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旋转设备故障分析实例质量不平衡
第二讲机组振动分析和故障诊断实例:
质量不平衡
第一节 机组故障诊断概况和故障特征汇总
汽轮发电机组振动故障诊断是根据相关的数据和信息对故障定性,进而对其产生的原因或机理做出判断,并确定解决措施和实施处理方案。
振动故障有很多类型,总计有数十种之多,但其中数种常见故障的发生率占了总数的95%以上。
根据现场经验,如果能对这些典型故障做出准确的判断,则足可以应付生产实际的需要。
因此,对典型、常发故障诊断技术的掌握有十分重要的工程意义。
近几十年国内有关单位对机组振动故障处理的历史和经验教训说明,对振动故障的定性一般并不困难,但在确定故障的具体原因时,由于对造成故障的机理分析有分歧,使得误判时有发生。
因此,机组振动故障的诊断除需要现场经验外,还应该掌握一定的机组振动故障的基础理论知识和科学的分析能力,这样才能快捷地找出故障的确切原因,提出正确的根治措施,而不致盲目一概采用现场高速动平衡的方法,使得表面上振动有所减小,实际上没有根治,机组经过一段时间的运行或检修后,振动重复出现。
【表1】汽轮发电机组振动故障特征汇总表
-------------------------------------------------------------------------------
序号故障名称频谱特征其它特征
-------------------------------------------------------------------------------
1原始质量不平衡1X振幅、相位随转速变化,随时间不变,椭圆轨迹或圆
轨迹
-------------------------------------------------------------------------------
2转子原始弯曲1X低转速下转轴原始晃度大,临界转速附近振动略减小
-------------------------------------------------------------------------------
3转子热弯曲1X振幅、相位随时间缓慢变化到一定值,转子冷却后状
况恢复
-------------------------------------------------------------------------------
4转动部件飞脱1X振动突增,相位突变到定值,伴随声响
-------------------------------------------------------------------------------
5动静碰摩1X,整分数,内环或外环轨迹,振幅、相位缓慢旋转;或振幅逐
倍频渐增加
-------------------------------------------------------------------------------
6油膜涡动0.35~0.5X低频的出现与转速有关
-------------------------------------------------------------------------------
7油膜振荡fcri1在一定转速出现,突发性的大振动,频率为转子
第一临界转速,大于1X振幅
-------------------------------------------------------------------------------
8汽流激振fcri1与负荷密切相关,突发性的大振动,频率为转子
第一临界转速,改变负荷即消失
-------------------------------------------------------------------------------
9转轴不对中1X、2X高的2X,或3X振幅,1/2临界转速有2X共振峰,“8”字
形轨迹
-------------------------------------------------------------------------------
10联轴器松动1X,2X等与负荷有关
-------------------------------------------------------------------------------11结构共振1X,分频,存在明显的共振峰,与转速有关
倍频
-------------------------------------------------------------------------------
12结构刚度不足1X与转速有关,瓦振轴振接近
-------------------------------------------------------------------------------13转子裂纹1X、2X降速过1/2临界转速有2X振动峰,随时间逐渐增大
-------------------------------------------------------------------------------
14转子中心孔进油1X,0.8~0.9X与启机次数有关,随定速、带负荷时间而逐渐增
大
-------------------------------------------------------------------------------
15转轴截面刚度不对称2X1/2临界转速有2X振动峰
-------------------------------------------------------------------------------
16轴承座刚度不对称2X垂直、水平振动差别大
-------------------------------------------------------------------------------
17轴承磨损1X,次同步1X,1/2X,1.5X高,
-------------------------------------------------------------------------------
18轴承座松动1X与基础振动差别大
-------------------------------------------------------------------------------
19瓦盖松动,紧力不足1X,分频,可能出现和差振动或拍振
1/2X
-------------------------------------------------------------------------------
20瓦体球面接触不良1X和其它振幅不稳定
-------------------------------------------------------------------------------
21叶轮松动1X相位不稳定,但恢复性好
-------------------------------------------------------------------------------
22轴承供油不足1X瓦温、回油温度过高
-------------------------------------------------------------------------------
-------------------------------------------------------------------------------
23匝间短路1X、2X和励磁电流有关
-------------------------------------------------------------------------------
24冷却通道堵塞1X与风压、时间、负荷有关
-------------------------------------------------------------------------------
25磁力不对中2X随有功增大
-------------------------------------------------------------------------------
26密封瓦碰摩1X、2X振幅逐渐增大
-------------------------------------------------------------------------------
第二节 质量不平衡的种类和特征
1原始质量不平衡1X振幅、相位随转速变化,随时间不变,椭圆轨迹或圆轨迹
2转子原始弯曲1X低转速下转轴原始晃度大,临界转速附近振动略减小
3转子热弯曲1X振幅、相位随时间缓慢变化到一定值,转子冷却后状况恢
复
4转动部件飞脱1X振动突增,相位突变到定值,伴随声响
第三节 现场动平衡的一般方法
(一)方法
●模态法
●影响系数法
●谐分量法
旋转机械的高速动平衡,就其基本方法来讲,已是成熟、定型的,计算加重量的程序也已完善。
(二)动平衡方案和加重步骤的确定
汽轮发电机组的现场高速动平衡通常按照下列步骤进行:
●测取基本振动数据,对记录数据进行分析;
●制定动平衡加重方案,确定加重步骤;
●试加重或获取影响系数;
●正式加重。
(三)不平衡质量轴向位置判断和加重面的确定
在进行动平衡加重前,确定不平衡质量在轴系上的轴向位置并进而确定加重平面,是整个平衡方案中最重要的内容,它决定了动平衡加重的效果甚至成败。
2、模态分析辅助确定动平衡步骤
3、动平衡前期的数据采集和处理
(1)基本振动数据的获取
(2)对记录数据的分析
4、转子振动数据稳定性的判断
(1)机组进行平衡的前提条件
(2)稳定的和不稳定的质量不平衡
(3)不稳定质量不平衡的动平衡
5、影响系数处理技术
(1)关于试加重的选择
(2)对影响系数的分析和筛选
第四节深圳西部电厂#5机组动平衡
深圳西部电力有限公司#5汽轮发电机组为哈尔滨汽轮机厂、哈尔滨电机厂生产的优化引进型双缸双排300MW机组。
机组振动调试始自2002年9月7日,11月3日结束。
其间与振动相关的主要过程如下:
9月10日:
首次冲转,一次升速到3000rpm;
9月12日:
首次并网;严密性试验;
10月10日:
汽机真空消缺后启机;
10月15日:
动平衡加重;
10月17日:
冲转到3000rpm;带低负荷;解列;超速试验;
10月18日~10月24日:
投辅机及自动,升负荷;
10月25日~11月1日:
168小时带负荷试运行;
11月1日:
168小时试运行结束。
1、动平衡前机组振动状况
(1)3000rpm定速和带低负荷的振动
3000rpm定速(9月10日)
#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦
————————————————————————————————————
轴振X25微米95105932420
轴振Y206560565924
瓦振⊥6527218
瓦振—6333613
————————————————————————————————————
9月12日,12MW
#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦
————————————————————————————————————
轴振X24微米88100982223
瓦振⊥4973
————————————————————————————————————
动平衡加重前2X、3X、4X振动
2、第一阶段冲转、定速过程振动异常原因分析
从9月10日到12日,冲转、定速、并网、带负荷过程,机组振动出现过三次较大的异常:
(1)9月10日20:
40,机组首次冲到2000rpm,#6轴振达到190微米,对振动数据分析表明,属发电机转子后端、#6轴承部位临时性问题,其后15分钟,#6轴振迅速下降,趋于正常。
以后的启机过程该测点一直正常。
(2)9月11日6:
40,电气试验部分完成,打闸惰走到1300rpm,#5X、#5Y轴振分别达到400微米和350微米。
对打闸前数小时的电气试验数据和振动数据的分析说明,原因为电气试验中励磁电流对测振涡流探头干扰造成的。
11日下午机组再次冲转到3000rpm,#5轴振两测点均正常。
(3)9月12日清晨电气试验完后,4:
40打闸,惰走到1600rpm,#1X轴振132微米,略偏高,投盘车,偏心指示大,130微米。
分析原因,是由于高中转子处于热态,转子略有弯曲,这种情况不应该影响再次冲转。
9:
50冲转,在600rpm停留,检查振动值,略偏大,但没有大问题,决定升速,顺利冲到3000rpm。
3、对机组动平衡前振动状况的分析
(1)3000rpm定速和带低负荷的振动,#3、#4两个瓦振超标(标准为30微米);#2X、#3X、#4X三个轴振超标(标准为80微米);
(2)上述超标值中,#4瓦振突出,达到70微米,且有随转速和负荷增大的趋势;
(3)升降速临界转速振动#1轴振偏大,但在标准范围之内(标准250微米),其余各瓦临界转速振动情况良好。
(4)9月10日到12日在冲转、定速、并网、带负荷过程中机组出现的三次较大的振动异常,均属新机首次开机过程,机组结构状态不稳定(转动部件、缸体、膨胀、例行碰磨等)造成的常规性暂时故障,随以后的启机,这些故障自行消失并不会复现。
(5)从第一阶段机组暴露出来的问题看,#5机组振动存在两处问题,一是低压转子存在原始质量不平衡(属哈汽制造缺陷),二是#4、#3轴承的轴振与瓦振之比偏小(通常情况,如果轴振10丝,瓦振一般应该是2~3丝),造成这样状况的原因是支撑刚度偏低,不排除#4、#3轴承座二次灌浆的缺陷。
除上述两点,其余没有发现严重的振动缺陷。
4、#2、#3、#4瓦振动超标原因分析
根据振动频谱分析和数据比较,#2、#3、#4瓦振动超标的主要原因是低压转子存在原始质量不平衡,另外和中/低对轮以及基础有关。
真空缺陷处理完后,随真空度的提升和负荷的增加,3、4瓦的振动可能会有少许的变化,但不可能显著降低。
5、高速动平衡
从9月13日到10月7日,#5机组进行了汽机真空低以及电气方面的缺陷处理。
关于#4、#3瓦振、轴振偏高问题的处理,协商决定待真空处理完后再行处理。
10月10日,真空消确完后启机,3000RPM振动如下:
#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦
————————————————————————————————————
轴振X18微米9082832116
轴振Y224626474527
瓦振⊥3874
————————————————————————————————————
此次启机,3000rpm振动数据和真空处理前基本相同,说明#4、#3瓦瓦振、轴振偏高的原因不是由于低压缸真空缺陷,而是转子存在原始质量不平衡。
于是决定进行动平衡,在低压转子实施加重。
10月15日加重平衡块,加重量:
低压转子前末级加400g;
低压转子后末级加400g。
加重后振动(10月17日,3000rpm):
#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦
————————————————————————————————————
轴振X41微米4638434118
轴振Y494734505729
瓦振⊥103751212
————————————————————————————————————
动平衡加重后2X、3X、4X振动
这次加重,#4、#3瓦振显著下降,均不到10微米;#2、#3、#4轴振也都降到50微米以下。
动平衡效果显著。
6、超速试验振动
超速试验过程,从3000rpm到危急保安器动作转速3300rpm,各瓦振、轴振测点振动变化平缓,没有出现急剧增大的情况。
7、升负荷过程振动
机组负荷从零到满负荷300MW过程,振动基本稳定,除#1瓦轴振外,其余各瓦振、轴振均无明显变化。
升负荷过程各瓦瓦振始终小于16微米;轴振小于60微米。
#1瓦两个方向轴振随负荷增加略有上升,从零到300MW,#1X从46微米增加到65微米,#1Y从53微米增加到74微米,分别增加了约20微米。
首次升负荷到300MW(10月22日15:
10)各测点振动如下:
#1瓦#2瓦#3瓦#4瓦#5瓦#6瓦
————————————————————————————————————
轴振X64微米6058313824
轴振Y73~766142525032
瓦振⊥941216912
————————————————————————————————————
第六节清镇发电厂#7机组异常振动测试分析与故障处理
1、前言
3月18日17:
00,我所接清镇发电厂总工李荣、汽机副主任罗来有电话,称同日上午9时系统发生电气故障,鸡场变压器三相短路,造成该厂#7、#8机组失压运行,无功瞬间增大到300MW以上,机组轴系受到冲击,部分轴瓦振动明显增大,尤其#7机#3瓦振动由冲击前的30微米增大到约80~90微米,严重影响到机组正常安全运行。
鉴于我所近年对#7机组进行过多次振动测试和分析,情况熟悉,李总要求我所人员尽快赶赴现场,协助进行分析处理。
我所人员于3月19日20时到达清镇发电厂,在厂领导、汽机、运行各部门人员密切协助下,立即开始了测试、分析和处理工作。
到3月23日凌晨,完成了对#7机振动的分析、初步处理和观察。
其间在现场进行的工作步骤和内容如下:
1、3月19日21:
30~3月20日16:
00
●振动测试,连续测试#7机在各种负荷状况下以及升降速过程的振动
●对机组振动状况进行评估
●分析异常振动产生的原因
●确定处理方案
●计算高速动平衡加重量
2、3月20日16:
00~3月21日0:
00
第一次加重,启机,全速,打闸惰走;
3、3月21日0:
00~3月21日9:
00
第二次加重,启机,全速,并网;
4、3月21日9:
00~3月22日21:
00
机组带高负荷和满负荷,阀切换试验,振动测试。
经过对轴系两次加重的动平衡,#7机组振动得到明显改善,在高负荷和满负荷、进汽方式为顺序阀和单阀时,振动最大的#3瓦基本保持在50微米左右,最高60微米;汽机其余各瓦振动小于20微米,振动稳定。
#7机组振动尚待进一步处理,继续降低#3瓦振动;对#3瓦振动波动现象也需继续观察分析。
2、电气系统故障后的机组振动状况
(1)电气事故前后机组TSI记录
电气事故发生在3月18日09:
07:
07,#7机组振动在线监测系统记录到事故前后的瓦振、轴振变化,如下表:
#7机组瓦振(通频振幅(微米)、工频振幅/相位)
2004年3月18日9:
00~9:
30
———————————————————————————————————————
测点3瓦4瓦5瓦6瓦7瓦
———————————————————————————————————————
9:
00:
0132/30/291°43/39/254°19/17/129°20/15/120°22/20/339°
9:
03:
0132/30/295°43/38/253°20/17/126°19/15/115°24/19/338°
9:
07:
0131/29/295°43/38/253°19/16/131°20/15/116°23/19/337°
系统发生电气故障
9:
07:
0763/54/229°77/78/253°41/33/121°17/12/113°17/13/18°
9:
08:
0170/65/221°73/69/248°41/38/120°14/9/168°19/17/6°
9:
12:
0278/72/220°65/63/250°42/39/126°13/8/135°20/16/356°
9:
17:
0079/73/220°63/60/248°40/38/126°14/8/122°21/17/335°
9:
30:
0174/71/225°59/57/247°37/35/126°14/8/105°19/15/349°
———————————————————————————————————————
#7机组轴振(通频振幅(微米)、工频振幅/相位)
2004年3月18日8:
30~9:
10
———————————————————————————————————————
测点3轴4轴5轴6轴7轴
———————————————————————————————————————
8:
31:
0140/32/7°73/66/18°36/31/210°45/44/74°25/12/325°
9:
07:
0141/32/7°71/66/18°36/31/212°45/43/74°26/12/334°
系统发生电气故障
9:
07:
07169/154/321158/143/18°62/54/218°48/42/96°29/11/9°
9:
08:
01170/171/313149/146/10°57/57/214°50/50/85°33/14/322°
9:
10:
01175/175/311141/139/9°53/54/216°50/49/85°24/13/325°
———————————————————————————————————————
TSI的记录数据表明,系统发生电气故障前各瓦、轴的振动状况良好,振幅相位稳定;电气故障的发生造成振动瞬间突增,瓦振、轴振均有明显增大,其中#3瓦瓦振和轴振增大的量值为最大,#3瓦瓦振增大到80微米,轴振增大到170微米,相位同时发生阶跃;故障对#4、#5瓦振动影响次之;对发电机两瓦振动影响不明显。
由于电气故障引起的振动变化,故障后的状况较稳定。
系统电气故障使得#7机#3、#4瓦振动增大,严重危及机组安全运行。
(2)3月19日,20日我所对#7机组振动的测试结果
我所人员到现场后首先对机组当时的振动状态进行了测试。
1)高负荷和满负荷振动测试结果如下:
#7机组瓦振(通频振幅(微米)、工频振幅/相位)
2004年
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