汽輪機(jī)異常振動(dòng)情況與故障排除

史利強(qiáng) 畢旺杰 高永順 華電萊州發(fā)電有限公司

汽輪發(fā)電機(jī)組作為發(fā)電系統(tǒng)中的主要構(gòu)成，異常振動(dòng)會(huì)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響，情況嚴(yán)重的，還會(huì)導(dǎo)致全廠停車，最終對(duì)年度任務(wù)產(chǎn)生影響。汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)問題復(fù)雜，引起振動(dòng)原因較多，但只要找到振動(dòng)原因，就能合理解決振動(dòng)問題。

一、汽輪機(jī)組振動(dòng)問題分析

（一）故障特點(diǎn)

1.轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均衡

由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡而產(chǎn)生的離心力或激勵(lì)力，是發(fā)電廠中最重要的振動(dòng)問題之一。轉(zhuǎn)子質(zhì)量參差不齊可以分為幾大類，但都會(huì)直接影響系統(tǒng)的性能。例如，如果由于轉(zhuǎn)子彎曲而不能及時(shí)調(diào)節(jié)裝置的彎曲狀態(tài)，則會(huì)發(fā)生零件的摩擦，導(dǎo)致工件和導(dǎo)向板之間的摩擦增大。調(diào)度控制不充分會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)葉片變形和膜片彎曲而引起振動(dòng)問題，這樣蒸汽渦輪汽輪機(jī)的振動(dòng)問題會(huì)隨著速度增加、提升離心力的力度[2]。對(duì)于軸向振動(dòng)的某些變化，必須預(yù)先設(shè)置電阻，以便評(píng)估振動(dòng)幅度。根據(jù)動(dòng)態(tài)軸承安裝的特定要求，嚴(yán)重的操作錯(cuò)誤或其他現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致明顯的振動(dòng)問題。簡(jiǎn)而言之，在汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行期間，如果軸承系統(tǒng)與重力相關(guān)的剛度值始終保持穩(wěn)定，則在運(yùn)行開始時(shí)機(jī)組的振幅會(huì)進(jìn)一步增加，并且機(jī)組的振動(dòng)將逐漸顯示出相同的頻率特性。

2.軸系無(wú)法對(duì)中

電廠的汽輪機(jī)機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)有著嚴(yán)格的要求。為了避免劇烈振動(dòng)，必須將相應(yīng)的零件安裝在相鄰位置。在實(shí)際操作中，如果側(cè)向反射不均勻或根據(jù)軸和安裝要求而明顯偏離，則必須相應(yīng)地調(diào)整位置。由驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)故障引起的振動(dòng)問題具有明顯的特征[3]。在將兩個(gè)相鄰的軸安裝在相對(duì)應(yīng)的軸承部件的前提下，兩個(gè)相鄰軸的偏差和傾斜度很容易引起汽輪機(jī)的振動(dòng)問題。因此，軸承對(duì)準(zhǔn)故障的問題在一定程度上反映了汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行中的軸承偏差問題。鑒于這種振動(dòng)破壞現(xiàn)象，有必要根據(jù)實(shí)際情況測(cè)量、評(píng)估和調(diào)整汽輪機(jī)機(jī)組外圈和兩個(gè)半聯(lián)軸器的開口偏差。

3.油膜振蕩

汽輪機(jī)是電廠發(fā)電設(shè)備的重要組成部分，其工作階段的不穩(wěn)定性會(huì)影響到整個(gè)發(fā)展過程。在汽輪機(jī)機(jī)組的振動(dòng)階段，需要預(yù)先掌握振動(dòng)的幅度，如果有不穩(wěn)定或其他現(xiàn)象發(fā)生，則需要及時(shí)匯總數(shù)據(jù)情況，并根據(jù)固定值控制速度。如果汽輪機(jī)運(yùn)行期間轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定，則其振動(dòng)將非常混亂，振幅將進(jìn)一步增加。油膜振動(dòng)主要是由于汽輪機(jī)機(jī)組的嚴(yán)重不穩(wěn)定性引起的，振動(dòng)頻率與速度之比為1：2。此時(shí)，即使裝置的速度增加，相應(yīng)的振動(dòng)頻率也保持在該恒定狀態(tài)。這種振動(dòng)故障的主要特征是低頻振動(dòng)和小振幅[4]。在這一前提下，如果蒸汽渦輪機(jī)的運(yùn)行速度高于初級(jí)臨界速度的兩倍，則機(jī)組產(chǎn)生的低頻振動(dòng)速度將與初級(jí)臨界速度同步。也就是說，當(dāng)接收到共振系數(shù)時(shí)，汽輪機(jī)的低頻振動(dòng)會(huì)在某種程度上被放大，并且頻率增加而變?yōu)橛湍ふ駝?dòng)。油膜振動(dòng)與千斤頂軸中的液壓壓力不足、運(yùn)行期間潤(rùn)滑劑中的雜質(zhì)有關(guān)，其突出的特征是低頻振動(dòng)。考慮到振動(dòng)頻率的要求，應(yīng)根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)調(diào)整相應(yīng)的幅度，以避免劇烈振動(dòng)。

（二）原因分析

1.中心振動(dòng)異常

（1）汽輪機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果預(yù)定的預(yù)熱時(shí)間不足、速度過快或負(fù)荷過大，則汽缸體在加熱過程中會(huì)膨脹不均。同時(shí)，汽輪機(jī)機(jī)組滑動(dòng)銷系統(tǒng)的固定問題會(huì)限制汽缸的熱膨脹，這導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和汽缸在操作期間的相對(duì)偏差，并最終導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組的異常振動(dòng)。這也是現(xiàn)階段汽輪機(jī)振動(dòng)問題的主要原因。（2）在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)階段，對(duì)于入口溫度有著嚴(yán)格的規(guī)定。但是，如果汽輪機(jī)機(jī)組未按規(guī)定要求運(yùn)行，則會(huì)增加差異膨脹和氣缸變形。在機(jī)組運(yùn)行期間，如果抬高高壓軸封，則整個(gè)汽輪機(jī)將經(jīng)歷一定程度的軸向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)真空度下降時(shí)，廢氣的溫度相對(duì)升高、軸承向上移動(dòng)，這自然會(huì)引起振動(dòng)問題。顯然，這將改變汽輪機(jī)的重心，從而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的異常振動(dòng)。（3）對(duì)汽輪機(jī)機(jī)組進(jìn)行全面檢查后，在安裝時(shí)應(yīng)檢查聯(lián)軸器中心點(diǎn)是否有誤。隨著設(shè)備負(fù)載的增加，由于安裝錯(cuò)誤導(dǎo)致的設(shè)備異常振動(dòng)會(huì)加重，從而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的二次損壞。如果汽輪機(jī)機(jī)組在高于設(shè)計(jì)值的入口溫度下運(yùn)行，則其膨脹差異和氣缸變形可能會(huì)更加嚴(yán)重，從而導(dǎo)致設(shè)備中心振動(dòng)超過軸承極限。

2.轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均衡

（1）由轉(zhuǎn)子的彈性彎曲引起的振動(dòng)。在汽輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行期間，葉片裝置的破裂、磨損、腐蝕和溢出將直接導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不平衡，并在彈性彎曲力的作用下引起振動(dòng)。如果轉(zhuǎn)子彎曲，即使汽輪機(jī)內(nèi)部部件之間沒有摩擦也會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)問題。這類振動(dòng)的特征與質(zhì)量不平衡的特征一致，兩者之間的區(qū)別在于，軸向振動(dòng)是這種振動(dòng)最明顯的特征，尤其是當(dāng)汽輪機(jī)的速度超過相關(guān)規(guī)定值時(shí)，振動(dòng)幅度會(huì)大大增加。（2）由于油膜損壞或穩(wěn)定性下降而引起的振動(dòng)。在電站汽輪機(jī)裝置長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行過程中，軸承油膜不可避免會(huì)變得不穩(wěn)定或損壞，軸承襯套的黑金會(huì)經(jīng)燃燒后受損，導(dǎo)致整個(gè)軸承受熱不均勻，最終在軸頸彎曲的作用下，整個(gè)汽輪機(jī)會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)異常。如果油膜損壞或浮起，則設(shè)備的軸承襯套會(huì)更快地燃燒，并且軸頸受熱后會(huì)彎曲，從而引起振動(dòng)問題。（3）由于蒸汽渦輪機(jī)內(nèi)部部件之間的摩擦引起的振動(dòng)。在汽輪機(jī)運(yùn)行期間，如果發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙不均勻，并且發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組短路，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)汽輪機(jī)機(jī)組的異常振動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子葉片和導(dǎo)向葉片之間的摩擦，軸向誤差和流動(dòng)路徑中的間隙不足，渦輪葉片的變形和隔膜的彎曲，軸承的放置或操作誤差等，這些振動(dòng)問題會(huì)引起摩擦和振動(dòng)問題。（4）運(yùn)行中由于水沖擊而引起的振動(dòng)，也是引起轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均衡的重要原因之一。

二、汽輪機(jī)運(yùn)行振動(dòng)的解決措施

（一）重視汽輪機(jī)的安裝與檢修

汽輪機(jī)在安裝、檢修過程中，因操作不當(dāng)，汽輪機(jī)在以后運(yùn)行中發(fā)生異常振動(dòng)的概率很大。這是因?yàn)楣ぷ魅藛T的失誤可能會(huì)造成異步振動(dòng)、轉(zhuǎn)子中心不對(duì)中、墊鐵與臺(tái)板存在間隙等現(xiàn)象。因此，為確保汽輪機(jī)正常運(yùn)行，首先是在安裝過程中，找準(zhǔn)汽輪機(jī)組的中心位置，切忌出現(xiàn)位移。其次是定期安排檢修工作，排查安全隱患，出現(xiàn)常見的故障特征，要立即采取緊急維修措施。最后是在安裝或檢修后必須進(jìn)行試運(yùn)行，當(dāng)汽輪機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)都滿足使用需求且不出現(xiàn)故障特征時(shí)，方可移交生產(chǎn)或投入使用。汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中，若發(fā)生異常振動(dòng)，必須及時(shí)找出原因，只有當(dāng)振動(dòng)控制在合理范圍后，才能繼續(xù)生產(chǎn)。此外，汽輪機(jī)在開始生產(chǎn)前，要先進(jìn)行暖機(jī)，提高其在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。

（二）加強(qiáng)對(duì)汽輪機(jī)的振動(dòng)監(jiān)視

為確保汽輪機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)汽輪機(jī)的振動(dòng)監(jiān)視工作必不可少，這是預(yù)防汽輪機(jī)異常振動(dòng)的關(guān)鍵。例如，通過安裝軸承振動(dòng)測(cè)量裝置、大軸振動(dòng)測(cè)量裝置來檢測(cè)汽輪機(jī)振動(dòng)情況。這類裝置能夠?qū)ζ啓C(jī)的振動(dòng)情況產(chǎn)生反饋，當(dāng)汽輪機(jī)振動(dòng)頻率超過設(shè)定值時(shí)，裝置會(huì)發(fā)出警報(bào)，從而以最快速度通知維修人員進(jìn)行搶修，必要時(shí)停機(jī)處理，防止機(jī)組損壞擴(kuò)大。

（三）利用傳感器加強(qiáng)對(duì)汽輪機(jī)的保護(hù)

一套完善的振動(dòng)保護(hù)裝置包含多種傳感器，例如，位移傳感器、溫度傳感器、重力傳感器、角度傳感器以及壓力傳感器等。利用這些傳感器能夠組成監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)和信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)，這些系統(tǒng)又組合在一起，成為保護(hù)汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要設(shè)備。當(dāng)汽輪機(jī)振動(dòng)超過臨界值時(shí)，裝置能夠發(fā)出脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)主汽門的自動(dòng)關(guān)閉，汽輪機(jī)的緊急停機(jī)。近年，隨著各行各業(yè)都在開展自動(dòng)化控制，保護(hù)裝置對(duì)汽輪機(jī)的重要性不言而喻。因此，企業(yè)要加強(qiáng)對(duì)保護(hù)裝置自動(dòng)化的研究力度，不斷提升保護(hù)動(dòng)作的安全性和可靠性。

三、結(jié)束語(yǔ)

振動(dòng)現(xiàn)象普遍存在于汽輪機(jī)運(yùn)行中且無(wú)法被消除，但應(yīng)將振動(dòng)控制在合理范圍內(nèi)。若機(jī)組振動(dòng)過大，會(huì)導(dǎo)致零部件松動(dòng)，降低軸承與基座間的連接剛度，危急整個(gè)電力供汽系統(tǒng)，最終被迫停機(jī)。因此，工作人員要熟知汽輪機(jī)振動(dòng)故障現(xiàn)象，及時(shí)找出振動(dòng)原因，采取科學(xué)合理的手段來減小振動(dòng)，確保汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。