汽輪發(fā)電機組低頻振動故障分析

陳松平

(蘇州熱工研究院有限公司,江蘇蘇州215004)

汽輪發(fā)電機組低頻振動故障分析

陳松平

(蘇州熱工研究院有限公司,江蘇蘇州215004)

大型汽輪發(fā)電機組易突發(fā)低頻振動故障,威脅機組安全運行。通過對近年來我國汽輪機發(fā)電機組軸系低頻振動案例整理總結,歸納分析了低頻振動故障原因、振動特征及變化趨勢。根據分析結果,提出低頻失穩(wěn)故障診斷的依據和預防措施,為今后同類故障的診斷及處理提供技術參考。

汽輪發(fā)電機組；低頻振動；故障原因；振動特征

近年來,隨著汽輪發(fā)電機組參數、容量的迅速發(fā)展,突發(fā)低頻振動事故也隨之增多,影響機組的安全穩(wěn)定運行。低頻振動故障機理及原因復雜,涉及設計、安裝及運行等各方面,增加了故障處理的難度,如張家口2號、楊柳青5號等機組多次突發(fā)大的低頻振動,采取各種措施后仍未徹底解決振動問題［1-2］。通過總結分析過去我國汽輪發(fā)電機組低頻振動事故的典型案例,分析故障的原因特點,可以指導今后的故障處理工作。

1 低頻振動案例

表1匯總近年來國內發(fā)生一些典型低頻振動故障案例,總結歸納事故發(fā)生的原因及處理方法。分析發(fā)現油膜失穩(wěn)及汽流激振引起的自激振動是低頻振動最主要的原因；此外,分數諧波、大不平衡、動靜碰摩及隨機振動也會引起低頻振動。

表1 汽輪發(fā)電機組低頻振動事故分析

表1 (續(xù))

2 低頻振動原因分析

總結分析低頻振動事故案例,常見的故障原因為軸瓦穩(wěn)定性差、軸頸擾動過大及汽流激振力過大等,見圖1。

圖1 汽輪發(fā)電機組低頻振動故障原因分析

2.1 軸瓦穩(wěn)定性差

軸瓦穩(wěn)定性下降將使系統(tǒng)阻尼減小,降低激發(fā)低頻失穩(wěn)的門檻,造成振動突發(fā),是引發(fā)低頻失穩(wěn)最重要的原因。軸瓦穩(wěn)定性差的主要原因有：

(1)軸瓦型式。不同軸承的穩(wěn)定性裕度不同,如可傾瓦高于橢圓瓦,橢圓瓦高于圓筒瓦,穩(wěn)定性最差為三油楔瓦。

(2)軸瓦頂隙過大。頂隙過大會減小軸瓦的偏心率,使軸瓦穩(wěn)定性降低。

(3)軸承座標高變化。機組運行過程中由于機組熱態(tài)中心變化,以及真空度、氫壓、地基不均勻沉降等因素影響,容易導致標高變化。標高變化會影響軸承載荷分配,使某些軸承輕載而導致失穩(wěn)發(fā)生。

(4)軸瓦損傷。軸承油膜對軸瓦和軸頸的型線和光潔度要求非常高,如果軸瓦運行中造成損傷,不能形成正常的油膜,將大大降低油膜阻尼,無法起到遏制失穩(wěn)的作用。

(5)軸承比壓低,長徑比大。軸承比壓是軸瓦單位工作面積上所承受的載荷,比壓高的軸承,軸頸偏心率也大,油膜穩(wěn)定性更高。減小軸瓦長徑比能提高比壓,并使下瓦油膜力減小,增加軸瓦穩(wěn)定性。

(6)潤滑油黏度不合理。潤滑油粘度過高,會降低軸頸在軸承中的偏心率,不利于軸頸穩(wěn)定；油黏度過低將減少油膜的阻尼,對抑制油膜振蕩不利。

2.2 軸頸擾動過大

軸頸擾動過大是引起油膜失穩(wěn)的重要原因之一,也是引起汽流激振、分數諧波振動等低頻振動的重要誘因。引起軸頸擾動過大的原因有不平衡、轉子熱彎曲、不對中等。這些強迫振動故障引起的劇烈振動會使軸承工作條件惡化,成為導致油膜失穩(wěn)的誘因。另外,軸承座剛度過大也會加劇擾動。

2.3 蒸汽激振力

隨著蒸汽參數提高,作用在汽輪機轉子上的激振力也會增大,降低軸系振動穩(wěn)定性,誘發(fā)轉子失穩(wěn)。蒸汽激振力包括葉頂間隙激振力、密封蒸汽激振力和不對稱蒸汽力及力矩,其中由調節(jié)閥進汽方式不對稱引起的蒸汽力和力矩是引起汽流激振最常見的原因。

2.4 動靜碰摩

當機組發(fā)生周向動靜碰摩時,會提高或降低轉子一階固有頻率,并為0.5X頻率,并使軸系在不平衡力的激勵下產生低頻振動。

2.5 大不平衡

常見的大不平衡包括轉子部件脫落或松動、葉片斷裂等。研究發(fā)現,大不平衡實質上總是伴隨著動靜碰摩發(fā)生［3］。軸系振動響應表現出強非線性特性,頻譜含有豐富的分頻、倍頻響應成分。如果大不平衡發(fā)生在靠近失穩(wěn)轉速附近運行的轉子上,振動響應頻譜除基頻分量外,主要表現為對應一階臨界轉速的低頻振動分量［2］。

2.6 隨機振動

隨機振動屬于強迫振動,由激振力頻率決定振動頻率。隨機振動會使振幅測量失真。機組容量增大會使隨機振動振幅顯著增大。引起隨機振動的原因有：流體直接沖擊轉子、管道的隨機振動傳至軸承座或汽缸、松動的大部件和軸頸對軸瓦不穩(wěn)定沖擊等。由于激振力頻帶較寬,易誘發(fā)周圍部件共振,產生明顯有害振動。

2.7 分數諧波振動

引起分數諧波振動的原因主要有：轉子固有頻率接近工作轉速的整數分之一,引起分數諧波共振；軸承阻尼較低；大的振動如不平衡等激發(fā)分數諧波振動。

通過對事故案例統(tǒng)計分析,得出低頻振動故障原因的比率,見圖2。

圖2 引起低頻振動原因分析

3 低頻振動故障特征

當發(fā)生低頻振動故障時,機組振動狀態(tài)會迅速發(fā)生變化。通過分析振動數據,掌握低頻振動特征,有助于判斷故障原因,采取相應措施,避免事故發(fā)生。

3.1 頻率特征

低頻振動中油膜渦動頻率為0.5X,油膜振蕩頻率為轉子一階臨界轉頻,汽流激振低頻成分以接近0.5X為主,嚴重時為轉子一階臨界轉頻［4-5］。機組發(fā)生動靜碰摩、大不平衡及隨機振動引起強烈的非線性振動,也會產生明顯低頻成分［6-8］。實際機組中,因軸頸表面相對軸瓦表面光滑及軸承潤滑油存在端泄,油膜平均渦動頻率會略低于轉子轉速一半,使低頻成分低于0.5X。分數諧波共振由轉子固有頻率決定,為工頻的整數分之一(1/2、1/3、1/4…)。

3.2 時變特征

低頻失穩(wěn)振動的典型特征為突發(fā)性,在故障發(fā)生前振動很穩(wěn)定,當工況變化或擾動增大時突然發(fā)生。振動突增前后變化成分主要為低頻成分,且油膜振蕩及汽流激振低頻成分較油膜渦動更明顯。油膜振蕩和汽流激振穩(wěn)定性差,而發(fā)生油膜渦動時振動則相對穩(wěn)定。低頻失穩(wěn)另一個重要特征是再現性,即在相同工況附近會多次重復發(fā)生。由于振動與擾動相關,因此每次故障工況可能不同,如海門電廠1 000 MW機組調試過程中發(fā)生的兩次油膜渦動故障,分別在定速后5 min和升速過程中突發(fā)［9］。

機組發(fā)生隨機振動時由于振幅測量失真,振幅指示會出現忽大忽小,波動不定,通頻與基頻振幅相差懸殊,大軸偏心值增大且不穩(wěn)定；出現大不平衡故障會出現振動短時間內明顯增大的趨勢(如部件松動),或瞬間急劇增大(如葉片斷裂)；發(fā)生分數諧波振動會急劇增大或減小,極不穩(wěn)定。

圖3、圖4分別為機組油膜失穩(wěn)、汽流激振的振動突變圖［10-11］。

圖3 某390 MW機組油膜振蕩振動趨勢

圖4 某600 MW 機組突發(fā)汽流激振

3.3 其他特征

其他特征包括：

(1)發(fā)生工況。油膜渦動常在升速或運行受擾動時突發(fā),當轉速大于2倍一階臨界轉速時,發(fā)展成油膜振蕩。汽流激振總是在某一門檻負荷附近突發(fā),隨負荷變化明顯；而油膜失穩(wěn)有時敏感于負荷,如因機組熱狀態(tài)變化導致軸承參數改變,進而引起低頻振動,但沒有明顯規(guī)律性,見圖5［12-14］。

圖5 某300 MW機組汽流激振F低頻分量隨負荷變化

由圖5可知：低頻分量振幅與機組負荷變化有明顯的相關性。機組在接近滿負荷時,振動突增,降負荷后,振動也隨之下降,當負荷降至某個點時,低頻分量迅速下降。

(2)振動傳遞性。油膜失穩(wěn)具有傳遞性,即振動首先在某一軸承上出現,然后迅速傳遞到相鄰軸承。

(3)軸心軌跡。軸系發(fā)生失穩(wěn)時,軸心軌跡不再保持規(guī)則的橢圓形,其中油膜失穩(wěn)保持雙橢圓狀,油膜振蕩及汽流激振呈擴散不規(guī)則狀,見圖6［12-14］。

圖6 低頻振動軸心軌跡

由圖6可知：油膜振蕩和汽流激振是非常不規(guī)則的劇烈振動,軸心軌跡沒有規(guī)律可循,而油膜失穩(wěn)則相對溫和,處理起來也較為容易。

(4)高發(fā)部位。油膜振蕩在2倍臨界轉速以上發(fā)生,所以常發(fā)生在發(fā)電機轉子,有時也發(fā)生在穩(wěn)定性很差的軸承上。汽流激振則常發(fā)生在大功率機組高中壓轉子上,因為該處承受蒸汽激振力最大。

(5)雜音。油膜振蕩時潤滑油在軸承間隙內劇烈抖動,軸承箱會發(fā)出異常聲音。

4 低頻失穩(wěn)故障處理

通過常見低頻振動故障原因,分析總結出常見處理措施為：

(1)降低軸頸振動。對油膜失穩(wěn)故障,首先確定軸頸振動是否過大,當擾動過大時應先降低擾動。軸頸擾動由強迫振動引起,應根據故障原因采取相應措施,如動平衡、調整中心等方式降低振動。消除轉子動靜碰摩及管道設計不合理帶來的隨機擾動。

(2)降低汽流激振力。當發(fā)生汽流激振所引起的低頻失穩(wěn)振動時,應降低汽輪激振力,可以采用改變調節(jié)閥開啟順序或重疊度,降低不平衡力和力矩；調整轉子動葉圍帶汽封、隔板汽封及軸封的汽封間隙,防止周向間隙偏差過大；在葉頂和端部汽封等處安裝止渦裝置等。

(3)提高軸瓦穩(wěn)定性。軸瓦穩(wěn)定性提高,系統(tǒng)阻尼增大,能增強對激振力擾動的抑制,降低發(fā)生汽流激振的可能性。可以采用提高潤滑油溫；更換穩(wěn)定性更高軸承型式；調整軸瓦頂隙及軸承座標高；消除軸瓦自身缺陷；防止軸封漏氣,導致軸承座受熱不均而標高變化；減少軸瓦長徑比,提高軸承比壓等。

(4)緊固轉子活動部件及聯軸器螺栓,防止聯軸器螺栓及轉子平衡塊、轉子線圈墊塊松動,防止中心孔堵頭脫落及低壓轉子末級葉片斷裂飛脫等。

5 故障預防措施

通過整理分析,預防故障的主要措施有：

(1)設計階段。采用提高汽輪機轉子臨界轉速,改進汽封結構間隙,在汽封處安裝止渦裝置,選用穩(wěn)定性更高的軸承,改變軸系布置等方式提高軸系穩(wěn)定性。

(2)安裝或檢修時。嚴格按規(guī)程控制軸瓦頂隙、汽封、葉頂間隙,合理調整軸承座標高,提高軸承比壓,檢查轉子對中狀態(tài)等避免軸瓦穩(wěn)定性下降或使擾動增大。緊固轉子活動部件及聯軸器螺栓。

(3)運行中。控制振動水平,防止軸頸擾動過大和汽流激振力過大,選擇最佳調節(jié)閥運行方式。當機組存在碰摩、熱彎曲、不對中等強迫振動故障時,應立即處理。對易發(fā)生汽流激振的機組,采用節(jié)流調節(jié)全周進汽和變壓運行。提高潤滑油溫,降低潤滑油黏度。防止高負荷時軸承標高在熱態(tài)下發(fā)生改變。

6 結語

筆者通過汽輪發(fā)電機組低頻振動案例,總結分析了故障原因、振動特征及有效的處理措施。當機組突發(fā)低頻振動故障時,應首先辨明故障原因,隨后采取相應的解決措施,以確保機組安全運行。

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Cause Analysis of Low-frequency Vibration in Turbo-Generator Sets

Chen Songping
(Suzhou Nuclear Power Research Institute,Suzhou 215004,Jiangsu Province,China)

Low-frequency vibration is a common vibration fault in large turbo-generator sets, threatening the safe operation of the units.By analyzing the low-frequency vibration cases of domestic turbo-generator sets in recent years,the reasons,features and variation tendency of low-frequency vibration faults are summarized,and subsequently corresponding diagnosis criteria and preventative measures are suggested,which may serve as a reference for diagnosis and treatment of similar faults.

turbo-generator set；low-frequency vibration；fault cause；vibration feature

TK268.1

A

1671-086X(2015)03-0200-05

2014-07-14

陳松平(1986-),男,工程師,主要從事電站設備管理與工程改造工作。

E-mail：songping08@163.com