí)的振動(dòng)值也有所增大。該試驗(yàn)說明汽輪機(jī)、低壓缸轉(zhuǎn)子相對(duì)旋轉(zhuǎn)180°對(duì)機(jī)組“軸系動(dòng)不平衡”產(chǎn)生了較大影響,因此可以確認(rèn):軸系動(dòng)不平衡是導(dǎo)致機(jī)組軸振大的根本原因。

        4) 8月14日17:00,透平、低壓缸轉(zhuǎn)子恢復(fù)原位安裝,進(jìn)行試配重調(diào)整

        首先確定鍵相槽位置, 即零位, 目的是根據(jù)初始振動(dòng)相位確定初次加試重的位置。確定鍵相槽的方法如下: 盤車, 同時(shí)用萬用表測(cè)量鍵相傳感器間隙電壓,當(dāng) 電壓突變時(shí)即鍵相槽轉(zhuǎn)到了鍵相傳感器的位置; 標(biāo)記該位置(注意標(biāo)記的位置應(yīng)為振動(dòng)傳感器對(duì)應(yīng)的位置)。在機(jī)組轉(zhuǎn)速升至11 000 r/min時(shí), VE3349A振動(dòng)值為34 μm, 轉(zhuǎn)速不變的情況下, 觀察40 min后穩(wěn)定在41 μm∠160°。

        表1為汽輪機(jī)單試軸振值,表2為動(dòng)平衡調(diào)整前機(jī)組聯(lián)試軸振值。由表2可知,汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)軸振大于高壓側(cè)軸振,低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)軸振大于非驅(qū)動(dòng)側(cè)軸振。由表1可知,聯(lián)軸器側(cè)軸振大于高壓側(cè)軸振,分析認(rèn)為,汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子近聯(lián)軸器端不平衡是引起振動(dòng)的最大可能原因,因此,可采用單平面配重方式消除不平衡量。

        表1 汽輪機(jī)單試軸振值

        注:轉(zhuǎn)速11 000 r/min。

        綜合以上情況,決定本次平衡采用軸系平衡法中的單轉(zhuǎn)子單面平衡法,以降低汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)VE3349A軸振值為目標(biāo)。

        根據(jù)動(dòng)平衡經(jīng)驗(yàn)公式【3】,計(jì)算試加塊質(zhì)量:

        m=106 MgA/rw2S (1)

        注:轉(zhuǎn)速11 000 r/min。

        式中:m——轉(zhuǎn)子試加塊質(zhì)量,g;

        M——被平衡轉(zhuǎn)子質(zhì)量,kg;

        g——重力加速度,m/s2;

        A——原始最大振幅,μm;

        r——試加質(zhì)量塊安裝半徑,mm;

        w——轉(zhuǎn)子工作角速度,rad/s;

        S——靈敏度系數(shù),對(duì)于不同的設(shè)備有不同的選取范圍,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般在100~200內(nèi)取值,轉(zhuǎn)速越高,取值越大。

        式中各參數(shù)取值如下:

        M=448 kg,g=9.8 m/s2,

        A=41 μm,r=83 mm,

        (因該機(jī)組轉(zhuǎn)速較高,安全起見,S取值為200)。

        則試加塊質(zhì)量m=106×448×9.8×41/[83×(11 000×2π/60)2×200]=8.180 4 g。為使現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡工作更加安全,方便實(shí)施,制作6~8 g配重塊若干。

        第1次嘗試在中間套筒靠近汽輪機(jī)側(cè)最頂部12號(hào)螺栓處加試重6.95 g(根據(jù)經(jīng)驗(yàn),試重塊一般先裝在接近轉(zhuǎn)子自然停止后通過軸中心點(diǎn)垂直線最頂部的螺栓,見圖9)。

        加試重后進(jìn)行聯(lián)試,機(jī)組軸振情況如表3所示。在機(jī)組轉(zhuǎn)速升至11 000 r/min時(shí),VE3349A振動(dòng)值為48 μm∠131°。

        根據(jù)單平面加重幅相影響系數(shù)法,有影響系數(shù)

        (2)

        圖9 試重安裝位置示意(旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閺牡蛪焊紫蚱啓C(jī)側(cè)看)

        表3 試配重后,機(jī)組聯(lián)動(dòng)試車情況

        (3)

        則,

        M∠m,μm∠(°)。

        由上述數(shù)據(jù)可知:

        圖10 配加試重后,軸振變化示意

        (4)

        要想轉(zhuǎn)子平衡,則應(yīng)滿足:

        因此,應(yīng)有

        N·S=41 μm,n+s=340°

        (5)

        綜合式(4)和式(5)可得:

        S=12.234 8 g≈12.23 g,

        s=597.58°-360°=237.58°,

        運(yùn)用矢量分解法,將配重分解到8號(hào)∠210°、9號(hào)∠240°和10號(hào)∠270°的3個(gè)螺栓上,具體計(jì)算方法如下:

        從以上內(nèi)容可知,目前已知下列條件:

        設(shè):

        則:

        (6)

        聯(lián)立式(5)~式(9)可得:

        聯(lián)立式(11)和式(12)解得:

        X2=0.624,Y3=5.817

        又因

        所以

        ≈5.82 g

        所以,將配重分解到3個(gè)螺栓后,8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)螺栓處配重大小、方位為

        去掉12號(hào)螺栓6.59 g配重塊,則應(yīng)分別在8、9、10號(hào)位置加6.85、1.25、5.82 g配重塊,安裝位置如圖11所示。

        5) 8月14日22:07,平衡配重后聯(lián)動(dòng)試車

        平衡配重后,轉(zhuǎn)速升至1 200 r/min時(shí),VE3349A振動(dòng)值為20 μm, 沒有太大變化。繼續(xù)升速超過臨界點(diǎn)后, 平衡效果出現(xiàn)。隨著轉(zhuǎn)速升高振動(dòng)逐漸降低, 轉(zhuǎn)速升至11 000 r/min時(shí), 機(jī)組軸振情況如表4所示。由表4可看出, 此時(shí)透平低壓側(cè)軸振測(cè)點(diǎn)VE3349A振動(dòng)值降到11.2 μm; 壓縮機(jī)低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)軸振測(cè)點(diǎn)VE3244振動(dòng)值降到21.9 μm, 機(jī)組其余軸振情況良好。表5為機(jī)組各測(cè)點(diǎn)軸振報(bào)警值、 聯(lián)鎖值, 將表4結(jié)果與表5進(jìn)行比較可知, 平衡配重取得了明顯效果。

        圖11 平衡配重安裝位置示意(旋轉(zhuǎn)方向?yàn)閺牡蛪焊紫蚱啓C(jī)側(cè)看)

        表4 平衡配重后,機(jī)組聯(lián)動(dòng)試車情況

        SHS 01003—2004《石油化工旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于軸振動(dòng)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如下:

        a) 本標(biāo)準(zhǔn)適用的設(shè)備包括電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蒸汽輪機(jī)、煙氣輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、離心壓縮機(jī)、離心泵和風(fēng)機(jī)等類旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

        表5 機(jī)組各測(cè)點(diǎn)軸振報(bào)警值、聯(lián)鎖值 單位:μm

        b) 軸振動(dòng)A區(qū)(優(yōu)良狀態(tài))上限值,推薦按下式計(jì)算:

        且≯50.8 μm

        式中:Nmax——機(jī)器最大工作轉(zhuǎn)速,r/min。

        表6為按照此公式計(jì)算出的機(jī)組達(dá)到優(yōu)良狀態(tài)時(shí)的允許軸振值。

        表6 機(jī)組達(dá)到優(yōu)良狀態(tài)時(shí)的允許軸振值 單位:μm

        c) 軸振動(dòng)B區(qū)(合格狀態(tài))的上限,建議取為A區(qū)上限的1.6~2.5倍。工作轉(zhuǎn)速較高者取下限,工作轉(zhuǎn)速較低者取上限。其值建議定為黃燈值(一級(jí)報(bào)警)。

        d) 軸振動(dòng)C區(qū)(不合格狀態(tài))的上限,建議取為B區(qū)上限的1.5倍,其值建議定為紅燈值(二級(jí)報(bào)警)。

        將表4、表6值進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)動(dòng)平衡調(diào)整后,機(jī)組運(yùn)行達(dá)到優(yōu)良狀態(tài),動(dòng)平衡調(diào)整效果良好。

        4 結(jié)語

        1) 機(jī)組軸振偏大確實(shí)是因軸系動(dòng)不平衡原因引起;機(jī)組低壓缸驅(qū)動(dòng)側(cè)軸振值大是因汽輪機(jī)聯(lián)軸器側(cè)軸振引起的。

        2) 把聯(lián)軸器中間節(jié)套筒旋轉(zhuǎn)角度安裝降低振動(dòng)存在不合理性,因?yàn)檫@樣可能會(huì)破壞聯(lián)軸器的平衡,相當(dāng)于產(chǎn)生一個(gè)新的不平衡量去平衡掉原有的不平衡量,而這2個(gè)不平衡量的大小方向均未知,恰恰能相互抵消的概率很低。

        3) 因支撐剛度、軸承裝配偏差、軸承同心度偏差及環(huán)境溫度、負(fù)荷大小等不同,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子安裝在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上和安裝在動(dòng)平衡機(jī)上的工況不同,因此即便是已校對(duì)過動(dòng)平衡的轉(zhuǎn)子,安裝在現(xiàn)場(chǎng)后,仍有出現(xiàn)振動(dòng)偏大的可能性。

        4) 當(dāng)軸系中有1個(gè)轉(zhuǎn)子或2個(gè)鄰近轉(zhuǎn)子需要調(diào)整平衡時(shí),可采用單轉(zhuǎn)子平衡法嘗試進(jìn)行軸系平衡。當(dāng)2根轉(zhuǎn)子符合以下情況時(shí),單轉(zhuǎn)子單面平衡法是進(jìn)行軸系平衡的有效方法,可在軸振值較大側(cè)聯(lián)軸器輪轂增加配重來進(jìn)行平衡調(diào)整:

        a) 轉(zhuǎn)子一側(cè)振動(dòng)值大于另一側(cè);

        b) 2根轉(zhuǎn)子軸振位置鄰近(聯(lián)軸器兩側(cè))。

        5)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)子有動(dòng)不平衡的情況出現(xiàn)時(shí),可采用在線動(dòng)平衡的方法進(jìn)行平衡調(diào)整。但必須滿足以下條件:

        a) 能夠確定鍵相槽位置;

        b) 能夠確定軸振相位;

        c) 現(xiàn)場(chǎng)條件允許機(jī)組連續(xù)多次停、開車;

        d) 能夠制作合適且可安裝的配重塊。

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