火電廠汽輪發電機組振動的分析和診斷

余德雷　王偉

摘 要：在發電廠設備故障中汽輪機組震動異常是其中一種較為常見的情況。在發電廠生產運行中對汽輪機異常振動進行分析十分必要，因為其故障原因先對較多，且難以確定具體原因。故為電力檢修部門提供基礎分析的依據也十分重要，只有查明原因才能對癥維修。

關鍵詞：汽輪發電機組；異常振動；影響因素

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.147

很多因素會導致汽輪機組軸承出現振動過大或者異常的現象，以下面將從幾個不同的方面分析汽輪機震動故障原因。

1 汽輪發電機組設計制造因素

在正常運行狀態下，汽輪機將原動機的蒸汽動力變成機械功率，轉子在力矩的作用下高速旋轉。對汽輪機轉子進行受力分析，若轉子轉軸中心和質量中心點不處于同一位置，轉子會到一個力矩的作用，進而產生離心偏向力。在汽輪機組穩定性設計中導致機組振動很大程度上是由該離心力對轉軸中心的激振力引起的，當離心力的幅值超過某一限定值時，轉軸異常振動的現象就無法避免。因此，在汽輪機轉子裝配過程中，轉子的不平衡量必須限定在標準范圍內。裝配各級葉片都應該校對葉片動平衡性能。而轉子整體的低速動態平衡模型試驗工作應該在汽輪機全部裝配完成后進行。同理，高速動態平衡實驗也是如此。

在發電設備制造過程中，有兩點原因會直接導致汽輪機轉子偏心距過大，分別是工業機床制造精度相對較低和生產線裝配水平薄弱。在發電廠故障發生時，如果可以針對在原始設計上不足且備案注明的部件先行檢查，這會對恢復生產運行節省大量時間，故對于轉子軸承原始設計有不足的汽輪機組，故障點的備案和記錄工作是十分必要的。以東風汽車生產的600MW汽輪機組為例，我們選取三缸兩排氣式設計的汽輪機，其低壓軸承在標況下使用過程中會有約6到7絲的振動，如果低壓軸的封供汽環境條件發生改變，其溫度上升達到120-130度之間，則可降至4絲的振動。當負荷增加時，轉軸振動程度會加劇，保持一段時間穩定后逐步下降。此時再次改變低壓軸的封供汽條件，提高測量溫度超過150度以后，振動程度會增加。在東汽的汽輪機案例中，可以總結出汽輪機組的振動主要發生在低壓軸上，原因是排汽缸壓應力耐受性能較差，而低壓軸的軸承座恰好位于這一位置，工作環境溫度的影響較大，導致軸承的標高改變。針對此種故障，要加固軸承座的支撐強度，確定低壓軸標高的溫度系數對設計具有重要意義。

2 設備安裝和檢修因素

在發電廠日常運行中，安裝和檢修操作是不可缺少的兩項，而操作不當是汽輪機組軸承的振動異常的一個重要原因。在汽輪發電機組設備安裝和檢過程中，操作規范對設備正常工作有著很大影響，以下將分別介紹安裝檢修過程中的重點問題。

2.1 軸承的機械特性

軸承的機械特性包括三點，分別是連接的剛度、頂隙還有軸瓦所受的緊力。軸承剛度是由軸承的連接情況所決定的，如果軸承鑄造剛度不夠，則受到相同的激振力時，會造成相對較高的軸承振動，故各連接螺栓必須擰緊。則在某些相關因素的干擾下，考驗的是軸承自身穩定性能，若果性能較差汽輪機機組極易發生振動過大的現象。

2.2 軸承自身特性

機組振動的來源之一是軸承本身帶有的特有屬性，而其中起到決定性作用的是軸瓦的緊力，連接剛度等。假如機組發生源于非內部因素的作用下，發生振動超出指標的限定值，那么很有可能是軸承的穩定性不夠。對軸承的穩定性起著決定性因素的是軸瓦緊力和頂隙。在工作現場，經常發生的振動現象的起因之一是因為未擰緊的螺栓，螺栓的未擰緊狀態將導致軸承的連接狀態不理想，進而造成軸承的剛度不達標。不同剛度的軸承在受到相同大小的激振力的作用下，剛度弱的軸承會有更大的振動現象，因為工作人員需要對擰緊螺栓有足夠的重視。

2.3 機組中心

汽流以及電磁的激振，亦或是機組內部動靜部件的摩擦碰撞很可能是由于同心度（源于動靜部件）與正常值的偏離太多的造成的。當工作人員對圓周及端面中心數據進行各種非常精準的設置，然而完成連接之后，依然會存軸系的不同心，亦或是不平直的結果。其原因在于各種部件的不同心現象，諸如聯軸器法蘭外圓的圓心與軸頸的圓心并不處于同一點上。機組的振動現象還可能源于旋轉運動中的轉子，這是因為有激振力的作用（來源于軸系的不同心或者不平直）。

2.4 滑銷系統

當工作人員對機組進行檢修或者安裝時，滑銷系統的非正常工作狀態導致汽輪機或者發電機的不能正常工作運行的狀況是需要慎重對待的。其原因在于該系統的卡澀將導致機組向外擴張的狀態遭受制約，而這一原因將造成汽輪機或者發電機的振動指標不合格的不良結果，甚至無法正常開機，亦或是在機組內部的動靜部件之間產生摩擦碰撞，這將致使機組遭受更深層次的損壞。

2.5 動靜間隙

不論是汽輪機內的效率，還是發電機的效率都與其內部動靜部件之間的間隙有關。汽輪機轉子與氣缸或者是汽輪機與軸封之間的間隙太大都會造成汽輪機效率降低，后者主要是因為內外的氣體方向泄露。而發電機的定子與轉子之間的間隙需要控制在合適的范圍內，太大會造成效率的降低，太小又會使定轉子之間摩擦碰撞，使得機組的振動指標不合格。因此在實際工作中，合理設置上述的間隙距離有著非常重要的意義。

3 運行方面

3.1 機組膨脹

依據此前章節中所述，為了有效引導機組正常運行，我們引入滑銷系統，其可以抑制汽輪機組的膨脹自由度。如果沒有滑銷系統運行不暢，則發電機組會產生振動異常的現象。如果發電廠工作人員操作不當，機組受熱膨脹無法被正常引導的現象會出現在汽輪機日常運行中。例如汽輪機從冷態開始逐步啟動過程中，機組要完成暖機操作并逐步增加負荷。如果在轉子升速過快或者暖機不充分，則設備各組成部分的受熱膨脹不同。出現這種情況，熱應力會產生的汽輪機的不同組件之間，進而造成設備使用壽命降低，造成汽輪機組機械損傷；其次，不同組件見的膨脹差一旦過大會對正常開機和汽輪機安全運行造成影響。此外，另一種常見的汽輪機組震動故障是動靜碰磨，造成的原因是開機未能使汽輪機充分膨脹。

3.2 汽流激振

在汽輪機中，當不均衡的氣體對葉片產生猛烈撞擊，這就會造成汽流激振；當機組的末級長度達到一定長度，源于膨脹末端的流道紊亂也是造成這一現象的可能因素之一，不過這種情況多發生于大型機組；最后一種來源是軸封上。汽輪機組中的這一現象帶來的困擾表現在：當進行故障分析的時候，需要研究人員花費較長的時間（這可能長達一年之久）以記錄機組多組相關數據（振動以及滿負荷），在這基礎上制圖分析。然后采用改變負荷速率的方法，對水量進行記錄，并曲線進行對比分析。為了使氣流激振不存在，一般采用改變高壓調速氣門重調。換而言之，就是使汽輪機運行在不產生氣流激振的的負荷范圍內，同時減小負荷的變化率。

3.3 潤滑油溫

軸頸的穩定性越高，這意味著機組抵御迫使振動的干擾因素能力越強。然而轉子的穩定性將受到其表面潤滑油油膜狀態的影響。然而油膜的形成主要受到兩方面因素的作用：第一是潤滑油自身的溫度，第二是軸承烏金。一個合理的油溫范圍對油膜的形成有著重要意義。

3.4 轉子熱變形

在很多情況下，當機組從冷態啟動，并進入定轉速，拖動負載的時候，伴隨著轉子的溫度將階段性地提高，源于轉子內部的應力會造成其形狀的改變，這將造成一倍頻振動從幅值和與相位兩方面的改變。這就能解釋轉子溫度與蒸汽參數對一倍頻振動的影響。轉子不論是的永久性的，還是短時性的形變，都和轉子質量偏心，有著相同的產生故障的原因，均會形成旋轉的激振力使軸的兩端進行錐形的運動，這將造成50Hz的軸向振動。此外，在某一轉速下，轉子的振動幅度會小幅度的轉弱，即從波形圖上可以看到一個凹型的變化，這是彈力與離心力的相位不同步，帶來了在總振幅上的削弱表現，從這可以看出其與不平衡轉子動力特性的區別。彈力小于離心力的作用時，凹點出現時對應的轉速低于臨界轉速，反之，這一現象發生時的轉速將大于臨界轉速。對于這一原因造成的故障，只需要用好的轉子換下變形的，就能消除異常振動。

3.5 發電機轉子電流

機組的振動變化還和轉子的電流有著必不可分的關系，由于轉子上有電阻，電流流過時，電阻將電能轉化為內能，使得轉子溫度升高，并且產生形變。這種形變促使不平衡質量分布產生的力矩發生變化，進而帶來發電機的振動變化；即使冷態下轉子質量平衡有著相對好的狀態，轉子本身不平衡的膨脹也會造成動態的質量失衡，但是這種不平衡狀態隨著機組恢復到冷態，它也就不存在了。而當轉子發生短路故障的時候，此時轉子上的電流增大，這會產生更多的熱量，造成轉子較大的形變，這與發生于別處的膨脹形變有所不同，并帶來動態的質量失衡。

4 結論

異常振動是汽輪機在工作中難以回避的故障。倉促地對發電機進行拆解檢查并不是一種有效的故障排查手段。第一步應該從故障特征入手，確定故障點，然后根據發電機的維修記錄，進一步了解故障點周圍的組件的情況。由于剛進行過維護的部件相對其他部件擁有較低的故障率，所以在查閱維修記錄的時候，發現故障點是剛維護保養過的，就應該對之前的判斷進行再一次的檢查，這一點是檢修人員需要極為注意的。這就要求工作人員積累更為深厚的經驗，其次企業管理者需要加強員工相關專業技能的培養，這不僅對員工的職業素養有著極為重要提升，而且對員工高效工作也是至關重要的。

作者簡介：余德雷（1984-），男，湖北咸寧人，本科。