探究汽輪機異常振動的分析和治理

薄利明

（神華億利能源有限責任公司電廠，內蒙古 鄂爾多斯014300）

隨著我國經濟不斷發展，對電力供應也提出了更高要求，為能夠確保居民用電穩定和工業用電不間斷，必須做好發電機組日常維護和穩定運行工作。在火電廠發電設備中，汽輪機作為十分重要的設備，保證其安全運行是確保穩定供電和電網穩定運行的基礎，做好汽輪機維護和檢修工作十分重要。但是在汽輪機實際運行當中，汽輪機異常振動是最常見、最難解決的問題，不僅會影響發電生產，還會對機組系統穩定造成安全影響，嚴重會造成生產事故，后果不堪設想，因此加強汽輪機振動分析和治理研究有著重要的意義。

1 汽輪機振動分類

在汽輪機運行過程中，異常振動問題十分常見，一旦出現異常振動問題需要對振動情況進行檢查，判定振動種類，按照動力的原因分類可以分為強迫振動和自激振動。

1.1 強迫振動

普通強迫振動主要是因為汽輪機轉子質量不平衡產生的非平衡性能故障情況，異常振動種類更多是汽輪機轉子自身的質量問題，同時汽輪機剛度下降也會加劇結合面振動情況。強迫振動中的共振多數發生在汽輪機和發電機臨界轉速中，會加劇軸承座振動頻率。再者，經過拆解發現，如果轉子不對中也會造成嚴重的晃動情況。

相比普通強迫振動情況來說，非正常強迫振動幅度更大、相位不穩定。原因主要是汽缸膨脹出現受阻，在定速之后軸承座振動幅度會逐漸增加，導致振動問題；軸承座螺栓松動、滑銷系統故障等也會造成汽輪機振動失衡，產生振動問題；汽輪機振動幅度或晃動增加多數是內部失衡問題，原因多數是由于轉子產生了裂紋；汽輪機在運行中由于勵磁電流和振動影響，轉子內部出現熱彎曲現象，也會加劇振動；如果汽輪機日常維護工作不到位，導致油膜無法建立或建立不良好等，也會出現非正常強迫振動問題。

1.2 自激振動

自激振動主要是汽輪機內部葉片受到不均勻氣體影響產生汽流激振，針對大型機組，由于末級葉片較長，氣體在葉片膨脹末端會發生紊亂氣流從而產生激振問題。汽缸蓋膨脹、脹差不達標，也會導致油膜振蕩。再者，如果汽輪機配汽不合理，導致汽輪機轉子產生不平衡汽流激振力，形成擾動，在機組工況發生變化時，機組軸系發生變化，導致振動發生。

2 汽輪機異常振動產生原因以及治理措施

2.1 振動儀表準確度

發電廠針對汽輪機異常振動問題都會配備振動監測系統，監測系統包括測量元件、傳感器等。這些設備可以實時獲取汽輪機的振動參數，但是只要其中一個設備出現了故障問題導致監測數據不精準，就無法檢測出汽輪機振動變化，影響了汽輪機的運行安全，所以日常儀表準確度檢查和校正非常重要。

2.2 汽流激振與轉子不平衡

整個汽輪機組體系龐大，導致末級系統過長，因為葉片膨脹會在末端出現汽流紊亂情況，造成汽輪機激振。在判斷汽輪機異常振動類型是否為激振問題時，可以從兩個方面考慮：一是檢查汽輪機最大量值低頻分量；二是檢查運行參數是否會影響到的振動最大幅度，并且這種突然增加具有突發性特點，如負荷大幅變化或超參數等，所以汽輪機盡可能在額定參數以下運行。

針對轉子不平衡問題，主要是離心力作用下的結果，一旦轉子沒有實現動平衡，可能會在某個方向發生異常振動情況，振動幅度較為明顯。對于不平衡問題可以采用動力平衡試驗判定。如果汽輪機在運行中監測到大量值低頻分量或振動參數波動明顯，則多數是因為汽流激振造成的結果，主要是葉片受到了不均衡汽流沖擊。因此，需要調整調速汽門，并觀察汽輪機的運行狀態是否有好轉。分析汽輪機的內部結構與運行機理可以發現，葉片末端汽流紊亂現象是客觀存在的，需要長時間的記錄每次機組振動數據和機組滿負荷數據，通過軟件實時記錄二者的變化曲線，觀察曲線的變化趨勢和范圍，通過改變升降負荷速率，觀察曲線變化情況，改變汽輪機不同負荷時高壓調速汽門重疊特性，消除汽流激振。

2.3 轉子熱變形

造成轉子熱變形的因素非常多，由于汽輪機的運行環境惡劣，會造成轉子自身熱應力增加、汽缸進水、冷空氣進入、摩擦等。由于在機組啟動定速帶負荷階段，轉子溫度會持續上升，內應力會轉變為轉子熱能，達到一定程度后就會產生熱變形，增加振動頻率、（可能出現）相位變化。所以轉子變形會直接導致汽輪機異常振動。此外，在汽輪機運行中，勢必會產生一定量的摩擦情況。特別是對于汽輪機轉子來說，正常摩擦生產振動、渦流對汽輪機自身運轉不會造成較大影響，但動靜摩擦生熱嚴重會造成轉子熱彎曲，圓周各個點產生的摩擦量不同，造成熱度不同，出現溫差情況，不同受熱會出現不同應力造成熱彎曲，從而提高振動幅度。

由于汽輪機運行中無法做到絕對的平衡，所以轉子輕微熱變形也是客觀存在的現象，一旦發現汽輪機有規律振動且振動幅度較大，則可能是轉子熱變形嚴重的表現。所以，如果是較為嚴重的熱變形，影響汽輪機運行，主要是采用直軸處理措施，可以采用局部加熱法：對軸的凸處迅速加熱，人為使軸產生超過材料彈性極限的反向縮應力；內應力檢驗法：將彎曲部分加熱到內部應力松弛的溫度，并利用外施加的壓力，使彎曲凸出側的金屬纖維縮短，凹處纖維伸長。以上方法可以有效降低機組振動問題，減少振動動力。

2.4 油膜與軸承間隙

在轉子運行過程中油膜發揮著非常重要的作用，主要是可以潤滑軸承，保持轉子運行的穩定性。如果機組頂軸油沒有調節正常，就無法發揮油膜的作用，在汽輪機沖轉過程中一部分油膜會被破壞，提高了振動幅度，嚴重會出現燒瓦問題，這就需要采取調整好頂軸油、鎖緊溢流孔等措施。對于高壓調速汽門擺動情況，油膜與軸承問題都會影響到調速系統，會增加軸瓦振動，降低汽輪機運行安全性，嚴重會造成事故問題。一旦發現調速汽門出現了擺動情況，主要表現在開啟轉子提速慢，擺動值在±20r/min 左右，主泵出口油壓也會不穩定，出現大幅度波動，閥門位置振動最為激烈，在一定程度上會燒損軸瓦。

針對此類問題主要是做好油質管理工作，定期更換濾芯，減少濾網堵塞幾率。還要全面加強儲能器壓力變化監視，保證油壓足夠穩定。定期化驗抗燃油，采用專門的過濾設備補油，確保油質可以達到行業標準。定期更換電液伺服閥中的濾網、閥門，并根據使用情況決定清洗或更換。機組檢修時，要做好調速汽門、門桿、油動機連接套檢查工作，發現螺桿損壞要及時更換。定期檢查汽門桿、連接套是否擰緊，接觸面不得低于75%，從而確保調速系統安全運行。軸承間隙如果不符合標準也會造成汽輪機組異常振動問題。如果軸承間隙過大，會降低運行軸承的穩定性，增加汽輪機的運行振動幅度，嚴重影響機組正常運行，所以要在安裝時就要做好軸承間隙檢查，避免過大或過小。

2.5 真空問題

真空會直接影響汽輪機的運行效率。從實際情況來看，凝汽器在汽輪機排汽口營造真空度從而維持熱效率。如果凝汽器內的真空度不足，會直接降低凝汽器的運行效率，特別是在高溫環境下的影響更大。通常是由于軸封供汽不足、真空系統有漏點等造成凝汽器真空度下降，從而造成汽輪機異常振動。

針對空冷凝氣器，要根據汽輪機實際表現判斷是否出現故障。通常是采用灌水方法判定軸封加熱器水封系統是否封住真空，水封水位的高低變化對真空是否有影響來判斷軸封水封是否存在問題；對軸封供汽進行調整，觀察真空是否發生變化，以便判斷軸封供汽是否正常；對空冷散熱片及汽輪機系統，通過氦氣查漏設備，進行漏點掃描和嚴密性檢查，如果發現漏汽點要立刻處理，避免真空不足。

2.6 調速系統問題

調速系統如果電磁閥通電后主汽門不反應，汽輪機就無法正常運行，從而出現異常振動情況。主要原因是主汽門活動油路不暢通，在電磁閥通電后閥體活塞沒有運行。同時在DEH 控制指令發生變化時，機組負荷擺動無規律，也會造成汽輪機異常振動情況。將機組負荷調整為0，汽輪機調速系統無法正常運行，打開緊急保安器等均無效果，只能強制關閉自動主汽閥門才會停止。出現此類問題主要是由于油動機活塞、壓力變換器閥被卡住等，部件內部出現了大量的油泥等堵塞了進回油孔，同時調速系統保護裝置也被卡死不能運行；調速系統高調門抖動，引起負荷波動，也會造成波動情況產生。

針對這些情況，需要檢查高壓主汽門電磁閥是否處于正常運行狀態，將活動電磁閥拆開，接通電源試驗電磁閥是否正常運行。檢查油動機活塞底部高壓油和主汽門活動排油路之間是否通暢，做好清理工作。針對滑閥、活塞被卡主取不出來問題，需要進行專業拆解汽輪機人工取出，并進一步清理閥門，清理完畢裝回、試驗；針對調門擺動，需對調門本身機械部分進行解體檢查，或者對控制部分進行試驗調整，能否消除波動情況，判斷調門本身是否存在問題。

2.7 配汽原因

配汽同樣會導致汽輪機軸振問題，由于進汽方式會造成轉子切向力，并且和汽輪機轉子轉動方向相反，在垂直方向分力向上，將減輕軸瓦荷載、降低軸瓦溫度、增加軸振動，而軸瓦溫度、軸振動之間存在矛盾，此消彼長，而軸瓦溫度與噴嘴配汽和軸承的承載力、自位力、材質、工藝有關，所以噴嘴進汽中，承載中心可能會傾斜發生變化，造成振動問題。

因此，在進汽作用合力垂直方向分力向下時，可以增加軸瓦荷載、提高軸瓦溫度，有效減少軸振動，調節級對稱的均衡性，讓橫向、豎向作用力抵消。在軸瓦溫度和軸振動權衡中，可以嘗試調整閥門重疊系數，讓軸瓦溫度、軸振動保持合理范圍內，通過專用軟件檢測與分析，調整各個調速汽門的進汽順序，解決配汽方式不合理產生的汽流激振問題，同時還可以提高運行經濟性。

3 某電廠汽輪機異常振動原因分析及治理措施

3.1 #2 汽輪機異常振動

3.1.1 現象如下

（1）在正常運行中，2 號機組2 號軸承處振動不定期、無預兆地出現波動，最大振動超過了160μm（見下圖）。

有功功率、排汽壓力、1～4 號軸承處X 向軸振趨勢圖

（2）在2 號軸承出現振動波動的同時，1 號、3 號和4 號軸承處也會出現類似的振動波動。

（3）沒有發現與振動波動明顯相關聯的運行參數，但低真空、或4 號調閥開度在28%～35%區間更容易出現振動波動。另外2 號軸振波動與真空和調閥開度沒有一一對應的關系。

3.1.2 原因分析

基于2 號機組的振動特征，分析振動故障的原因是2 號軸承穩定性裕度不足，在汽流力的擾動作用下，發生了油膜渦動。

3.1.3 治理措施

（1）解體的軸承各部件進行清理。

（2）工作、非工作瓦塊鎢金進行輕微修刮，將劃痕修平整。

（3）下襯瓦鎢金進行補焊，補焊后進行修刮。

（4）對下瓦枕各墊鐵進行研磨，接觸面積達到75%要求。

（5）軸瓦回裝時將頂隙、側隙、球面緊力、上瓦枕緊力修至標準值范圍內。

（6）#2 軸瓦檢修，軸承標高抬高了0.15mm，達到了預期抬高量。

3.1.4 治理效果

修后機組啟動過程中振動、瓦溫正常。運行至今#2 瓦振動值處于優良狀態，且無振動波動發生。

3.2 #4 汽輪機異常振動

3.2.1 現象如下

（1）#5 軸承振動十分頻繁，但振動波動幅度較小，在10um左右。

（2）振動波動的主要成分是12.45Hz 左右。

3.2.2 原因分析

基于#4 號機組的振動特征，分析振動故障的原因是5 號軸承穩定性不足，產生低頻諧波分量，發生振動波動。

3.2.3 治理措施

（1）#5 軸瓦進行翻瓦檢查，對烏金面進行修刮研磨。

（2）軸瓦標高調高0.1mm。

3.2.4 治理效果

修后機組啟動運行至今#5 瓦振動值處于優良狀態，且無振動波動發生。

綜上所述，想要保證電力生產的平穩性，就必須要重視汽輪機異常振動問題。電廠設備管理人員定期對汽輪機組進行檢查維護和綜合分析，根據汽輪機振動表現判斷振動類型，并分析異常振動產生原因，及時采取應對措施，這樣才能夠保證機組的安全穩定經濟運行，為電網用戶提供連續優質的電力產品。