探析汽輪機本體常見故障及處理對策

余弦斐

（貴州黔桂發電有限責任公司 貴州盤縣 553531）

探析汽輪機本體常見故障及處理對策

余弦斐

（貴州黔桂發電有限責任公司 貴州盤縣 553531）

火力發電廠汽輪機運維管理至關重要，汽輪機本體作為故障高發部位，要加強故障診斷與處理，以提升機組運行質量。本文介紹了汽輪機工作原理與結構，以轉子不平衡為例探討了汽輪機本體常見故障及處理對策，希望能為汽輪機故障檢修排除提供參考。

汽輪機；本體；故障；診斷；對策

汽輪機作為火力發電廠運行中不必可少的大型設備，其工作運轉質量、效率直接關系到電廠正常生產與運行，關系到設備運行人員的安全，關系到企業生產效益，做好火電廠汽輪機的管理與檢修至關重要。日常運行生產中汽輪機本體較常發生各類故障，針對各類故障的表現、性質應職稱外語用針對性處理對策予以解決，是確保火力發電廠汽輪機設備順利運行的關鍵。

1 汽輪機工作原理與結構

1.1 工作原理

汽輪機本身是一種基于蒸汽動力做功的旋轉式熱力原動機，具有高效率、大功率、損耗低、運行安全等諸多優勢，運行中振動小、噪音小，調速方便，且機體本身結構簡單運行維護難度小，因此備受火力發電廠青睞。

汽輪機通過轉化蒸汽熱能獲得機械能，汽輪機運行中，蒸汽通過環形噴嘴、動葉等配置實現能量轉化，從而完成做功活動，目前較常使用的汽輪機主要以沖動式、反動式為主。沖動式汽輪機運行中蒸汽在噴嘴中膨脹后壓力、速度發生變化完成動能轉化，其中高速汽流經過動葉片時方向改變實現旋轉做功。反動式汽輪機通過葉輪前后壓力差在轉子上產生軸向推力，配合轉子前部的平衡活塞、聯絡管等實現轉子軸向推力平衡。

1.2 結構

汽輪機主要結構以汽輪機本體、調節保安裝置、輔助設備三部分為主（見圖1）。汽輪機本體主要由靜體（即固定部分，汽缸、噴嘴、隔板、汽封等）、轉子（轉動部分如軸、葉輪、葉片等）、軸承（支承部分）構成。以關鍵部位轉子為例，其是汽輪機本體所有可轉動部件的組合體，以主軸、葉輪、葉片等部件為主，轉子在汽輪機運行過程中受到高溫高壓蒸汽作用，高速狀態下受離心力、振動等狀態影響，較容易出現故障（如圖2）。

2 汽輪機本體常見故障及處理對策

2.1 汽輪機本體故障診斷

汽輪機本體的故障診斷要按照診斷對象、信息采集、分析處理、故障診斷、治理解決這一順序進行，掌握汽輪機運行狀態、故障表現，確定設備可靠性，明確整體或者局部異常，對故障原因、性質等進行識別，從而為進行具體解決提供支持。汽輪機本體目前常見故障主要以振動、動靜摩擦、轉子裂紋、軸承潤滑渦動與振動為主，其中轉子不平衡、轉子不對中、動靜摩擦、轉子裂紋、亞異步振動等常見故障發生率高達95％以上，對這些故障進行準確的鑒別、診斷是做好故障處理的關鍵。

目前常用故障診斷方法以狀態模型辨識法、統計診斷法、模糊診斷法、灰色模型關聯分析法、人工神經網絡診斷法、分形幾何診斷法等為主，不同診斷方法效果、優勢各自不一。

圖1 汽輪機結構圖

圖2 汽輪機轉子結構圖

2.2 轉子不平衡故障診斷與處理

汽輪機轉子振動有相應標準，主要以軸承振動位移峰峰值為評定標準，轉子振動烈度計算公式表述如下：

式中：ω1、ω2、ωn等代表非簡諧振動的各個角頻率，v1、v2、vn代表相應角頻率下的振動速度值，A1、A2、An代表相應角頻率下的振動位移峰值。利用這個公式可計算出汽輪機轉子軸振動的位移峰峰值，考慮到汽輪機機組轉子的振動測量以軸承座入手，振動要通過油膜傳到軸承座，對振動峰值的測定必然會受到油膜剛度、軸承剛度的影響，因此直接測量的轉軸的振動值能夠更加反應振動實質，要根據汽輪機組實際情況酌情選擇合適測量方式以判斷故障性質。

以轉子常見故障轉子不平衡為例進行分析，不平衡故障的出現主要是由于轉子部件缺損或者轉子質量偏心導致，質量偏心是由于制造失誤、裝配誤差、材質不均勻等因素導致，被稱為初始不平衡，部件缺損則是運行過程中轉子磨損、破壞、零部件脫落等原因導致，被稱之為新的轉子不平衡。不平衡故障主要特征為振動時域波形為正弦波，頻譜圖中諧波能量集中于基頻，當Ω＜ωn時振幅隨著Ω的增大而增大，Ω＞ωn時振幅逐漸趨于較小的穩定值，Ω越接近于ωn時越容易發生共振，振幅達到最大峰值。

轉子振動的強烈程度對工作轉速變化較為敏感，質量偏心會導致矢量域始終穩定在某一個允許的范圍內。轉子不平衡故障的診斷可采用局部均值分解法或者經驗模態分解法等，以結果為診斷依據判斷不平衡的發生原因，比如轉子旋轉幾何體行裝不對稱或者重心不再旋轉軸線上，轉子內部或外部加工不當導致質量分布不均，轉軸上零件配合面粗糙或者配合過松，軸上轉動部件有配合間隙，材料有氣孔、變形、磨損、厚度不均、焊接不當等缺陷，轉子加工與裝配有誤差，或者動平衡方法不對等，以上這些都可能造成轉子不平衡，要結合診斷數據進行排除，并最終確定故障性質與根源解決問題。

2.3 故障實例處理對策

某火力發電廠汽輪機工作轉速3000r/min，額定電流1375a，頻率50Hz，汽輪機為單缸、沖動、雙抽、凝汽式汽輪機，轉子與發電機轉子分別用兩道軸承支撐，剛性聯軸器鏈接。該汽輪機使用一段后2#、3#軸瓦振動超標，且不斷惡化，推力瓦溫度明顯增高，嚴重威脅機組安全運行，通過采取降負荷運行有所改善。

通過仔細監測振動情況對機組升速過程進行測試，以波德圖觀察轉速與轉動之間的關系，轉子存在的原始一階不平衡量較小，隨后進行并網帶負荷運行，隨著負荷的增大振動最高達到97μm，且工頻震動增加，3#、4#在這一過程中也有上升趨勢，穩定負荷運行中振動在93～97μm之間變化。最大符合條件下，對汽輪機的振動數據進行采集并觀察對照，結果發現2#軸瓦垂直方向振動較大，3#軸瓦水平方向振動較大，判斷機組振動為一倍頻振動加少量二倍頻振動，分析其故障原因可能為轉子彎曲（或暫時彎曲）、轉子初始不平衡、部件脫落等。對汽輪機轉子進行快速停機減負荷實驗以確定是否存在熱變形，結果發現振動無突變，排除轉子熱彎曲可能，同時2#、3#振動仍然超標，故障可定性為轉子質量不平衡問題。在確定問題之后，在不拆汽輪機外缸的情況下可應用計算軟件獲得轉子靠近3#瓦側配重數據，通過多次數據計算檢驗獲得最佳配重，處理完畢后還要按照檢修前的測點位置應用相同傳感器、儀表儀器等進行振動二次測量，根據測量結果表現確定問題是否解決，并在初期運行時做振動監測，以確保汽輪機完全恢復良好運行狀態，故障徹底解決。

3 結束語

綜上所述，火力發電廠汽輪機運行直接關系到安全生產與經濟效益目標的實現，汽輪機本體作為故障頻發的重點部位，要做好故障診斷、檢修與排除，提升設備運維質量、減少故障損失，確保火力發電廠汽輪機組的正常運行。

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TM621

A

1004-7344（2016）02-0226-02

2015-12-28

余弦斐（1982-），男，漢族，四川樂山人，助理工程師，大專，主要從事工作和研究方向是火電發電廠汽機檢修方面。