汽輪機(jī)振動(dòng)大的原因分析及其運(yùn)行調(diào)整

邵光一

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，當(dāng)前的汽輪機(jī)的綜合性能已經(jīng)十分優(yōu)良，并已經(jīng)成為很多電廠中的主要發(fā)電機(jī)組。但在實(shí)際運(yùn)行中，汽輪機(jī)經(jīng)常會出現(xiàn)異常振動(dòng)的故障，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，為此必須要采取有效的預(yù)防處理措施，盡可能地降低汽輪機(jī)異常振動(dòng)的出現(xiàn)頻率。本文簡單分析了汽輪機(jī)振動(dòng)概念及危害，并探討了汽輪機(jī)振動(dòng)大的原因分析及其運(yùn)行調(diào)整策略。

【關(guān)鍵詞】汽輪機(jī)；振動(dòng)；原因；運(yùn)行調(diào)整；策略

汽輪機(jī)作為一個(gè)集自動(dòng)化控制、機(jī)械、電力等科學(xué)技術(shù)為一身的設(shè)備，被廣泛應(yīng)用在化工、電力行業(yè)的生產(chǎn)中，一旦其出現(xiàn)故障，將會造成局部或整個(gè)生產(chǎn)流程的中斷，致使生產(chǎn)企業(yè)蒙受經(jīng)濟(jì)損失，甚至出現(xiàn)人員傷亡事故。不管哪一種設(shè)備出現(xiàn)故障之前都會有預(yù)兆的，正常情況是不會有機(jī)械設(shè)備沒有預(yù)兆就出現(xiàn)故障的，故障之前的預(yù)兆大多表現(xiàn)為振動(dòng)聲和噪聲，這些異常的聲音表明設(shè)施設(shè)備在某個(gè)部位會存在有一定的故障。尤其是汽輪機(jī)，不管是軸承還是部件出現(xiàn)損壞之前都會有不同尋常的振動(dòng)，這就是非常明顯的故障。

一、汽輪機(jī)振動(dòng)分析

1.基本概念

汽輪機(jī)振動(dòng)即設(shè)備的部件偏離其固定的平衡位置，進(jìn)而導(dǎo)致物體相應(yīng)的位能和動(dòng)能隨之變化，出現(xiàn)反復(fù)性的連續(xù)運(yùn)動(dòng)被稱之為振動(dòng)。根據(jù)沖擊力的不同，可以將汽輪機(jī)的振動(dòng)分為自由振動(dòng)和受迫振動(dòng)兩種形式。可以用相位、頻率、方向以及振幅對汽輪機(jī)振動(dòng)的大小和幅度進(jìn)行描述。汽輪機(jī)振動(dòng)的相位即振動(dòng)過程中振動(dòng)信號最大值與轉(zhuǎn)子某一點(diǎn)的相對位置。頻率即汽輪機(jī)在特定時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)。汽輪機(jī)的振動(dòng)方向包括橫向、軸向和扭轉(zhuǎn)三個(gè)方向，根據(jù)汽輪機(jī)運(yùn)行過程中振動(dòng)的大小可以將其分為雙向振幅和單向振幅兩類。

2.振動(dòng)危害

如果汽輪機(jī)振動(dòng)的幅度在規(guī)定的范圍內(nèi)，是不會對汽輪機(jī)的運(yùn)行和電廠的正常工作產(chǎn)生影響的，但是當(dāng)汽輪機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)將會對發(fā)電機(jī)組的安全性以及電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。因而，汽輪機(jī)振動(dòng)也是電廠機(jī)械設(shè)備檢修的重要內(nèi)容。汽輪機(jī)異常振動(dòng)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，當(dāng)汽輪機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，過大的振動(dòng)幅度有可能導(dǎo)致機(jī)組之間連接部位的零件松動(dòng)，增加了機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的安全隱患；第二，汽輪機(jī)振動(dòng)過大還會增大機(jī)組支撐零件以及發(fā)電機(jī)部分的摩擦，給汽輪機(jī)的本體造成損害，導(dǎo)致汽輪機(jī)使用壽命的縮減；第三，汽輪機(jī)異常振動(dòng)會導(dǎo)致電廠發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量的降低，進(jìn)而影響電廠經(jīng)濟(jì)效益的提升。

二、汽輪機(jī)振動(dòng)大的原因分析

1.設(shè)計(jì)制造問題

由于汽輪機(jī)中的轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度非常快，如果轉(zhuǎn)子的質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心不能很好的重合，轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)不平衡而形成離心力，從而對軸承造成激振，導(dǎo)致汽輪機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)。如果離心力超過一定范圍的時(shí)候，機(jī)組則會產(chǎn)生異常振動(dòng)。其原因主要是因?yàn)槠啓C(jī)設(shè)計(jì)、制造的轉(zhuǎn)子存在裝配質(zhì)量方面的問題。導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不平衡的原因是因?yàn)橹圃鞆S家的機(jī)械加工在精度方面存在一定的問題，還有就是因?yàn)檠b配質(zhì)量存在問題而造成的。因此，必須提高生產(chǎn)、制造、加工過程中的精度，并采取對應(yīng)措施保證裝配質(zhì)量。同時(shí)，在裝配中針對每一級葉片全部要實(shí)施動(dòng)平衡試驗(yàn)，并且在轉(zhuǎn)子裝配好之后，在出廠之前實(shí)施高、低速動(dòng)平衡檢測工作，從而將轉(zhuǎn)子的不平衡量嚴(yán)格控制在符合規(guī)定要求的范圍之內(nèi)。

2.動(dòng)靜部位摩擦問題

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子中心O必然會偏離靜子的幾何中心O，當(dāng)偏離的距離達(dá)到兩端支撐軸承的徑向間隙時(shí)，兩者便發(fā)生了觸碰。此時(shí)，轉(zhuǎn)子上與靜子部件觸碰的點(diǎn)A會受到一個(gè)大小為N徑向作用力和一個(gè)與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的切向摩擦力f的作用，如圖1所示。動(dòng)靜部位碰摩的原因有：第一，動(dòng)靜間隙過小，這可能是由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或安裝時(shí)間隙調(diào)整不當(dāng)所致；第二，轉(zhuǎn)子振動(dòng)引起，當(dāng)振動(dòng)振幅大于動(dòng)靜間隙時(shí)，就會發(fā)生碰磨；第三，軸系對中不好，可能造成整個(gè)轉(zhuǎn)子偏斜，從而引發(fā)碰磨。轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜碰磨常伴隨著其它現(xiàn)象，因此，在處理實(shí)際問題時(shí)，需將動(dòng)靜碰磨與其它振動(dòng)特征結(jié)合起來進(jìn)行分析，便于準(zhǔn)確判斷出故障所在。

3.汽流激振問題

汽流激振實(shí)際是指汽體壓降促使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生位移，與汽缸發(fā)生偏移形成漩渦，由于漩渦的流動(dòng)而引起的振動(dòng)。通過實(shí)際分析可知，氣流激振其主要特征如下：第一，會產(chǎn)生較大量值的低頻分量；第二，運(yùn)行參數(shù)會直接影響振動(dòng)的增大，且增大呈現(xiàn)突發(fā)性。造成這種問題的原因主要有以下情況：第一，葉片受到不均衡的來流氣體沖擊，引發(fā)的氣流激振，因大型機(jī)組的末級較長，汽體極易在大型機(jī)組的葉片膨脹末端發(fā)生流體紊亂，進(jìn)而引發(fā)氣流激振；第二，軸封也會引發(fā)氣流激振，因此針對氣流激振的特征及產(chǎn)生的原因，在對其進(jìn)行故障處理時(shí)，必須要連同對機(jī)組振動(dòng)的長時(shí)間記錄數(shù)據(jù)，機(jī)組的滿負(fù)荷數(shù)據(jù)做成機(jī)組曲線表，并通過對升降負(fù)荷速率的改變，對曲線的變化進(jìn)行觀察，利用汽輪機(jī)不同負(fù)荷時(shí)高壓調(diào)速汽門重調(diào)特性，消除氣流激振問題。

4.油膜渦動(dòng)與油膜振蕩

油膜渦動(dòng)出現(xiàn)在滑動(dòng)軸承支撐的軸系當(dāng)中，滑動(dòng)軸承受動(dòng)載荷時(shí)，軸頸隨著載荷的變化而發(fā)生位置改變，位置改變的過程中產(chǎn)生慣性力，這個(gè)慣性力也變成一種載荷，并且是一種動(dòng)載荷。軸頸在外載荷的作用下，其中心線相對于軸承中心偏移了一定的距離而運(yùn)動(dòng)，當(dāng)繼續(xù)施加一擾動(dòng)力，軸頸中心將再次改變位置，最終回到原先的位置或在一個(gè)新的平衡位置保持不變，此時(shí)，軸承是穩(wěn)定的，反之便是不穩(wěn)定的。后者的狀態(tài)相當(dāng)于軸頸中心線繞著平衡位置而發(fā)生運(yùn)動(dòng)，叫做渦動(dòng)。因油的平均流速是轉(zhuǎn)軸角速度的一半，油膜渦動(dòng)又叫為半速渦動(dòng)。油膜振蕩是由于油膜的半速渦動(dòng)而引起的，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高到第一臨界轉(zhuǎn)速的兩倍時(shí)，油膜渦動(dòng)的頻率與轉(zhuǎn)子的固有頻率相等，這便引起了共振，即油膜振蕩。

三、汽輪機(jī)運(yùn)行調(diào)整措施

1.做好設(shè)備運(yùn)行檢查與管理

第一，在機(jī)組運(yùn)行過程中，必須在檢修的時(shí)候重新檢查汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子，并且嚴(yán)格遵照工藝要求來安裝新葉片，結(jié)合機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及機(jī)組的運(yùn)行工況，對各部位之間的動(dòng)靜間隙進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整；第二，對轉(zhuǎn)子以及汽缸的膨脹規(guī)律進(jìn)行深入分析， 在啟停機(jī)以及工況變化的時(shí)候必須對脹差進(jìn)行調(diào)整與控制；第三，在機(jī)組啟停的時(shí)候，必須對上下缸的蒸汽參數(shù)的變化、溫度差、監(jiān)視段壓力以及軸的振動(dòng)嚴(yán)格加以控制；第四，在運(yùn)行過程中應(yīng)避免水沖擊，停機(jī)之后禁止冷水、冷氣進(jìn)入汽缸；第五，啟動(dòng)之前以及升速的時(shí)候，必須對轉(zhuǎn)子晃度以及振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)視，嚴(yán)禁在超限時(shí)強(qiáng)行啟動(dòng)；第六，強(qiáng)化對操作人員的崗位技能教育與培訓(xùn)工作，操作人員必須嚴(yán)格遵照運(yùn)行規(guī)程對汽輪機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)視，定期實(shí)施監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問題。

2.加強(qiáng)動(dòng)靜部位碰摩故障診斷

對汽輪機(jī)動(dòng)靜部位碰摩的診斷要求具有高準(zhǔn)確性，因?yàn)橐坏喽òl(fā)生了碰摩，必須要停機(jī)開缸檢修，工作量很大。動(dòng)靜部位碰摩的診斷技術(shù)比較難以掌握，需要多種手段的組合運(yùn)用，如詳細(xì)記錄汽輪機(jī)啟動(dòng)、停車過程的波特圖、極坐標(biāo)圖，做出全頻譜級聯(lián)圖，了解汽輪機(jī)安裝及大修情況，翻閱安裝或大修時(shí)的間隙記錄，啟機(jī)時(shí)采取“聽診”，這些方法在診斷過程中可以結(jié)合在一起使用，以提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，動(dòng)靜部位碰摩的診斷應(yīng)盡量利用電渦流傳感器，當(dāng)懷疑汽輪機(jī)存在動(dòng)靜碰摩現(xiàn)象時(shí)，如果事先沒裝電渦流傳感器，應(yīng)盡早加裝，以利后續(xù)的診斷。

3.做好汽流激振及油膜振蕩分析

在汽輪機(jī)工作的過程中，會發(fā)生汽流激振的故障，首先需要對汽流激振進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并且記錄下來，然后用圖表的形式展現(xiàn)出來，通過對圖表的觀察，分析其中的內(nèi)在規(guī)律，找到相關(guān)的解決措施。同時(shí)，汽輪機(jī)在工作的過程中，出現(xiàn)了油膜振蕩的情況，需要及時(shí)采取措施加以解決，一般來說可以解決該類故障的方法比較多，其一，可以將軸瓦比壓增高來解決；其二，可以將軸瓦頂部的間隙減小，或者是將上軸瓦軸承合金的寬度增大來實(shí)現(xiàn)解決；其三，可以將軸頸與軸瓦之間的接觸角度縮小，但是不能夠太小，需要控制在30°與40°之間；其四，減小潤滑油的動(dòng)力粘連度；其五，將轉(zhuǎn)子原有的不平衡位置調(diào)節(jié)到平衡的狀態(tài)。

4.積極應(yīng)用振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)

汽輪機(jī)發(fā)生故障不是一個(gè)偶然的事件，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，我們可以利用現(xiàn)代的監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行監(jiān)視，從而及時(shí)的發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)出現(xiàn)故障的位置，這樣可以實(shí)現(xiàn)針對性的了解故障發(fā)生的原因和狀況，從而提取有效的措施實(shí)現(xiàn)問題的解決。通過這種方式實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)故障的監(jiān)測是最原始的方法，在對汽輪機(jī)工作狀態(tài)下進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，學(xué)會觀察目前的狀態(tài)和正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)的變化，這樣系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)也能及時(shí)的采取相應(yīng)的措施，這種類型的檢測技術(shù)，減少了機(jī)械故障發(fā)生的概率，也節(jié)省了定期維修的費(fèi)用，機(jī)械設(shè)備的使用壽命以及使用的效率得到極大的提升，發(fā)電的可靠性也得到了保證，檢修過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)和投入的成本也會減少。

四、結(jié)束語

總而言之，汽輪機(jī)是重要的電力生產(chǎn)設(shè)備，在實(shí)際運(yùn)行過程中可能存在各種振動(dòng)故障，這就需要相關(guān)人員能夠加強(qiáng)檢修，并對其運(yùn)行過程進(jìn)行深入研究，提升汽輪機(jī)運(yùn)行質(zhì)量。

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