楊衛(wèi)國，祝鐵軍，王慶韌，杜勝磊

(1. 廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司，廣東 惠州 516082；2. 廣東電科院能源技術(shù)有限責任公司，廣東 廣州 510080)

近年來，隨著環(huán)境保護要求的逐步提高以及熱力、動力需求的日趨旺盛，燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組裝機容量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。聯(lián)合循環(huán)機組具有發(fā)電效率高[1]、啟動快、調(diào)節(jié)靈活、污染物排放低[2]等突出優(yōu)點，在環(huán)境壓力逐漸增大的形勢下和電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻方面具有相當?shù)膬?yōu)勢。隨著聯(lián)合循環(huán)機組數(shù)量的增加，軸系振動問題也越來越多地凸現(xiàn)，并得到了廣泛關(guān)注和研究。文獻[3-4]研究了燃氣輪機組燃燒振蕩引發(fā)的不穩(wěn)定振動問題，文獻[5]研究了燃氣輪機組拉桿轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)振動建模和分析方法，文獻[6]研究了燃氣輪機葉片斷裂故障現(xiàn)象及預(yù)防措施，文獻[7]研究了燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組軸系振動特性，文獻[8]總結(jié)了我國投運的大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組上發(fā)生的各類振動故障，文獻[9]研究了重型燃氣輪機動平衡技術(shù)。從宏觀角度講，燃氣輪發(fā)電機組和汽輪發(fā)電機組一樣，都是由轉(zhuǎn)動部件和支撐部件組成，在轉(zhuǎn)子-軸承-支撐系統(tǒng)動力學特性方面兩者是相通的，油膜失穩(wěn)[10-12]、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡[13]、熱彎曲[14-16]、發(fā)電機匝間短路[17]、動靜摩擦[18]等故障機理相同，故障特征也相同。上述故障中油膜失穩(wěn)故障特征突出表現(xiàn)在低頻分量幅值上，而其他故障特征主要表現(xiàn)在工頻分量幅值上。對于汽輪發(fā)電機組，由于關(guān)注較早，臺數(shù)更多，案例更多，相對而言研究更加成熟一些。

汽輪機和燃氣輪機這兩類透平機械也都存在因工作介質(zhì)而引發(fā)的流體激振問題[19-21]。從本質(zhì)上講，流體激振都是由于流體作用在葉片上引起的。目前針對這兩類透平機械流體激振問題所開展的研究相似，一般認為轉(zhuǎn)動部件和氣(汽)缸靜止部分不同心導(dǎo)致氣(汽)流作用在一圈葉片上的作用力不均勻，進而產(chǎn)生一個不平衡力作用到轉(zhuǎn)子上，引發(fā)流體激振，誘發(fā)大幅振動故障。

然而，燃氣輪機還存在一種特殊類型的流體激振[22-26]。燃氣輪機組是由多級軸流式壓氣機和多級透平組成，壓氣機在工作過程中，會發(fā)生因氣流入口角偏離葉柵安裝角(即出現(xiàn)較大的沖角偏差)而引發(fā)的失速、喘振等特殊類型的流體激振。這類故障嚴重影響燃氣輪機穩(wěn)定工作范圍和運行可靠性，目前對這類振動故障所開展的研究還相對較少。壓氣機失速故障特征和油膜失穩(wěn)故障相似，都是表現(xiàn)在低頻分量上，都具有突發(fā)性和不穩(wěn)定性，兩類故障容易混淆。因故障機理完全不同，故障處理方案完全不同，故障診斷時需要準確區(qū)分這兩類故障。

本文以某臺大型燃氣輪發(fā)電機組發(fā)生的振動故障為例，測試了該機組啟動和定速帶負荷過程中不穩(wěn)定振動現(xiàn)象，總結(jié)了振動故障特征。通過深入分析和全方位的試驗，確認振動故障是由于燃氣輪機組壓氣機失速所引發(fā)的。在準確判斷故障原因的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整壓氣機進口導(dǎo)葉(inlet guide vane，IGV)開度，解決了振動問題，為類似故障的分析和解決提供處理方法。

1 機組介紹

某發(fā)電公司2號機是GE公司生產(chǎn)的PG9171E型燃氣輪機，輸出功率為126.1 MW，由額定功率為1 000 kW的啟動電動機、17級的軸流式壓氣機、14個燃燒室組成的燃燒系統(tǒng)和3級透平轉(zhuǎn)子組成，軸流式壓氣機轉(zhuǎn)子和透平轉(zhuǎn)子用剛性聯(lián)軸器連接。圖1為燃氣輪機發(fā)電機組軸系簡圖。燃氣輪機組軸系設(shè)計有3個支撐軸承，配置了本特利振動監(jiān)測系統(tǒng)，在1號、2號、3號軸瓦頂部安裝了振動傳感器，用于測量軸承座振動，根據(jù)軸承座振動對機組進行保護。

圖1 燃氣輪機發(fā)電機組軸系Fig.1 Shafting of gas turbine-generator set

2018年4月，該機組檢修后開機。在機組升速和帶負荷運行過程中，多個軸承出現(xiàn)了較大幅度的振動波動。為此，對機組出現(xiàn)的振動問題先后進行了多次測試和分析。

2 機組不穩(wěn)定振動現(xiàn)象

2.1 首次開機振動情況

圖2給出了機組檢修后首次開機過程中1號、2號、3號軸承振動隨轉(zhuǎn)速變化的情況。從圖2可以看出，在機組啟動過程中各測點振動信號中工頻分量幅值小于80 μm，3 000 r/min下各測點振動信號中工頻分量幅值小于30 μm，說明燃氣輪機組轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)良好。但是在2 400～2 600 r/min區(qū)間內(nèi)，1號、2號、3號軸承振動通頻幅值出現(xiàn)了大幅度波動，突出表現(xiàn)在1號軸承和3號軸承上，在2號軸承上也有比較明顯的反映。

圖2 第1次開機升速過程中3個軸承振動情況Fig.2 Vibration of three bearings during speed up in the first start-up process

圖3和圖4分別給出了振動幅值波動時各點波形圖和頻譜圖。從圖3可以看出，振動幅值波動時，1號、2號、3號軸承的振動波形圖均發(fā)生了畸變。從圖4可以看出，1號軸承和3號軸承振動頻譜中出現(xiàn)了較大幅度的20.91 Hz低頻分量，2號軸承振動頻譜中出現(xiàn)了較大幅度的15.68 Hz低頻分量，低頻分量幅值已經(jīng)超過工頻分量，成為影響振動幅值的主要因素。

圖3 第1次開機升速到2 500 r/min時3個軸承振動波形圖Fig.3 Vibration waveforms of three bearings at 2 500 r/min in the first start-up process

圖4 第1次開機升速到2 500 r/min時3個軸承振動頻譜圖Fig.4 Vibration spectrum of three bearings at 2 500 r/min in the first start-up process

圖5給出了燃氣輪機組定速帶負荷過程中各點振動情況。在低負荷狀態(tài)下，各點振動幅值有小幅度波動。隨著負荷的增加，振動幅值的波動幅度減小。圖6給出了帶負荷初期3個軸承振動的頻譜圖，從圖中可以看出，1號軸承出現(xiàn)了18.80 Hz低頻分量，2號軸承出現(xiàn)了376.0 Hz高頻分量，3號軸承出現(xiàn)了6.27 Hz超低頻分量。不同軸承上表現(xiàn)出來的振動頻譜特征不完全相同，這種情況在以往的機組運行過程中比較少見。

2.2 第5次開機振動情況

第1次開機，燃氣輪機組連續(xù)運行2 d后停機，停機過程中振動雖有波動，但幅度不大。第3日再次開機時出現(xiàn)較大幅度振動，隨后連續(xù)開機3次，都因振動大而停機。第5次開機，沒有跳機，燃氣輪機組升速到3 000 r/min。

圖5 第1次開機定速3 000 r/min和帶負荷過程中3個軸承振動情況Fig.5 Vibration of three bearings at 3 000 r/min and during on-load operation in the first start-up process

圖6 第1次開機帶負荷運行時3個軸承振動頻譜圖Fig.6 Vibration spectrum of three bearings during on-load operation in the first start-up process

圖7給出了升速過程中各測點振動變化情況，可看出升速到2 400 r/min后，振動突然增大。與第1次開機不同的是，隨著轉(zhuǎn)速的進一步升高，雖然工頻分量幅值減小了，但總振動幅值卻越來越大，主要表現(xiàn)在1號、3號軸承上，以1號軸承最為突出。圖8給出了3 000 r/min下各測點振動頻譜圖。從升速過程中1號測點振動頻譜隨轉(zhuǎn)速變化情況可以看出，轉(zhuǎn)速升高到2 400 r/min后，頻譜圖上出現(xiàn)了大幅度低頻分量，頻率約為21.04 Hz。升速過程中該頻率一旦出現(xiàn)，即被鎖定，不隨轉(zhuǎn)速變化。

2.3 振動特征

根據(jù)多次開機過程中的振動測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該燃氣輪機組上發(fā)生的不穩(wěn)定振動具有以下特征：

圖7 第5次開機升速過程中3個軸承振動情況Fig.7 Vibration of three bearings during speed up in the fifth start-up process

圖8 第5次開機定速3 000 r/min時3個軸承振動頻譜圖Fig.8 Vibration spectrum of three bearings at 3 000 r/min in the fifth start-up process

a)升速到一定轉(zhuǎn)速后以及在定速運行時，都有可能發(fā)生這種振動。振動一旦發(fā)生，振動幅值即呈現(xiàn)大幅隨機性波動。

b)隨機性振動主要表現(xiàn)在1號軸承上，同時對2號、3號軸承也有一定的影響。

c)振動幅值波動時，出現(xiàn)大幅度低頻分量，低頻分量頻率為18～21 Hz。升速過程中也有可能出現(xiàn)6.26～6.75 Hz超低頻以及376.0 Hz的高頻分量。

d)振動一旦發(fā)生，振動頻率被鎖定，不隨轉(zhuǎn)動頻率變化。

3 振動原因分析

通過以上的測試結(jié)果可以看出，低頻分量是導(dǎo)致該燃氣輪機組振動的主要原因。與燃氣輪機組低頻振動相關(guān)的可能故障主要包括：氣流激振、油膜失穩(wěn)和壓氣機失速。

從圖2可以看出，該機組1階和2階臨界轉(zhuǎn)速分別為1 080 r/min和2 150 r/min，對應(yīng)頻率分別為18.0 Hz和35.8 Hz。該燃氣輪機組振動發(fā)生在轉(zhuǎn)速升高到2倍的1階臨界轉(zhuǎn)速(2 500 r/min)之后，低頻頻率(21 Hz左右)與轉(zhuǎn)子1階固有頻率(18 Hz)相近，該頻率在轉(zhuǎn)速升高過程中被鎖定，上述振動現(xiàn)象與滑動軸承油膜失穩(wěn)很像，有發(fā)生油膜失穩(wěn)的可能性。

油膜失穩(wěn)是指旋轉(zhuǎn)的軸頸在滑動軸承中帶動潤滑油高速流動，一定條件下高速油流反過來激勵軸頸所產(chǎn)生的一種強烈自激振動現(xiàn)象。油膜失穩(wěn)的主要特征有：①油膜失穩(wěn)發(fā)生在轉(zhuǎn)速高于失穩(wěn)轉(zhuǎn)速之后，失穩(wěn)轉(zhuǎn)速通常在相應(yīng)轉(zhuǎn)子1階臨界轉(zhuǎn)速的2倍值以上。②油膜失穩(wěn)故障發(fā)生后的振動頻率近似等于相應(yīng)轉(zhuǎn)子1階臨界轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的頻率。③油膜失穩(wěn)故障一旦發(fā)生，會在比較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)存在，而故障頻率保持不變。轉(zhuǎn)速降低到失穩(wěn)轉(zhuǎn)速以下，失穩(wěn)才會消失。④油膜失穩(wěn)故障的發(fā)生具有突發(fā)性。

失穩(wěn)轉(zhuǎn)速以前，故障頻率點所對應(yīng)的幅值較小，而且時隱時現(xiàn)，失穩(wěn)轉(zhuǎn)速之后，振動幅值將突然增大。油膜失穩(wěn)故障主要與軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)、軸承載荷、潤滑油參數(shù)等有關(guān)。本次檢修對軸承進行過檢查，沒有發(fā)現(xiàn)軸承間隙超差等設(shè)計方面的問題。查詢運行記錄可知，運行狀態(tài)下各軸承溫度正常，沒有發(fā)現(xiàn)軸承載荷過高或過低現(xiàn)象。提高軸承潤滑油溫后啟機，同樣發(fā)生了大幅振動。根據(jù)上述分析，可以初步排除油膜失穩(wěn)故障。

該燃氣輪機組上發(fā)生的失穩(wěn)現(xiàn)象和氣流激振也很相似。氣流激振故障與機組負荷等因素有關(guān)，負荷越大，流量越大，氣流激振力越大，越容易發(fā)生氣流激振。但是分析發(fā)現(xiàn)，該機組故障主要發(fā)生在升速和定速帶負荷初期，該期間流量較低。隨著負荷的增加，流量增大而振動反而減小，因此可以排除氣流激振故障。

該機組檢修后啟動時，在2 500 r/min附近2號軸承上出現(xiàn)了376.0 Hz和15.68 Hz分量，3號軸承上出現(xiàn)了6.26～6.75 Hz分量，這些頻率分量都不能用氣流激振和油膜失穩(wěn)來解釋。

在排除氣流激振和油膜失穩(wěn)故障可能性后，更多的疑點指向燃氣輪機組壓氣機失速。壓氣機在非設(shè)計狀態(tài)下工作時，流量變化與轉(zhuǎn)速變化的不協(xié)調(diào)，將導(dǎo)致來流對壓氣機葉片的迎角增大。當迎角超過某個極限后，葉片通道中的氣流將產(chǎn)生分離，產(chǎn)生大幅氣流脈動，進而導(dǎo)致大幅不穩(wěn)定振動。該現(xiàn)象稱之為燃氣輪機組壓氣機失速。

4 振動處理方案

4.1 IGV角度對振動影響分析

該型燃氣輪機組設(shè)計有可調(diào)IGV，安裝在壓氣機最前端，由液壓控制系統(tǒng)和可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉回轉(zhuǎn)執(zhí)行機構(gòu)組成。IGV有16組葉片，每組4片，共計64片。如果IGV角度固定，燃氣輪機組壓氣機空氣流量改變時，氣流絕對速度角度變化，會在葉腹和葉背產(chǎn)生氣流脫離。如果導(dǎo)葉角度可調(diào)，壓氣機空氣流量變化時，改變可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉角度可以改變氣流絕對速度方向，保證氣流進入動葉的相對速度方向恒定不變，使得氣流軸向速度與圓周速度相匹配，從而抑制氣流脫離。燃氣輪機組升速和帶負荷初期，壓氣機進氣量較小，IGV開度較??；帶負荷到一定程度后，進氣量與設(shè)計值接近，IGV應(yīng)開啟到較大角度以免產(chǎn)生負沖角引起不穩(wěn)定流動。

4.2 故障處理方案

該燃氣輪機組沒有配備水洗裝置，經(jīng)過長時間運行后，燃氣輪機組壓氣機葉片存在一定程度的積垢。葉片積垢后，壓氣機進氣量減少，壓氣機各級氣流流動偏離設(shè)計狀態(tài)，壓氣機壓比減小，原來設(shè)計的IGV開度就相對偏大，導(dǎo)致一級動葉氣流沖角偏移，使壓氣機葉片處于失速狀態(tài)。

停機后對IGV開度進行了檢測。檢查發(fā)現(xiàn)，IGV角度與控制畫面給出的指令相比，有不同程度的正偏差。葉片積垢后，流量減小，IGV開度可能也偏大。根據(jù)檢查和分析結(jié)果，修改控制指令，減小IGV閥開度1°，使得IGV角度滿足機組實際運行情況需求。

4.3 IGV開度調(diào)整前后振動情況

調(diào)整IGV開度后再次開機觀察燃氣輪機組軸系振動情況。圖9給出了IGV開度調(diào)整前后2次開機過程中各點振動隨轉(zhuǎn)速變化情況。IGV開度調(diào)整后，升速過程中2 500 r/min后的振動大幅度減小，振動信號主要以工頻分量為主，IGV開度調(diào)整取得了很好的減振效果。

5 結(jié)論

本文針對某臺大型燃氣輪機組發(fā)生的不穩(wěn)定振動，通過對多次啟停機過程和帶負荷過程的振動測試，總結(jié)了燃氣輪機組上發(fā)生的不穩(wěn)定振動特征。深入研究振動特征并結(jié)合現(xiàn)場實際處理，得到的結(jié)果表明，本機組不穩(wěn)定振動不是由油膜失穩(wěn)導(dǎo)致，而是由于壓氣機失速引發(fā)的。通過調(diào)整IGV開度，解決了不穩(wěn)定振動故障。

圖9 IGV開度調(diào)整前后開機升速過程中3個軸承振動比較Fig.9 Comparison of vibration of three bearings before and after adjusting IGV opening in start-up process

本研究主要結(jié)論如下：

a)燃氣輪機組在啟動升速和定速帶負荷初期所發(fā)生的不穩(wěn)定振動主要是由于燃氣輪機組中壓氣機失速所引起的。失速故障發(fā)生后，出現(xiàn)了較大幅度的低頻分量，成為振動的主要影響因素。低頻頻率雖然與轉(zhuǎn)子1階固有頻率相近，但并不完全相同.

b)IGV角度偏差及燃氣輪機組壓氣機葉片積垢，導(dǎo)致升速和定速帶負荷初期因空氣流量較小而引發(fā)燃氣輪機組壓氣機失速。通過適當減小IGV角度，有效地減小了燃氣輪機組振動。在燃氣輪機組檢修時，應(yīng)重視對IGV角度的標定和校準工作。

c)壓氣機失速故障和油膜失穩(wěn)故障特征有很強的相似性，但其故障機理完全不同，油膜失穩(wěn)故障治理方案并不適用于壓氣機失速故障。故障診斷時應(yīng)注意區(qū)分兩者之間的差異，選擇合理的振動故障處理方法。