基于發電廠汽輪機組振動故障實驗的研究探討

華北水利水電大學 李 雪

洛陽市公共交通集團有限公司 陳雪瑞 陳 浩

河南省計量科學研究院 李海濱

基于發電廠汽輪機組振動故障實驗的研究探討

華北水利水電大學 李 雪

洛陽市公共交通集團有限公司 陳雪瑞 陳 浩

河南省計量科學研究院 李海濱

本文根據我國火力發電機組在實際應用的過程當中出現的振動情況，通過模擬試驗臺模擬現實發電機組的轉子不平衡故障和不對中故障等實際發電廠中常見的故障狀態。通過數據收集和不同大小故障的對比，通過大量數據收集為后續發電廠汽輪機組振動故障的在線監測研究打下實驗基礎。

振動故障；轉子不平衡故障；不對中故障；在線監測

1.前言

隨著我國工業體系的不斷完善，經濟水平發展的不斷提高，電力工業作為經濟發展的重要保障，在我國經濟發展中起著舉足輕重的地位，是一切經濟發展的基礎。由于我國能源分布不均衡，水利資源廣泛分布于西南欠發達地區且水利資源的利用率還有待進一步提升，雖然近些年來新能源也在國家政策支持下迎來了蓬勃的發展，但是同樣占我國發電總量的份額較少。依舊依靠火力發電為主導地位占到70%左右。由于我國火力發電廠建設的年限較長，許多發電機組較為老化且蒸汽機組利用率不高、安全隱患較大。成為影響火電廠經濟效益的主要絆腳石。其中，整個發電機組的各種振動量將大大影響整個機組運行過程中的安全。據統計從上世紀八十年代至今，由于振動造成的重大事故多達幾十起，由于振動帶來的隱患造成的停機損失也不可估計。所以加快汽輪機組故障診斷并及時作出相應措施來解決問題越來越受到國家的重視，如何提前預判振動故障，避免突發振動故障，將是避免實際運行中安全事故的重要課題。

2.國內外研究現狀

我國電力工業的發展，特別是上世紀八九十年代，為了滿足電力供應的需求，大量建立了火力發電廠，隨著時間的推移大量機組都處于老化狀態，由于資金方面的制約，在保障機組能夠安全運行的前提下，延長機組的使用壽命是當務之急。目前國內對于大型火力發電機組的振動故障診斷還停留在采購國外廠家如：美國、德國等國家的振動檢測系統，但也就提供一些幅值檢測功能，在故障診斷分析過程中受經驗和技術方面的制約較多，得出的結論也無法令人滿意。

現代振動故障診斷技術伴隨著我國經濟在不斷發展，但由于大型發電機組往往結構龐大，系統安裝復雜且精度要求高，各機組間的軸承連接，使得在軸承監測其運行的過程當中，不得不大量運用傳感器同時對系統振動情況進行采集。如此之多的采集信號，如何進行對比分析并得出準確的結論，往往需要具有豐富的實踐經驗的專家進行分析診斷，即使如此也無法很好的得出準確的結論，從而影響機組的正常運行，從而需要付出較多的時間和經濟成本。本文將針對汽輪機組振動故障的分析的方法進行探討，從而希望能夠得到一種較快地診斷振動故障的方法。

3.轉子振動故障的模擬實驗

為了獲得振動故障的實驗數據，必須在大量故障數據的基礎上，本次模擬實驗主要利用轉子實驗臺來模擬轉子故障，如下圖1-1轉子試驗臺模擬圖所示，本轉子試驗臺利用華北水利水電大學動力館中的火力發電轉子實驗臺改造而來，其中電機采用調速性能較好的直流電機，轉速輸出范圍為(0-12000)rpm。具體結構示意圖1-1所示：

圖1-1 轉子試驗臺模擬圖

圖1-2 不對稱、不對中故障模擬試驗臺

4.故障的設置

為了便于實驗與實踐應用相結合，現將在實際當中最常見的故障形式為主要研究對象，分別為：轉子不平衡故障和不對中故障（如下圖1-2所示的不對稱、不對中故障模擬試驗臺），圖1-2所示的試驗臺左側跨接3個輪盤A盤、B盤和C盤，右側跨接兩個輪盤D盤和E盤，同時沿軸向均勻布置渦流傳感器#1、#2、#3和#4，其中#2傳感器垂直安裝，其余則水平安裝。

（1）轉子不平衡故障實驗：主要由于轉子松動、葉片掉塊以及轉子安裝過程中結構設計不合理材質不勻稱等多種因素都會導致轉子在旋轉過程中產生偏心距，進而危害整個發電機組的安全，本實驗通過在模擬試驗臺對C盤加重配塊，進行模擬轉子不平衡故障具體實驗。實驗情況如下表1所示。

表1 轉子不平衡實驗情況表

（2）不對中故障實驗：主要由于大型電機組在組裝過程中安裝精度達不到設計水平導致軸心偏移量加大，或者在運行過程中受熱不均勻導致軸向位移。如果無法及時發現軸向位移，將導致系統在運行過程中使軸承損壞，軸彎曲變形等嚴重后果。本次模擬不對中故障主要采用軸承底座增加墊片的方法進行轉子模擬不對中如圖1-2所示，在模擬裝置最右端底座IV處增加墊片來增加不對中度。具體實驗情況如表2所示。

表2 不對中實驗情況表

5.數據采集

數據采集主要運用傳感器的模擬信號轉換為數字信號在通過數字濾波器和放大器，放大后的信號通過顯示器顯示出來。如下圖1-3所示，本采集系統將傳感器采集到的模擬信號轉變為電信號后，通過電信號的變化量來確定，振動量的大小.（電信號輸入范圍為4mA—20 mA或0V-10V）。

圖1-3 數據采集系統示意圖

圖1-4 不平衡故障波形及頻譜圖

圖1-5 不對中故障波形及頻譜圖

6.故障分析

為了獲得更理想的數據，根據數據采集器采集到的數據，通過頻譜分析采樣得到特征較為明顯的頻譜圖如圖1-4和圖1-5所示的頻譜圖。

（1）對于不平衡故障的波形及頻譜可知圖1-4，時域波形為較為規則的正弦波，并且得到的2X以上的高次諧波較小，幅值低于5故符合不平衡故障特征。

（2）對于不對中故障的波形和頻譜可知圖1-5，時域波形為疊加的正弦波形并且當不對中振動越嚴重，2X幅值所占越大，當軸向不對中越嚴重，2X振動幅值就越大,符合不對中故障典型特征。

實驗結果證明，對汽輪發電機的模擬實驗是非常理想的，為后續的故障信號算法分析和遠程監控系統的組建打下了基礎。

7.結束語

本文根據國內火電廠發電機組的實際情況，并結合我國振動檢測的實際情況和遇到的問題，通過設計振動模擬故障實驗，來分析振動原因，達到預期效果。但本文只對模擬實驗和故障設置做了相關研究，但是對后續的實驗數據處理方法以及其他可能出現的故障問題還需融合在一起進行整體處理和研究。

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李雪（1986—），女，河南鄭州人，華北水利水電大學電力學院教師，助教，碩士研究生。