富气机组压缩机氮气试车过程中转子热弯曲故障分析

1.机组信息

该设备由汽轮机、压缩机低压缸、压缩机高压缸组成，压缩介质为富气。机组额定转速6930rpm，最高连续 转速8011rpm。压缩机振动高报门限：64μm，联锁门限：89μm；机组总貌图如下：

图1 富气压缩机组总貌图

2.故障现象

该机组于2024年5月29日首次启机联动试车，本次压缩机试车为前期工艺烘炉氮气工况。机组在 1000r/min-2300r/min低速暖机时，各设备总体振动幅值均不高，其中汽轮机振动幅值保持在15μm以下，压缩 机低压缸振动幅值在20μm以下，压缩机高压缸振动幅值在15μm以下。通过临界转速区间过程中，压缩机低压缸 临界响应幅值略有上涨，但幅值仍在25μm以下。但后续随机组转速由4300rpm提升至6500rpm过程中，压缩机 低压缸振动始终呈持续小幅爬升状态，如图2。

图2 压缩机低压缸试车过程振动趋势图

在氮气工况试车3小时后，机组逐步降速停机，氮气试车过程中，压缩机低压缸振动呈现缓慢爬升状态，氮气 试车完成后机组在降转速过程中，压缩机低压缸四通道振动幅值不但未随转速同步降低，反而仍有持续上涨现象。 与启机时相比，幅值均高于启机状态下同转速的幅值。当机组降速通过低压缸临界转速区间时，驱动端两通道振动 最高达到了98μm（远高于启机时的25μm），并触发了振动联锁门限（89μm），如图3。

图3 压缩机低压缸降速过程振动趋势图

3.故障分析

首先观察压缩机低压缸在整个氮气试车过程中的振动趋势表现：

在低转速下压缩机低压缸四通道振动幅值均相对较低，趋势稳定；后随转速提升，试车时长增加，压缩机振动 呈现平滑缓慢上涨状态；在转速达到最低运行转速（6500rpm）机组降速停机过程中，同转速下各通道振动幅值较 启机过程均有明显升高；在通过临界转速时，压缩机低压缸临界响应幅值大幅升高并超过联锁门限。

通过查看状态监测系统GAP电压趋势图，在机组整个试车过程中，压缩机低压缸各振动通道传感器GAP电压值 均在-9V左右，在其线性区间内，且无异常跳变等现象。评估低压缸振动的异常变化非仪表故障原因所致，为机组 真实振动表现。

图4 压缩机低压缸联锁时刻四振动通道GAP电压趋势图

进一步对比启机和停机过程中，在同转速下压缩机低压缸的波形频谱图，发现在停机时，其波形形态更接近于 正弦波，波峰和波谷幅值对称；频谱图中频率成分主要以1X为主，其它频率成分幅值占比均相对较低。

图5 低压缸振动上涨前波形频谱图（2303RPM）

图6 低压缸降速联锁时刻波形频谱图（2386RPM）

进一步对比压缩机低压缸在启机和停机过程中的Bode图，停机过程中，在临界转速区，低压缸各通道临界响 应幅值明显升高，1X幅值占比较高。

图7 压缩机低压缸启机过程BODE图

图8 压缩机低压缸停机过程BODE图

进一步查看压缩机低压缸在低速暖机、振动上涨、通过临界转速区间不同时刻的轴心轨迹图，可看出在压缩机转 子在此过程中轴心轨迹涡动范围逐渐较大，轨迹形态逐渐趋向于椭圆形状、且该过程观察压缩机低压缸出口温度，呈 现缓慢上涨并达到120℃左右。

图9 低压缸低转速下轴心轨迹图

图10 低压缸振动上涨后轴心轨迹图

图11 低压缸降速停机过临界时刻轴心轨迹图

查看整个试车过程中压缩机低压缸1X相位趋势，在此过程中，低压缸各通道1X相位角度始终呈持续变化现象，表 征转子平衡性呈持续变化特征。

图12 试车过程低压缸1X相位变化趋势图

总结图谱特征：

在机组试车过程中，压缩机低压缸振动呈持续上涨现象；

 整个氮气工况试车3小时，振动上涨过程约持续2h左右； 

压缩机启机过临界过程正常，停机过临界过程振动超高，触发联锁门限； 

幅值增长以工频为主、占比较高（90%左右） 时域波形呈正弦波形； 

工频相位在振动上涨过程存在同步变化 轴心轨迹涡动范围同步增大，且逐步趋向于椭圆状；

 Bode图中1X振动幅值在停机过程幅值较高； 

压缩机出口排气温度随试车时间推移呈逐渐升高趋势，最终超过了120°C。

图13 低压缸振动与出口气体温度、转速趋势图

4.诊断结论及建议

综合图谱特征及试车过程情况综合分析：由于氮气工况试车时间较长，出口温度偏高，导致压缩机低压缸转子 出现了临时热弯曲现象。

建议：机组停机逐步盘车至冷却，再次启机试车过程严格控制氮气工况试车时长以及压缩机出口排气温度，避 免长时间高温状态导致压缩机转子弯曲。

5.结论验证与故障处理

现场按照我方诊断建议，先将压缩机转子缓慢盘车至冷却。后续再次氮气试车时，适当减少试车时长，并严格 控制压缩机出口温度，在整个试车过程中，压缩机组运行状态稳定。

图14 压缩机低压缸再次启机运行氮气工况试车趋势图

总结：

转子热弯曲类故障多发生在汽轮发电机组以及炼化一体化项目大型离心压缩机组所采用的凝汽式汽轮机上，不 过一些特殊机型的压缩机也可能出现转子弯曲情况，其常见诱因如下：

1)机组暖机时长不够； 

2)介质带液；

3)长时间水平放置；

4)停机后未进行盘车操作； 

5)压缩机工艺介质气体在长时间非设计工况下运行，温升导致转子膨胀受热不均等； 

本次机组首次投产前氮气工况试车振动高问题，从故障发生机理结合监测图谱快速定位问题，帮助用户制定下 一步处理预案。由于问题定位准确，仅用2天时间就消除了机组故障，重新稳定运行，大大缩短了机组计划投产时 间，避免了更大的经济损失，为机组安、稳、长、满、优运行提供保障。