火電廠汽輪機異常振動故障排查技術探索

李寬寬

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

火電廠汽輪機設備振動水平的高低，是對其運行穩定性、安全性和質量水平進行檢查的主要指標。但是由于生產制造的問題、安裝的問題以及實際運行的監管控制等等，汽輪機經常會在運行的過程當中發生異常振動。只有對其進行故障原因分析以及有效的排查，才能夠降低振動對于設備造成的影響，提高火電廠運行的穩定性與安全性。

1 汽輪機的正常振動與異常振動

對于汽輪機的運行來說，微小的振動是不可避免的，一般來說，只要不超過制造廠規定的標準振動值，就可以被判定為正常振動。但是，如果設備的運行振動幅度已經比原有的振動水平明顯提高，或者已經超過了允許的標準振動值，也就可以判定為異常振動。任何一種異常振動情況都有可能造成設備運行的穩定性以及安全性下降，并且導致軸器質量失去平衡、葉片斷裂、大軸承彎曲、軸系中心變化、動靜摩擦增加、膨脹受阻現象等。這些現象都不僅會對軸承造成嚴重的損傷，還有可能會加劇振動，進而對軸承零件造成進一步的破壞，加速設備的磨損程度。

2 汽輪機異常振動的原因

汽輪機的異常振動影響了電廠的生產，一般來說，它的產生是多種缺陷的一種綜合反饋。例如，進汽參數異常、疏水不暢、油溫異常、油品不達標、軸承內部存在一些隱含的缺陷、運行過程中的一些隱患因素等等都會導致異常振動。因此，只有經過對各處的連接情況、安裝的精度情況、設備的磨損程度進行相關的檢查，對振動的超標情況進行合理的把控與分析，對檢測結果進行合理的分析，并對隱藏的故障點進行科學的排查，才能夠投入正常的生產使用中，以避免由于故障問題造成設備運行的穩定性不足，給生產帶來嚴重的損害。

造成汽輪機異常振動的主要原因如下：（1）油膜振蕩；（2）汽流激振；（3）轉子熱變形情況；（4）振動摩擦情況。需對上述原因進行合理的分析與控制。然而，設備運行過程當中，影響因素往往不是單一的，要對各種常見原因進行組合化分析，才能夠提高排查的完整程度，降低維修的成本，提高設備運行的穩定性與安全性。

3 汽輪機常見異常振動的排查

3.1 油膜振動造成的異常振動與故障排除

（1）振動原因分析。油膜振蕩是由于運行過程中滑動軸承引起的自激振蕩現象，可能由于同幅轉動情況，出現更為激烈的變化，一般來說，油膜振蕩主要是在汽輪機轉子臨界速度兩倍以上時發生的一種振動情況，如果這種現象發生，沒有進行及時的處理，那么振動幅度將會越來越大，即使再提高轉速，也不會消除振蕩的現象。同時，如果這種振動情況持續時間較長，還可能造成燒瓦和軸系破壞等連鎖反應。根據工程實踐經驗總結得知，造成油膜振蕩的主要原因如下：①潤滑油的進油溫度過低；②軸承穩定性；③軸瓦間隙；④其他。

（2）振動故障排除。第一，提高潤滑油的進油溫度，一般來說，如果油溫較低，最小油膜厚度增大，就可能造成油膜振蕩的現象。將油溫提高到38 ～45℃，可以盡可能提高油的流暢程度，降低黏度，設備表面結出的油膜厚度就會較小，離心率也會較大，這種情況下，油膜振蕩會被比較快速的被破壞，轉子中心的離心速度較高，可以進一步減少運行的阻力，減輕振動現象。第二，軸承的結構設計決定其穩定性。汽輪發電機組中采用可傾瓦穩定性最佳，其次為橢圓瓦。前者主要運用于大型機組，后者運用較為廣泛。在現場若發現軸瓦自激振動且采用的是圓筒瓦時，可修改為橢圓瓦，以降低振動程度。第三，通過啟動頂軸油泵的方式提高軸承油膜的徑向剛度，改變軸承的間隙情況，排除油膜振蕩現象。

3.2 汽流激振現象與故障排除

（1）汽流激振原因。汽輪機的汽流激振現象常突發于機組高負荷狀態下，主要出現在葉輪直徑較小和短葉片的高壓轉子上，其特征為振動頻率低于轉子工作頻率。引起汽流激振的機理主要是以下兩個方面：①汽封腔內壓力周向變化起的激振力。這是由于軸封上、下部腔室內的壓差，促使轉子從靜止位置繼續向下運動，在此過程中，轉子的慣性滯后作用使下部腔室內壓力開始增加，這種汽體壓將促使轉子產生位移，形成渦動；②轉子轉矩不平衡引起的激振力。這是由于機組安裝、運行中汽缸跑偏、轉子徑向位移等原因，造成轉子相對于汽缸發生偏移，使蒸汽在轉子上做的功徑向分布不平衡而引起轉子渦動。

（2）汽流激振故障排除。進行故障分析的過程中，要對機組的振動數據進行連續性分析，在短時間內對汽流激振現象進行觀察可能無法找到合適的因素，而通過長時間的復核記錄、進行曲線觀察，可以有效判斷出汽流激振現象產生的范圍以及變化的趨勢。通過以下途徑可有效排除汽流激振現象的產生：①改變調速汽門開啟程序，以此避免轉子在單側蒸汽力作用下發生明顯的徑向偏移和在轉子上產生不平衡力矩；②調整汽缸和轉子中心，避免運行中轉子和汽缸中心發生明顯偏移；③加裝防渦汽封。

3.3 轉子熱變形與故障排除

（1）轉子熱變形原因。轉子熱變形大都發生在機組冷態啟機定速后帶負荷階段，此時，轉子溫度逐漸升高，材質內應力釋放引起轉子熱變形，一倍頻振動增大，同時可能伴隨相位變化，由于引起了轉子彎曲變形而導致機組異常振動。

轉子永久性彎曲和臨時性彎曲是兩種不同的故障，但其故障機理相同，都與轉子質量偏心類似，因此都會產生與質量偏心類似的旋轉矢量激振力。永久性彎曲是指轉子軸呈弓形彎曲后無法恢復。造成永久彎曲的原因有設計制造缺陷（轉軸結構不合理、材質性能不均勻）、長期停放方法不當、熱態停機時未及時盤車或遭涼水急冷等。臨時性彎曲是指可恢復的彎曲。造成臨時性彎曲的原因有預負荷過大、開機運行時暖機不充分、升速過快局部碰磨產生溫升等致使轉子熱變形不均勻等。

（2）轉子熱變形故障排除。首先，通過溫度控制的方式在機組冷狀態下進行相關的啟動，對于負荷值進行相關的分析，有效避免內應力的存儲，造成轉子的熱變形。技術人員可以從振動頻率分析入手，對于相伴隨的應力發生情況進行有效地記錄與控制，對于轉子的彎曲變形情況進行異常振動的相關分析。其次，通過壓力傳感器以及振動傳感器等，對于轉子永久彎曲變形和臨時彎曲變形帶來的不同振動情況進行合理的故障控制，在找出造成轉子溫度升高的原因后，對于轉子的離心參數進行合理的分析與計算，避免兩端同時振動的情況，造成離心片力較大，影響相互抵消效率。最后，在某個算數點上對于振動的幅度進行合理的規避，避免不平衡的轉動情況導致臨界速度下降，影響整個溫度控制的實際效果。除此之外，技術人員還可以通過轉子熱變形的相關故障處理等，通過更換新的轉子，來避免這種異常振動情況的發生，如果振動力取消，那么機組就不會出現轉子熱變形導致的異常振動。然而，在實際的管理中，轉子熱變形的表現形式還復雜多樣，只有對原因進行有效的排查，針對性進行處理與更換，才能夠提高生產運行的安全水平。

3.4 摩擦振動與故障排除

（1）摩擦振動原因。摩擦振動也是造成汽輪機振動的主要異常原因之一，由于軸端汽封、葉片圍帶汽封和隔板汽封等部位動靜部分間的徑向間隙較小，受到轉子熱彎曲、管道推力、汽缸跑偏等因素影響，容易使徑向間隙消失，使得汽輪機內部產生動靜摩擦，造成機組強烈振動，嚴重時則會導致大軸永久彎曲。

（2）摩擦振動故障排查。啟動前，投入盤車后，檢測汽輪機組的動靜部分是否有金屬摩擦聲。在這種情況下，對大軸的彎曲值進行數據分析與控制，如該數值在允許范圍內，但卻有較為清楚的金屬摩擦聲時，應在查明原因后再行啟動。

在未來技術升級與改造的過程中，還可以應用信息化的操控方式以及智能化的設備監控等，對于火電廠汽輪機的運行進行有效的監督與控制管理，避免其振動異常情況對生產的穩定性造成影響，降低設備故障率，減少運行成本，提升火電廠的實際經營效益。

4 結語

綜上所述，火電廠汽輪機的主要故障原因有油膜振蕩、汽流激振、轉子熱變形以及摩擦振動等，只有對原因進行有效的分析，進行針對性的排查，才能提高設備運行的穩定性。從本文分析可知，研究火電廠汽輪機異常故障有利于我們以解決問題為導向來看待目前檢修技術存在的不足。因此，我們要加強系統研究，探求技術的發展方向，加強故障排查能力，提高實際維修效率，使機組安全穩定地運行。