淺談火電廠汽輪機振動故障排查及分析

孟新峰

摘 要：汽輪機組的異常振動是汽輪機常見故障中較為復雜的一種故障，由于機組的振動往往受多方面的影響，只要跟機本體有關的任何一個設備或介質都會是機組振動的原因。本文從進汽參數、疏水、油溫、油質、等方面進行了分析研究，提出了火電廠汽輪機的常見振動故障的排查及分析方法。

關鍵詞：汽輪機 振動故障 排查處理

1 、火電廠汽輪機發展概述

火力發電是現代社會電力發展的主力軍，火力發電站是將熱能轉換為電力的發電廠，主要設備為汽輪機，汽輪機由是蒸汽驅動的、水被加熱、變成蒸汽來旋轉驅動發電機的蒸汽汽輪機。在通過汽輪機之后，蒸汽在冷凝器中冷凝并且再循環到其被加熱的地方，這被稱為朗肯循環。火力發電站設計的最大特點是化石燃料在這里占主導地位，某些火力發電廠還被設計為產生用于工業目的的熱能，以用于區域供熱或水的脫鹽以及產生電力?；茉唇洺Ｔ谌細廨啓C以及鍋爐中燃燒，來自燃氣汽輪機的廢熱以熱廢氣的形式可以用于通過使該氣體通過熱回收蒸汽發生器（HRSG）來產生蒸汽，然后蒸汽被用于在聯合循環中驅動蒸汽汽輪機提高整體效率。電站通常大規模構造并且設計用于連續操作，幾乎所有的電力發電廠都使用三相發電機來產生頻率為50Hz或60Hz的交流電（AC）電力。大公司或機構可能有自己的發電廠為他們的設施供熱或供電，特別是如果蒸汽用于其他目的。蒸汽驅動的汽輪機驅動發電機，該發電機為用于推進的電動機提供動力。通常稱為聯合發電廠的聯合熱電廠產生用于過程熱或空間加熱的電功率和熱量。傳統火力發電站的能源效率，被認為可銷售能源產生的燃料消耗的熱值的百分比通常為33%至48%。與所有熱力發動機一樣，它們的效率有限，并受熱力學定律支配。在功率生產中未使用的熱量的能量必須以對于環境的熱的形式離開設備。這種廢熱可以通過冷凝器并與冷卻水一起或在冷卻塔中處理。如果廢熱用于區域供熱，則稱為熱電聯產。正在研究的一些先進反應器設計，例如非常高溫的反應器，先進的氣冷反應器和超臨界水反應器，將在類似于當前煤廠的溫度和壓力下操作，產生相當高的熱力學效率。

火電廠汽輪機控制系統在生產過程中的作用非常重要，但是其在運行中往往會出現一些故障，對其進行應急處理，并做好預防措施就顯得非常重要。通過對火電廠汽輪機控制系統中比較常見的一些故障進行分析，總結提出了一些故障的處理方法和預防措施，以供相關電廠來作為提高汽輪機控制系統穩定性、安全性和可靠性的參考。

2、 火電廠汽輪機的振動故障

2.1 油膜振蕩

通常情況下，油膜振蕩多發生在發電機組啟動提速階段，而該振動故障產生的原因是軸承油膜上發動機轉子在進行高速旋轉，在旋轉過程中轉子會受到一定的載荷作用，并對其運行的穩定性造成一定的破壞。在正常情況下，軸承油膜上的發動機轉子是一直處于穩定運行的，且轉軸以軸線為中心進行高速旋轉，一旦其穩定性遭到破壞，那么軸頸轉速也會隨之增加。由于蒸汽回路和所用材料中使用的高壓，蒸汽汽輪機及其殼體具有高的熱慣性。當預熱蒸汽汽輪機以供使用時，主蒸汽停止閥（在鍋爐之后）具有旁路管線，以允許過熱蒸汽緩慢地旁通閥門，并且與蒸汽汽輪機一起繼續加熱系統中的管線。此外，當沒有蒸汽時，接合轉動齒輪以使汽輪機緩慢旋轉，以確保均勻加熱，從而防止不均勻膨脹。在首先通過旋轉齒輪旋轉汽輪機之后，允許轉子采取直線平面的時間，然后旋轉齒輪脫離接合，并且蒸汽進入汽輪機，首先到達后退葉片，然后緩慢地到達前葉片以10-15RPM旋轉汽輪機以使汽輪機緩慢加熱，大型蒸汽輪機的預熱程序可能超過十小時。這樣一來，會使得軸承和轉子之間的摩擦耗能增加，使得軸系臨界轉速減慢，油膜壓力增加，最終導致汽輪機油膜振蕩故障產生，并對整個發動機機組運行穩定性造成影響。

2.2 氣流激振

一般情況下，汽輪機組中的高中壓轉子是發生汽流激振的主要部件。其原因是汽輪機內流中的蒸汽會發生一定程度的膨脹，這樣一來，一方面會使高中壓轉子產生切向力轉矩，另一方面還會產生一個從高壓端到低壓端的軸向力。過熱蒸汽或飽和蒸汽在高溫和高壓下離開鍋爐，在進入汽輪機時，蒸汽通過噴嘴和脈沖式汽輪機中的固定噴嘴或反應式汽輪機中的固定葉片獲得動能。當蒸汽離開噴嘴時，其以高速朝向渦輪轉子的葉片移動。由于葉片上的蒸氣的壓力導致葉片移動，因此在葉片上產生力。發電機或其他這樣的裝置可以放置在軸上，并且可以存儲和使用在蒸汽中的能量。渦輪機的內部包括若干組葉片或輪葉， 一組固定葉片連接到殼體，一組旋轉葉片連接到軸。該組與某些最小間隙相互嚙合，其中尺寸和構造變化以有效地利用每個階段的蒸汽膨脹。蒸汽作為飽和蒸氣以比其進入的溫度和壓力低的溫度離開汽輪機，并且被送到冷凝器以被冷卻。在這兩種作用下高中壓轉子的葉片會在不均勻汽流的沖擊作用下使汽輪機轉子發生汽流激振這一故障，工作狀況如表1.

2.3 摩擦振動

在長時間運行狀態下，汽輪機轉動部分如葉柵、葉輪主軸等會在外力和高溫條件等作用下產生一定的熱彎曲故障，進而對轉動部分原來的穩定狀態造成一定的破壞，最終產生摩擦振動故障。在正常操作期間，轉子不平衡可能導致振動，由于高旋轉速度，這可能導致葉片從轉子和通過殼體脫離。為了降低這種風險，需要大量的時間來平衡汽輪機。此外，汽輪機使用高質量蒸汽運行，包括過熱蒸汽或飽和蒸汽，這防止了當冷凝水噴射到葉片上時發生的葉片的快速沖擊和侵蝕。此外，進入葉片的液態水可能損壞汽輪機軸的推力軸承。為了防止這種情況，連同鍋爐中的控制器和擋板以確保高質量的蒸汽，冷凝物排出管安裝在通向汽輪機的蒸汽管道中。為了最大化渦輪機效率，蒸汽在多個階段中膨脹做功。這些階段的特征在于如何從它們中提取能量，并且被稱為脈沖摩擦渦輪機。大多數蒸汽輪機使用反應和沖擊設計的混合，整個渦輪機結合使用兩者。在這種情況下，汽輪機振動信號仍保持在工頻狀態，但是在轉子以及其他因素的作用下會經常發生分頻、倍頻以及高頻分量的現象，甚至有時還會有波形削頂這一異?，F象的發生。另外，汽輪機轉子產生摩擦振動故障情況下，其振動頻率和幅值存在波動的基本特征，一旦這種故障存在時間過長，那么將會導致渦動現象的發生。

3 、振動故障的影響因素及排查

3.1 影響因素

3.1.1 燃料設備

燃料準備系統用于將煤輸送到發電廠的輸送系統在燃煤發電站中，來自儲煤區的原料煤首先被壓碎成小塊，然后輸送到鍋爐，接著將煤粉碎成非常細的粉末。減速齒輪減速機是用于在停機后以非常低的速度旋轉渦輪發電機軸的機構，當其完全停止時，如果允許渦輪軸保持在一個位置過長，則存在渦輪軸偏轉或彎曲的趨勢。這是因為汽輪機殼體內部的熱傾向于集中在殼體的上半部分中，使得軸的上半部分比下半部分更熱。油系統輔助油系統泵用于在蒸汽渦輪發電機的啟動時供應油，它提供蒸汽輪機主進汽閥、控制控制閥、軸承和密封油系統，相關液壓繼電器等機械所需的液壓油系統。在啟動期間汽輪機的預設速度下，由汽輪機主軸驅動的泵接管輔助系統的功能。使用在油密封的殼體中的氫氣冷卻，因為它具有任何氣體的最高已知傳熱系數和其低粘度，這降低了風阻損失。發電機高壓系統現代實用連接發電機的發電機電壓范圍從較小單位11 kV到較大單位30 kV。發電機高壓引線通常是大型鋁通道，因為與用于較小機器中的電纜相比它們的電流高。它們被封裝在良好接地的鋁母線管道中并且被支撐在合適的絕緣體上。發電機高壓引線連接到升壓變壓器，用于連接到高壓變電站，以便由本地電網進一步傳輸。高壓導線包括必要的保護和計量裝置。因此，蒸汽渦輪發電機和變壓器形成一個單元。較小的單元可以共享具有單獨的斷路器的公共發電機升壓變壓器，以將發電機連接到公共總線，主要需要考慮的設備參數如圖2.

3.1.2 電力設備

汽輪發電機轉子是一個高速旋轉的機械，如果轉子的質心與旋轉中心不重合則會因為轉子的不平衡而產生一個離心力，這個離心力會對軸承產生一個激振力而使之引起機組振動，如果這個離心力過大，則機組的振動就會異常。所以，汽輪發電機轉子在裝配時每裝配一級葉片都應該對該級葉片進行動平衡試驗，整個轉子裝配完成后在出廠之前還應該對整個轉子進行低速和高速動平衡，以確保轉子的不平衡量在一個合格的范圍內。當機組的膨脹不充分時，極易引起機組的動靜碰磨而產生振動。潤滑油在軸瓦內形成的油膜如何又是影響轉子穩定性的一個重要影響因素，油膜的形成除了與軸承烏金有關外，還有一個重要因素就是潤滑油油溫，潤滑油油溫應該在一個合理的范圍內，過高過低都對油膜的形成不利。

具有調速器的汽輪機的控制是必要的，因為汽輪機需要緩慢地運轉以防止損壞，并且一些應用（例如產生交流電）需要精確的速度控制。渦輪轉子的不受控速度可導致超速跳閘，這導致控制到渦輪的蒸汽流的調節器和節流閥關閉。如果這些閥失效，則汽輪機可以繼續加速，直到其分裂，通常有是災難性的后果。汽輪機制造昂貴，需要精密制造和特殊質量的材料。在與電網同步的正常操作期間，發電廠需要實現智能控制，這意味著滿載速度為100%，空載速度為105%。這是網絡的穩定操作所需的，而不需要發電廠的過載運行。通常速度的變化很小，通過增加離心調速器上的彈簧壓力來緩慢地升高曲線來進行功率輸出的調節，這是所有電廠的基本系統要求，因為電廠必須響應于頻率的瞬時變化而兼容，而不依賴于外部通信。

3.2 排查方法

轉子質量不平衡的一般特征：最關鍵的特征是穩定的工頻振動在整個信號中占主要成分。汽輪發電機組轉子的質量不平衡產生的原因有三個：原始不平衡；轉動過程中的部件飛脫、松動；轉子的熱彎曲。其中原始不平衡是主要原因。 在汽輪機中，轉子葉片本身布置成形成會聚噴嘴 這種類型的渦輪利用當蒸汽通過由轉子形成的噴嘴加速時產生的反作用力。蒸汽通過定子的固定葉片被引導到轉子上。 其作為填充轉子的整個圓周的射流離開定子。 然后蒸汽改變方向并相對于葉片的速度增加其速度。壓降發生在定子和轉子兩者上，蒸汽通過定子加速并且通過轉子減速，沒有跨過級的蒸汽速度的凈變化，但是壓力和溫度兩者都減小，反映了在驅動轉子的能力上。

轉子熱彎曲引起的質量不平衡的主要特征是工頻振動隨時間的變化。轉子熱彎曲產生的原因：新機轉子的熱彎曲一般來自材質熱應力。只要沒有使轉子發生永久塑性變形，這類熱彎曲都是可以恢復的，引起熱彎曲的根源消除后，工頻振動大的現象也會隨之自行消失。汽輪機具有固定的噴嘴，其將蒸汽流定向成高速噴射。這些射流包含顯著的動能，當蒸汽射流改變方向時，這些動能通過桶狀形狀的轉子葉片轉換成軸旋轉。壓降僅在固定葉片上發生，跨過載物臺的蒸汽速度凈增加。 當蒸汽流過噴嘴時，其壓力從入口壓力下降到出口壓力，由于這種高的蒸汽膨脹比，蒸汽以非常高的速度離開噴嘴，離開動葉片的蒸汽在離開噴嘴時具有蒸汽的最大速度的大部分。

在傳統火電設備的監測與維護中，程序較為復雜，需要定期進行停電校驗，通過較大的整定工作量來修改遠方參數。傳統火電站的二次設備較多且較為笨重難以移動，組件復雜，調壓能力較差，對自動裝置的整定工作控制力較差。采用固定的模式進行傳統火電站配置，靈活度較低，二次設備通過較多的電纜和空觸點來進行連接。系統功能較為單一，主要包括監視和保護，通過模擬信號來交換通訊信息，模擬信號占用空間較大，造成信息控制困難、效率低下，同時安全性也大打折扣。另外，成本較高，改變接線困難度高，小部分改動就可能引起大規模的接線修改。隨著現代機組動靜間隙變小，碰摩的可能性隨之增加。碰摩的診斷是目前具有一定難度的主要振動故障。每年全國都會有幾臺大機組發生動靜碰摩而出現大振動，但在處理過程中卻往往要走彎路。需要進行多次開機，平衡加重或支撐加固，為此延誤數周已是常事。最終開缸檢查，方發現汽封或通流部分已嚴重摩擦。碰摩原因：轉軸振動過大。

4、 總結與展望

人民生活離不開高效的電力生產，本文建立在火電廠汽輪機維護基礎上的故障分析方案，通過對汽輪機維護的定義和一般故障特征的分析，將火電廠汽輪機維護與故障排查處理方案進行了綜述與闡明，將其應用進行了討論與分析說明。隨著火電廠汽輪機維護技術的發展，我國火力發電也將不斷進步。由此也可以看出，傳統的火力發電模式已經不再適合大功率電力的提供與建設。優化活力發電方案是火力發電企業順利建設和正常運作的一項極為關鍵的組成部分，在確保且提升總體運作效果與工作效能方面，具備極為重要的推動作用?；鹆Πl電的高效與智能化是一條光明而曲折的路，在這條路上會出現很多難題與挑戰，這個任務長期而又艱巨，需要結合實際生產經驗，不斷地進行總結歸納。為實現自身的長遠發展而進行大膽革新，利用創新思維進行現代化建設，大踏步地走向高效安全的火力發電目標。

參考文獻

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