發電廠汽輪機典型振動故障分析

董偉光

摘 要：在各種可再生能源發電類型中，生物質能電廠是最具有產業化和規模化前景的發電方式，所以需要對生物質能電廠汽輪機的運行保持密切關注，對其典型的振動故障進行分析總結。本文針對目前電廠汽輪機的幾種典型振動故障進行了分析，說明了振動故障的成因、特點及解決方案，并進行了案例說明，可以為類似振動故障的解決提供參考。

關鍵詞：發電廠；汽輪機；典型振動故障；動不平衡；故障分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.154

1 引言

目前我國發電的主要形式為汽輪機帶動發電機進行發電，并且在可以預見的時期內還將是主要發電形式。在各種可再生能源發電類型中，生物質能電廠是最具有產業化和規模化前景的發電方式，其燃料來源廣泛、可靠性高、持續性好，并且可以減少二氧化碳排放。但是不同于常規大型發電機組的汽輪機，應用于生物質能電廠的汽輪機有其自身特點的運行方式，所以也需要針對其自身情況來分析其典型振動故障，為汽輪機的安全運行提供各種數據支撐。

2 典型故障分析

2.1 轉子質量不平衡故障

（1）故障說明：這種故障是發電機組中最常見的故障，占比高達80%左右。在工程實際中，由于多種原因，比如材料不均勻以及設計、制造與安裝導致的偏差，使得轉子的慣性主軸和旋轉軸線存在一定的偏差，由此會產生一個離心力。當轉速不變時，此離心力的大小將與轉子的質量和偏心距的乘積成正比，稱之為不平衡量，見公式1。主要分為由原始質量不平衡引起的轉子質量不平衡與由轉動部件的松動脫落引起的轉子質量不平衡。

公式中，：為不平衡質量；：為偏心距；：為轉動的角速度；

（2）主要特征：①轉子質量不平衡故障的振動以工頻為主，但是存在較小的高次諧波；②當轉速一定時，振動的振幅與相位也是一定的；③當重復啟動時，此振動現象能夠重復出現；④此種振動隨著機組負荷的變化不會出現明顯改變；⑤轉子質量不平衡故障時的軸心運動軌跡一般為橢圓形。

（3）案例分析：某電廠對200MW機組進行大修后啟動，當升到2600rpm時，#3軸承附近出現異常響動，后停機檢查發現了平衡塊脫落現象。經過測量發現，平衡塊的脫落導致了軸振與瓦振的相位變化了約60°，軸振振幅增加了40μm，瓦振振幅增加了6μm。

2.2 轉子熱彎曲故障

（1）故障說明：轉子熱彎曲主要是指當轉子受熱后出現的彎曲，它將導致轉子的平衡狀態發生改變，所以又可稱之為熱不平衡，一般汽輪機出現轉子熱彎曲的主要原因：包括轉子的材料不均勻，內應力過大；轉子存在徑向方向的不對稱溫度差；轉子長時間與溫度較低物體接觸；存在動靜摩擦等。

（2）主要特征：①轉子熱彎曲故障的振動為工頻；②振幅變化比較連續，不會出現跳躍式的改變，但是其相位不穩定；③轉子熱彎曲引起的振動隨轉速的改變會出現明顯變化；④轉子熱彎曲引起的振動隨負荷的改變會出現明顯變化；⑤在停機過程中，轉子熱彎曲引起的振動會明顯高于啟動過程中的振動。

（3）解決措施：當出現轉子熱彎曲故障時，如果此時的振動沒有超過規定限制，那么此時可以允許轉子繼續運行。當振動超過限值時，如果振動的增量相對不大并且較為穩定的話，可以對轉子進行熱平衡，目的是補償一部分熱彎曲產生的質量不平衡。

2.3 動靜碰摩故障

（1）故障原因：引起動靜碰摩的主要原因包括：基礎出現不均勻下沉以及汽缸出現跑偏；蒸汽溫度出現明顯劇烈變化；汽缸的保溫措施不當；排汽缸出現快速加熱與冷卻狀況；汽封出現損壞；機組暖機不充分；機組出現劇烈晃動等。

（2）解決措施：解決轉子動靜碰摩最有效的措施就是在保證安全的前提下進行一定程度的“磨合”。當在啟動時，如果在臨界轉速以下發生碰摩，應該立即停機并進行盤車；如果發生在臨界轉速以上，那么應該在可控的某一轉速下進行停留，磨合間隙，待振動正常后再繼續升速。當在帶負荷階段，只要振動能夠保持在一定范圍內，就可以嚴密觀察，來允許轉子自行磨合出一定間隙；而如果在此過程中，轉子的振動不斷增加，就需要降低負荷或者直接停機來保證機組安全。

（3）案例分析：某電廠#1號機組在1997年大修后啟動過程中，出現了低壓轉子振動持續增加，且轉子無法定速的現象，經初步判斷存在動靜摩擦，且是由于動不平衡產生的。在低壓轉子發電側進行多次加重后，振動值大幅下降，機組同時定速并網。

2.4 自激振動故障

（1）故障說明：此種振動故障是由于轉子系統自身的運動而引起的振動，與之相對的是強迫振動。主要包括由軸承油膜力導致的自激振動和由蒸汽力引起的氣流激振。自激振動一般發生在機組啟動升速過程中，當機組升速到某一轉速時，軸承軸瓦的振動值會突然增大，此轉速一般稱之為失穩轉速，主要包括半速渦動與油膜振蕩。而引起自激振動的主要原因包括軸徑擾動過大、轉子熱彎曲與轉子永久彎曲、軸承座剛度過大等。

（2）主要特征：①振動突增；②振幅增加后持續不穩定；③其與機組負荷關系不大；④機組存在異常聲響；⑤一般存在與工頻成一定比例的低頻分量。

根據其表現特征，可以通過提高油溫、調整轉子中心、調整軸承頂隙與比壓等措施來解決。發生的主要原因包括轉子與汽缸的同心度偏差比較大、動靜葉之間的軸向間隙比較大、轉子不平衡、軸瓦穩定性比較差等等。當發生此種故障時，可以通過增加軸瓦比壓、減小蒸汽靜態力、減小蒸汽激振力、減小軸瓦間隙、擴大兩側間隙、降低潤滑油粘度以及增大上軸瓦的軸襯寬度等措施來解決。

2.5 其他振動故障

除了以上四種常見故障外，發電廠汽輪機一般還會出現轉子不對中、支撐松動、結構共振、轉子裂紋等多種故障，在進行判斷時，需要根據機組出現的現象、結合數據分析等進行綜合判斷。

3 結論

本文針對目前電廠汽輪機的幾種典型振動故障進行了分析，包括質量不平衡故障、轉子熱彎曲故障、動靜碰摩故障以及自激振動故障燈，說明了振動故障的成因、特點及解決方案，可以為類似振動故障的解決提供參考。

參考文獻：

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