汽輪機實際沖轉過程突發軸系振動故障案例研究

田長河 王永旭 劉鐵苗 李飛 程江南 劉金龍

摘 要：汽輪機軸系振動故障預防是非常重要的，因此，實際振動故障案例處理經驗非常重要。該文針對一汽輪機實際沖轉中出現的軸振突變導致停機的故障進行分析研究，結果發現是由于剛起機時機組缸體膨脹不暢，導致機組存在碰磨而引起的；并且，在沖轉臨界轉速區的相互耦合導致振動瞬間增大引發跳機問題。針對這一故障對機組的高壓調速汽門進汽順序進行調整，解決了此振動故障對機組實際運行的影響，極大提高了機組運行的安全穩定性。這對解決其他電廠機組在實際運行中的軸系振動故障具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：汽輪機 沖轉 膨脹不暢 碰磨故障

中圖分類號：TK26 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0109-03

汽輪機振動故障嚴重威脅機組的安全穩定運行，然而，由于振動的產生原因是多種多樣的，在實際問題未出現時能夠及時預測并避免或問題出現后能夠及時解決仍具有較大難度。國內已有很多研究人員從很多方面進行了很多相關研究，如在振動故障本身的特征提取方面，趙永剛通過小波分析對4種典型汽輪機瓦軸故障信號進行故障診斷的頻率特征提取[1]。然而，隨著風電等新能源的大規模引入，風速預測誤差導致更多的機組冗余備用[2]，越來越多大功率火電機組不得不進行深度調峰運行，噴嘴配汽不合理導致的振動故障也很多[3]。文獻[4]闡述了噴嘴配汽故障的產生機理，并提出了采用配汽優化消除故障對機組安全及效率的影響。超臨界噴嘴調節機組也存在此類故障，通過對實際機組進行順序閥優化改造也可解決此問題[5]。也有研究者通過對軸系載荷進行重新分配解決機組軸振問題，并在實際機組中取得了實際應用效果[6]。起機過程也是汽輪機的一個重要運行階段，然而，公開文獻中介紹機組并網前沖轉過程中出現的軸振故障進行研究的實際案例較少。

文章針對汽輪機實際沖轉中出現的軸振突變導致停機的故障進行分析研究，結果發現是由于剛起機時機組缸體膨脹不暢導致高中壓轉子碰磨引起的；并且，在沖轉臨界轉速區的相互耦合導致振動瞬間增大引發跳機問題。針對這一故障對機組的高壓調速汽門進汽順序進行調整，解決了此振動故障對機組實際運行的影響，提高機組運行的安全穩定性。

1 案例機組及振動現象

1.1 案例機組軸系概況

案例機組軸系高中壓側布置如圖1所示。沖轉時，4個高調閥對應于4組噴嘴同時同開度進汽，2個中壓聯合汽閥從汽缸下半右、左兩側分別進入中壓缸。調節閥在流量30%以下時起調節作用，以維持再熱器內必要的最低壓力，調節閥在超過30%總流量指令時保持全開，僅由高壓調節閥調節負荷。

1.2 故障現象描述

機組大修起機沖轉時，突然出現軸振突增故障而引發跳機，如圖2和圖3所示，軸系各處的軸振都明顯變大，其中高中壓缸處的軸振變化最大#2瓦x向振動最大至290 μm多，#1瓦x向振動大致170 mm且y向振動大致190 mm；并且，實際觀察各軸瓦處的瓦振也隨著軸振的增大而增大，并且瓦振與軸振的趨勢是一致的。

2 問題的原因確定及處理措施

2.1 故障數據分析

機組軸振故障原因很多，并且他們之間互相關聯、相互影響，要解決故障必須綜合分析故障原因[5-6]。首先，首次冷態啟動沖轉過程中，機組高中壓缸各軸承的振動沒有異常。這可以說明：一是軸系平衡較好；二是軸承座支承動剛度正常。也就是說，故障發生前，機組的軸系以及配汽等控制系統本身是良好的，因此，需要首先排查有無其他非軸系本身因素引發這次故障。另外，#3瓦軸振基本沒有變化。所以，對機組進行#1瓦、#2瓦軸振的頻譜分析，分別如圖3～6所示。

2.2 振動原因分析

通過頻譜分析可以看出：故障部分主要是高頻成分，與碰磨故障特征非常接近。此外，故障發生時軸系正處于臨界轉速區域，此時的軸系振動對于外界的擾動比較敏感，極易引發軸系的振動突增放大問題。此外，通過實際調研發現，此類問題在其他電廠中也存在過。這對于大功率汽輪發電機組的安全高效運行影響極大，因此，妥善解決非常重要。

3 故障的判定及解決

從上面的分析，基本可以看出：此次軸系故障很大程度上是由于動靜葉片或者軸瓦碰磨引起的；并且，機組沖轉起機而未并網發電時很可能存在汽缸膨脹不暢的問題；同時，由于沖轉過程中剛好達到臨界轉速區域，兩者相互耦合相互影響導致振動瞬間增大。所以，機組正常運行后也出現了碰磨現象，如圖7所示，#1、#2瓦軸振處于不穩定狀態，尤其是在快速升負荷階段，機組采用第三閥進行負荷調節，升負荷速率過快導致轉子瞬間偏移量過大，故還會發生碰磨故障。所以，實際碰磨故障的特征比較明顯；并且，文獻[7]在介紹汽輪機動靜碰磨的機理和振動信號特征的基礎上，歸納總結引起該類故障的主要因素，并提出相應診斷與處理對策。文獻[8]指出了滑動軸承油膜厚度對汽輪機振動的影響，這與文獻[4]給出的機理分析是一致的。因此，根據文獻[4]提到的方法，對機組進行進汽順序調整，#1、#2瓦軸振的突變問題得到了解決。從實際角度來講，此次振動故障基本解決。

4 結論及展望

針對電廠中一臺機組大修后的起機沖轉過程出現的軸振故障進行分析研究，結果發現由于檢修機組膨脹不暢出現碰磨而引起振動；同時，臨界轉速區域，兩者相互耦合相互影響導致振動瞬間增大。對機組在實際運行中的軸系振動故障具有一定的借鑒意義：第一，機組在出現故障時首先要就地逐一排查，檢查各硬件設施是否有機械故障；第二，在排查完機械問題后再對控制系統等軟件設施進行檢查，做到細致全面；第三，新檢修機組起機時需要密切關注機組膨脹問題，避免由于機組缸體等的不暢問題引發其他嚴重故障；第四，汽輪機沖轉至臨界轉速區域時，要時刻關注機組的運行狀況，此區域機組軸系振動對外界擾動比較敏感，極易由外界的一個小擾動引發軸系的振動故障。

此外，由于此次故障處理得當基本沒有造成損失。因此，在后面的機組實際運行中，還需加強這方面振動的監視，因為這時不能夠完全排除其他故障原因的存在。文章僅寫了一個從實際角度解決的振動問題。今后，還需從振動故障診斷系統監測到的數據中，對此次振動故障的表現（如基頻振幅、相位隨運行時間和運行工況的變化而變化的特征）進行細致分析，同時利用汽輪發電機組振動分類方法最終確定振動故障原因。

參考文獻

[1]趙永剛.汽輪機軸瓦振動故障特征提取研究[J].電站系統工程，2013（4）：59-60.

[2]萬杰，馬國林，蘇鵬宇，等.基于生成型深信度網絡的回歸算法魯棒性分析[J].科學技術與工程，2015（22）：47-52.

[3]關海平，焦曉亮，喬增熙，等.600MW汽輪發電機組運行狀況的調研分析[J].節能技術，2011，29（1）：57-60.

[4]于達仁，劉占生，李強，等.汽輪機配汽設計的優化[J].動力工程學報，2007（1）：1-5.

[5]劉賢東，劉建東，喬增熙，等.超臨界機組順序閥優化改造研究[J].節能技術，2011，29（2）：153-158.

[6]顧偉飛，吳華強.軸系調整實現汽輪機順序閥方式投運[J].電力科學與工程，2008，24（7）：46-48.

[7]張文斌，唐貴基，王維珍，等.大型汽輪機動靜碰磨故障的診斷和處理綜述[J].煤礦機械，2005（1）：131-133.

[8]張艾萍，謝媚娜，林圣強.橢圓滑動軸承油膜厚度對汽輪機振動的影響[J].動力工程學報，2013，33（9）：677-681.