汽輪機運行中的振動及防止措施探討

摘要：汽輪機、鍋爐、發(fā)電機被稱為火力發(fā)電的三大主機，但是在實際應(yīng)用中，汽輪機經(jīng)常因為振動而發(fā)生嚴重的故障。文章結(jié)合實際運行中的故障，對汽輪機振動進行了分析，探討了在汽輪機的運行中如何減少振動情況的發(fā)生，保障電廠的穩(wěn)定生產(chǎn)和老百姓的用電安全。

關(guān)鍵詞：汽輪機運行；汽輪機振動；火力發(fā)電；鍋爐；發(fā)電機；用電安全 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK26 文章編號：1009-2374（2015）36-0053-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.025

汽輪機的振動原因是多種多樣的，而振動又是汽輪機的主要故障原因，解決這一問題將對我國的電力生產(chǎn)產(chǎn)生極大的推動作用。目前，我國的電廠一線工人和專家學(xué)者也對這一問題進行了研究，并且取得了相當(dāng)程度的進展。火力發(fā)電作為我國的主要發(fā)電方式，必須保證其安全穩(wěn)定地運行。在此基礎(chǔ)上，任何投入都是不過分的。

1 汽輪機振動的危害

振動是指物體偏離原有的平衡位置，發(fā)生了動能和位能的連續(xù)相互轉(zhuǎn)換作用，因此產(chǎn)生振動。在機械運轉(zhuǎn)過程中，微小的振動是不可能預(yù)防的，只要振動的幅度不超過一定的范圍都是可以接受的，汽輪機的運行過程中，振動也是不可避免的，在一般規(guī)定水平下振動是沒有危害的，但是往往因為各種原因，汽輪機在運行工作中振動就會超過一定的范圍，對汽輪機造成了損害。

我們所說的是汽輪機運行中振動超過了一定頻率的和幅度的異常振動，比如軸系中心變化、發(fā)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)冷水路局部堵塞、膨脹受阻、軸承磨損或者是軸座松動等，這些強烈的振動會導(dǎo)致整個機組零部件的松動或者是損害，還會加劇汽輪機內(nèi)部的動靜摩擦，進一步對汽輪機造成磨損，從而形成了惡性的循環(huán)，加速了汽輪機的衰老過程。振動往往不是因為一個原因造成的，而是多個原因共同作用的結(jié)果，所以新安裝的汽輪機或者是剛剛檢修完的汽輪機都需要對其振動程度進行檢驗，以保證其振動幅度在國家規(guī)定的范圍之內(nèi)。我國現(xiàn)行規(guī)定，汽輪機組的振動雙振幅值在0.05mm以下才算合格。

2 汽輪機振動的原因分析

對于汽輪機組的超幅振動原因進行分析與判定至關(guān)重要，因為在工作狀態(tài)中，處理問題主要還是安裝工藝和零件的替換以及運行參數(shù)的調(diào)整等，而找到問題的原因才是解決問題的關(guān)鍵。汽輪機的振動原因是多種多樣的，要求我們逐一進行分析，下面詳細介紹一下汽輪機的振動故障原因和判定方法：

2.1 油膜失穩(wěn)

汽輪機發(fā)生油膜失穩(wěn)主要有兩種形式，半速渦動和油膜振蕩。半速渦動一般發(fā)生在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速的時候，在提高轉(zhuǎn)速的過程中，從某一個較低的轉(zhuǎn)速開始出現(xiàn)，通常情況下，這種振動會一直持續(xù)到最高轉(zhuǎn)速，也可能在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達到某一個數(shù)值時就會消失。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的時候，渦動的頻率也會隨之發(fā)生變化，但是轉(zhuǎn)度的半頻關(guān)系始終不變。半速渦動最有效的識別辦法是級聯(lián)圖，在級聯(lián)圖上，半頻振峰的頻率點連線表現(xiàn)為一條斜率為2的直線。除此之外，在波形圖上或者是軸心軌跡途中也能看到以低頻為主的特征。

2.2 氣流振動

氣流振蕩發(fā)生的形式也是多種多樣的，原因也是各有不同：

首先是頂隙激振，由于對汽輪機效率和性能的追求，熱機設(shè)計人員采用了提高工作轉(zhuǎn)速和增加級數(shù)的方法，級數(shù)的變化使轉(zhuǎn)子的跨距變長，臨界轉(zhuǎn)速降低，而轉(zhuǎn)速的提高又造成工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速比變大，這就造成了軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。由于轉(zhuǎn)子的彎曲是通流部分的徑向間隙被改變了，一側(cè)的間隙變小，另一側(cè)的間隙擴大，變小一端的熱效率增加，變大一方的熱效率減小，就會造成切向力作用在軸頸上，使軸頸沿轉(zhuǎn)動方向做正向的渦動。

其次是葉輪流通部分的相互作用力。葉輪的圍帶和殼體之間的縫隙很大，只要轉(zhuǎn)速超過了基頻的2.5倍，就會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。葉輪帶可以產(chǎn)生相當(dāng)大的失穩(wěn)力，當(dāng)沿葉輪帶的泄流量守恒時，就會進入磨損環(huán)，活塞式的密封環(huán)流動就會發(fā)生非常高的切向力，而磨損造成的出口密封間隙增加又會使進入密封的流動切向力進一步加大，造成嚴重的振動。這時，葉輪圍帶力本身對汽輪機的轉(zhuǎn)子動力穩(wěn)定性起到了重大作用，磨損環(huán)、平衡活塞式密封環(huán)入口處、葉輪圍帶徑向泄流量會產(chǎn)生非常大的切向速度。氣流激振一般只發(fā)生在參數(shù)較高的高壓轉(zhuǎn)子上。通常，渦動的進動方向都是向前的，軌跡呈橢圓形或者是圓形，振蕩時，隨振幅逐漸接近大偏心率，而自激振動的頻率接近于轉(zhuǎn)子橫向振動的固有頻率。流體激振失穩(wěn)狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子做自激振動呈現(xiàn)的模態(tài)，最大振幅一般不會出現(xiàn)在軸承的傳感器處。對這一現(xiàn)象進行判斷要求我們安裝振型測試探頭，觀察轉(zhuǎn)子振動的幅度。

2.3 膨脹不均

膨化不均引起的振動主要是由于汽缸膨脹受阻或者是加熱的不均勻引起的，這時汽輪機軸承的位置和標高就會發(fā)生改變，造成轉(zhuǎn)子的中心產(chǎn)生位移，減弱軸承的剛度，引起機械振動。這一振動主要由兩種原因造成：一種是機組在啟動的時候疏水不暢，在暖管或者是暖機的過程中，部分疏水寄存在主汽管道或者是汽輪機本體某一部分，金屬由于受汽水影響，產(chǎn)生受熱變形或者是膨脹不均，造成在運行過程中摩擦振動；另一種原因是沖轉(zhuǎn)或者是運行過程中，主熱汽溫、再熱汽溫、壓力與金屬汽缸的溫度不匹配，轉(zhuǎn)子受熱不均，產(chǎn)生彎曲或者是變形，造成潤滑油的油溫、油壓遠超正常的運行參數(shù)，使轉(zhuǎn)子與氣缸的膨脹不一致，引起振動。

2.4 動靜摩擦

由于近年來，對于汽輪機的工作效率要求不斷增加，動靜的間隙不斷的縮小，碰摩的可能性就隨之增大。動靜摩擦輕的會使汽輪機產(chǎn)生強烈的振動，嚴重的就會使轉(zhuǎn)軸永久性的彎曲，整個軸系統(tǒng)都會遭到損壞，造成重大的經(jīng)濟損失。發(fā)生動靜摩擦的原因有以下四種：（1）轉(zhuǎn)軸振動過大，質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲、軸系失穩(wěn)等都會造成這一現(xiàn)象；（2）轉(zhuǎn)子偏斜；（3）動靜間隙過小；（4）缸體跑偏，變形。

除了以上四種現(xiàn)象和原因，還有自激振動、結(jié)構(gòu)共振、轉(zhuǎn)子損害等原因會造成汽輪機的振動。

3 汽輪機振動的防止措施

在分析了汽輪機振動的現(xiàn)象和原因以及判定方法后還需要對以下問題進行預(yù)防：

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽輪機振動診斷系統(tǒng)

前文已經(jīng)提到過，對于振動的解決措施無非進行保養(yǎng)、設(shè)備更換、參數(shù)調(diào)整這三種措施，防止汽輪機振動應(yīng)首先建立一種汽輪機振動診斷檢測系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)問題原因，進行問題的解決。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽輪機振動診斷系統(tǒng)是近年來最新的研究成果，是一種計算機信息處理系統(tǒng)，對人腦神經(jīng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬，模仿人類的信息處理方式。這一系統(tǒng)是根據(jù)汽輪機振動信號分析原理方法和故障特征提取方法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Matlab軟件的信號處理相結(jié)合以及GUI界面編程構(gòu)建汽輪機振動故障的識別系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要是收集汽輪機的振動信號，并進行一系列的數(shù)據(jù)處理，最終給出振動類別的判斷。

首先安裝信號采集系統(tǒng)，在汽輪機頭、各個振動點安裝機械箱和吸納紅采集裝置，然后對信號進行采集，并把數(shù)據(jù)保存在特定文件里，方便進行觀測與處理。并將信號進行消除多項趨勢以及小波的降噪，進行基于小波能量的提取并保存。

這樣就可以對其進行故障特征向量的提取并進行小波包重構(gòu)信號特征的向量處理。將經(jīng)過處理的特征向量作為測試診斷的樣本。

由上可知，這一系統(tǒng)具有相當(dāng)程度的準確性、方便性、快速性。通過這一系統(tǒng)，我們可以快速地判斷汽輪機振動原因，在造成較大事故之前，就能及時發(fā)現(xiàn)其故障趨勢，及時進行調(diào)整與維修。要注意這一系統(tǒng)需要進行大量的實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行收集，實驗數(shù)據(jù)越多，參數(shù)越多，效果越好。

3.2 油膜失穩(wěn)和油膜振蕩的防止措施

在汽輪機的設(shè)計階段，我們就應(yīng)該提高軸系的穩(wěn)定裕度和系統(tǒng)阻尼，在現(xiàn)場運行和檢修的過程中，要注意避免降低軸系的穩(wěn)定性的操作和檢查工藝。對于軸承的維護是防止油膜失穩(wěn)的有效手段，因為油膜失穩(wěn)的根源就是滑動軸承。軸承的無量鋼承載系數(shù)如下：

式中：P是比壓，是轉(zhuǎn)速。消除油膜失穩(wěn)首先可以增大軸承的負載W或者是增大比壓P，這要求減少軸承的寬度L。但是也要注意這些會造成瓦溫和油溫的升高；其次可以增加間隙比，但是也會造成軸頸在軸承中的定位問題；最后是減少潤滑油的動力黏度，提高油溫能，增大承載系數(shù)。但是這種方法會減少最小油膜厚度，潤滑油保持在高溫的狀態(tài)下長期工作，容易使油質(zhì)發(fā)生老化。

3.3 氣流激蕩的防止措施

氣流激蕩在我國發(fā)生得比較少，但我們也不能因此就放松警惕。在這一方面，首先可以利用反漩渦技術(shù)干擾流體的周向運動，逆向注入流體，提高失穩(wěn)的界限轉(zhuǎn)速。這種技術(shù)可以衍生出大量有效的主動控制手段，不會對汽輪機造成損害；其次，可以通過增加軸頸在軸承中的偏心率，減少振動發(fā)生的情況；最后，可以改變軸承的幾何形狀，擾亂周向旋流，減少它的切向力強度，提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

3.4 其他原因造成的振動防止措施

膨脹不均主要是受熱或者是加熱受阻引起的，解決方法就是在啟動前，檢查一遍汽輪機，查看管道是否通暢，運行時是否有積水沒有排泄干凈，并且要注意疏水時有沒有疏水寄存在主管道或者是機體之中，如果有的話需要清理干凈。主熱汽溫壓力與金屬汽缸配置不協(xié)調(diào)的原因是運行參數(shù)設(shè)置不正確或者是機械使用時間過長，造成一定程度的運轉(zhuǎn)失靈，這時需要仔細檢查各項機械有沒有變形情況發(fā)生，及時進行故障設(shè)備的更換，調(diào)整運行參數(shù)。動靜摩擦主要是由于設(shè)計的不合理和機械設(shè)備的損害造成的，我們只需要降低一些對于汽輪機效率的要求，更換損毀的零件就能有效預(yù)防動靜摩擦，或者也可以增加油脂，加強動靜間的潤滑。

自激振動主要是因為運行參數(shù)設(shè)計的不合理，這需要在運行中調(diào)整運行參數(shù)，并對機械進行有效的保養(yǎng)。轉(zhuǎn)子損壞就需要對機械進行維修與更換，并在平時維修、保養(yǎng)時給予注意。

4 結(jié)語

汽輪機的安全運行是電廠工作的核心，無論是從零件、機械的選購還是安裝和平時的維護，都需要我們引起注意。目前，由于對于機械效率要求的提高，在汽輪機穩(wěn)定運行的方面要求有所降低。但是，我們一定要注意兩者的平衡，保障發(fā)電廠安全生產(chǎn)，穩(wěn)定供電。

參考文獻

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作者簡介：姜微（1988-），男，黑龍江雙鴨山人，供職于神華國能寶清煤電化有限公司，研究方向：火電廠集控運行、電氣工程及其自動化。

（責(zé)任編輯：陳 潔）