火力發電廠大型汽輪機振動異常分析及故障判斷的研究

李健民

摘 要：火力發電廠一直負責為我國各領域提供必須的電能，直接影響著人們日常生活以及工業生產的用電。而作為火力發電廠中一項至關重要的設備，大型汽輪機如果出現振動異常等故障，將會對火力發電廠的發電質量產生直接影響。因此分析火力發電廠大型汽輪機的振動異常，并及時對其進行故障判斷顯得尤為重要。在此背景下，文章將結合具體案例，針對火力發電廠大型汽輪機振動異常以及故障判斷進行分析研究。

關鍵詞：火力發電廠；汽輪機；振動異常；故障判斷

中圖分類號TK26 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）32-0170-02

引言

在火力發電廠當中，汽輪機因其本身結構比較復雜，且經常需要面對特殊的工作環境，在長時間的運轉之下難免會出現振動異常等故障問題。如果無法及時排除和判斷汽輪機振動故障，將會在很大程度上影響火力發電廠的正常工作。因此本文將選擇汽輪機常見的振動異常故障，在分析影響大型汽輪機振動的具體原因基礎之上，嘗試探究火力發電廠大型汽輪機振動異常的故障判斷。

1 案例情況

某火力發電廠于前些年投入使用了一組330MW的汽輪機組，但在經過一段時間的使用之后，汽輪機組頻繁發生跳閘的情況，使得機組經常出現中斷停運甚至是徹底停機的問題。后期技術人員通過對汽輪機組進行故障判斷，發現其之所以會出現振動異常的情況，主要是由于汽輪機長時間面臨高溫的作業環境，在熱脹冷縮的物理效應下出現了膨脹差值。隨后技術人員通過對膨脹差值保護邏輯進行調整之后確實在一段時間內解決了汽輪機組的振動異常問題。但最近一段時間汽輪機組再次出現了振動異常的問題，嚴重影響了機組的安全可靠運行。

2 影響大型汽輪機振動的原因

2.1 油膜振蕩

在火力發電廠的大型汽輪機中，如果油膜上的汽輪機轉子旋轉速度過快，則將直接破壞轉子原本的平衡性和穩定性[1]。特別是汽輪機轉子在旋轉過程中與軸線以及平衡點渦動等均有著十分緊密的關系，因此一旦轉子失去平衡性，將極有可能導致油膜出現振蕩的情況，從而導致大型汽輪機出現振動異常。一般情況下，一半的轉子轉速是軸線的渦動頻率，但如果當軸線渦動頻率加快，與轉子轉速持平，則渦動效果將會得到明顯提升，由此出現劇烈振蕩。

2.2 氣流激振

火力發電廠中的大型汽輪機如果在長時間的超負荷運行之下，將會在短時間內迅速增加軸振動，如果其降負荷低于負荷點，則振動將會在短時間內快速下降。在不平衡的氣流沖擊影響之下，汽輪機組葉片將會出現氣流激振的情況，而如果汽輪機組本身比較大且末級相對比較長，則氣體在葉片的膨脹末端極有可能會出現流道混亂的情況，同樣會使得汽輪機組產生振動異常的現象。

2.3 轉子變形

筆者通過對火力發電廠中曾經出現的大型汽輪機異常振動案例進行分析的過程中，發現由于轉子變形而導致的振動異常次數相對比較多。由于汽輪機經常需要面臨高溫的作業環境，轉子容易因高溫而出現受熱變形的情況，使得在正常的工作狀態下，轉子無法進行正常切合，進而導致大型汽輪機出現異常振動。而除此之外，汽輪機本身出現密封泄露的問題，致使大量水分進入汽輪機當中，在長期的運行之下，受到動態以及靜態的摩擦作用，也會產生大量熱量，久而久之將會使得轉子的材質發生改變，進而導致其出現形變的問題，由此引發汽輪機的異常振動[2]。

2.4 摩擦振動

如果轉子因長期接觸高溫而出現材質變化，出現了彎曲形變等問題，則會出現一種新的不平衡力，此時雖然工頻仍然作為振動信號主頻，但與此同時由于轉子受到了沖擊的影響，還會出現包括高頻分量、倍頻等在內的其他頻。汽輪機在出現摩擦之后，幅值、相位等其本身帶有波動性，而受此影響其波動持續時間將會被無形延長，特別是在汽輪機出現比較嚴重的摩擦情況下，振動幅度也會隨之增加，但相位以及幅值則不再出現波動的情況。而如果汽輪機在短時間內突然出現大幅降速的情況，則在停止轉動之后轉子也會產生大幅度的晃動，由此導致汽輪機出現異常振動的情況。

3 火力發電廠大型汽輪機的故障判斷

3.1 頻譜分析診斷法

頻譜分析診斷法是當前火力發電廠中對大型汽輪機在進行故障診斷中比較常用的一種方法，使用該方法對汽輪機進行故障診斷，主要是通過使用可以直接反映振動頻率下振動功率分布情況的功率譜，以及與各頻率諧波振動分量所產生的振幅相對應的幅值譜。技術人員通過使用專業的頻譜檢測儀，對其自動生成的幅值譜進行直接觀察，其譜線的高度與頻率分量振幅的大小直接相對。利用頻譜分析的方法可以有效分解各信號中的頻率成分，以此幫助技術人員準確識別振源。技術人員通過對高頻段、中頻段以及低頻段進行分析，可以基本上了解汽輪機出現振動異常的具體部位，此后其通過利用頻譜儀對工頻、超諧波等進行采集和分析，可以確定汽輪機的振動異常是否與轉子有關。如果判定其確實是由于轉子出現故障而導致汽輪機出現振動異常的情況，則超諧波、次諧波等頻譜圖將會直接反映出出現故障的轉子范圍和位置。對汽輪機的各頻段頻率進行科學分析，由此可以作業對汽輪機中是否存在運行故障的判斷。

在汽輪機當中，各個振動零部件在運轉時一定會產生相應的振動，即會生成振動特征頻率，如果轉子或其他振動零部件失去平衡與穩定性，則必定會產生工頻，而在汽輪機的葉片之間，氣流通過時也會產生相應的頻率；在受到沖擊的情況下，汽輪機的零部件也會隨之產生相應的振動頻率，技術人員通過使用頻譜分析的診斷方式，通過對各個特征頻率進行深入分析，即可基本掌握汽輪機各相關部件的具體振動情況，并由此完成故障的診斷工作。譬如說如果頻譜儀顯示汽輪機當中出現了豐富的諧波，則代表其存在零部件松動的問題，而如果汽輪機當中出現了大量的分頻，則代表著汽輪機中有著比較嚴重的摩擦、氣流激振等問題[3]。

3.2 故障信號的處理endprint

事實上在火力發電廠中的大型汽輪機在產生振動異常等故障之前，必定會出現某些“信號”，而工作人員和技術人員通過深入分析此類信號，便可以在汽輪機真正出現安全故障之前，準確鎖定其可能會出現故障和問題的位置，進而有效完成故障診斷工作。針對大型汽輪機在火力發電廠當中經常出現的振動異常情況，目前在許多發電廠當中，已經開始有技術人員和工作人員嘗試使用快速傅里葉變換也就是FFT方法，用于對汽輪機的振動異常進行故障診斷。所謂的快速傅里葉變換就是通過利用計算機完成離散傅里葉的準確計算，并有效控制其所需的乘法次數，以此有效加快速度。而除卻這一方法之外，還可以使用全息譜分析以及小波變化等故障信號處理方法。以小波變化為例，該種方法就是通過在時間域以及頻率域當中對信號進行分析處理，從而有效判斷故障位置和相關故障信息。相比于其他的故障診斷方法，小波變化可以在各種時間區域和范圍當中進行信號的分析，同時其對噪聲也并不敏感，可以準確捕捉到信號的各類細節。在分析故障信號時，工作人員或技術人員只需要將汽輪機在某一運行時段當中的頻率信息提取出來，或是將與汽輪機某一頻率所對應的時間信息提取出來，通過深入分析帶有時間以及頻率分辨率的基函數，從而有效完成對汽輪機故障信號的分析處理。在之前給出的案例當中，雖然發電廠的技術人員通過對膨脹差值保護邏輯進行調整之后確實在一段時間內解決了汽輪機組的振動異常問題，但最近一段時間又再次發生了汽輪機的異常振動問題。針對這一情況，發電廠技術人員正是通過使用小波變化與快速傅里葉變換的方法，了解到此次導致汽輪機出現振動異常是由于機組設備本身存在設計缺陷，加之部分操作人員在開機過程中存在不當操作的問題。在準確判斷導致汽輪機組出現異常故障的原因之后，技術人員通過聯合其他工作人員共同參與工作會議，結合汽輪機本身的設計參數和以往工作情況，對其啟動參數以及升速速度等進行重新調整，并優化了汽輪機真空度，再重新調整膨脹標準之后有效解決了汽輪機的故障問題。

4 結束語

總而言之，在火力發電廠當中，大型汽輪機比較容易發生振動異常的故障。而轉子的彎曲變形、摩擦振動或是氣流激振等均會在不同程度上引發火力發電廠大型汽輪機的振動異常問題，進而影響發電廠的正常運行。因此技術人員需要通過采用相應的方式及時、準確判斷出大型汽輪機的故障并采取行之有效的解決措施，從而有效保障大型汽輪機的安全穩定運行，進而提高火力發電廠的發電質量。

參考文獻：

[1]汪棟金.大型火電廠汽輪機軸承振動大的原因分析及處理[J].工程技術研究，2016，11（08）：105-106.

[2]崔普景.工業汽輪機振動大原因的分析和處理措施[J].科技展望，2015，25（01）：125-126.

[3]王志超.某化工公司烴壓縮機組的汽輪機的振動異常的分析與診斷[D].華東理工大學，2014.

[4]朱靜，王磊，郝娜，等.火力發電廠汽輪機組的節能降耗措施探討[J].科技創新與應用，2017（23）：54-55.endprint