火電廠汽輪機常見的振動故障分析及故障診斷技術

楊 鵬 陳 佳 許文釗

（湖北能源集團鄂州發電有限公司，湖北 鄂州 436032）

汽輪機是火電廠的主要裝置之一，加強機組設備管理對保障火電廠的生產效益有積極幫助。樹立預防為主的理念，在監控機組設備運行工況的基礎上，及時發現異常振動，并進一步調查振動發生的位置、引發振動的原因，在完成故障診斷后立即展開維修，才能將異常振動對機組運行造成的不良影響降至最低。轉子是汽輪機上的核心零件，轉子與靜子發生碰撞摩擦，或者轉子出現不對中、質量不平衡等問題，都會引起汽輪機的異常振動。因此，在開展汽輪機日常檢修時如果發現有異常振動，應重點對轉子部分展開分析，在診斷故障原因后采取有效措施予以解決。

1 汽輪機常見振動故障分析

1.1 動靜碰摩故障

為了追求更高的性能與效率，汽輪機的結構組成呈現出精密化、集成化的發展趨勢，部件之間的間隙變小，在運行時發生碰撞摩擦的幾率升高。轉子與靜子之間的碰撞摩擦是引起汽輪機異常振動一種常見故障形式。正常情況下，轉子與靜子的中心相互重合，轉子在高速轉動時不會與靜子直接接觸。但是由于各種因素（如零件老化、磨損等）的影響，轉子中心發生偏離，當偏移量達到一定值后，轉子與靜子接觸、摩擦，如圖1 所示。

圖1 轉子碰摩故障的受力示意圖

圖1 中，碰撞摩擦的切向力（FN）和法向力（FT）可表示為：上式中，e 為轉子位移，δ 為轉子與靜子間距，Kc 為靜子的剛度，f 為轉子和靜子之間的動摩擦系數。其中，e 可根據轉子中心在x 軸和y 軸上的偏移量求得，公式為：

在X-Y 二維坐標系中，切向力與法向力的關系可以表示為：

由于存在sinα=y/e，cosα=x/e，則式（4）可以轉化為：

1.2 轉子質量不平衡

轉子的橫截面為標準的圓形，正常轉動時質心和圓心在同一點上，保證轉子轉動平穩。相反，如果質量中心與圓心不再同一點上，轉子轉動時產生的離心力會呈現出周期性的大小變化，由此引發周期性振動。其中，離心力（F）主要與轉子的旋轉角速度（ω）、偏心距離（e）和轉子偏心質量（m）三個因素有關，可表示為：

造成汽輪機轉子不平衡的原因主要有三種：其一是轉子原始質量不平衡，轉子在加工制造時因為工藝不合格，導致局部質量偏大或偏小。在低轉速下原始質量不平衡對振動的影響不明顯，隨著轉速增加，因為原始質量不平衡導致的轉子振動也會逐漸增加。其二是部件松動或脫落，例如葉片上的圍帶脫落，轉子線圈松動等，都會打破原本的質量平衡狀態，進而引起振動波動。其三是轉子熱彎曲，在彎曲部位質量的均勻度和平衡性也會受到嚴重破壞。

1.3 轉子不對中

根據相鄰轉子之間的偏移情況，可以將轉子不對中分為3 種情況，即平行不對中（圖2b）、角度不對中（圖2c）和組合不對中（圖2d）。

結合圖2 可知，平行不對中是相鄰兩個轉子的軸線互為平行，但是連接點存在一定的高度差e；角度不對中則是兩個轉子的軸線連接點正常，但是兩個轉子的軸線成一定的夾角α；組合不對中是同時存在距離和角度不對中的情況，即前面兩種情況的疊加。

圖2 正常轉子對中與3 種不對中示意圖

1.4 轉子裂痕

造成轉子出現裂痕的原因有以下幾種：第一是熱應力。汽輪機在運行時，負荷升降過快，這種情況下轉子在高溫與低溫狀態下頻繁轉換。而溫度的快速、反復變化，會導致金屬材料過快疲勞，并且在不斷的熱脹冷縮中出現裂痕。第二是應力集中。轉子在加工制造或者安裝時，因為操作不規范導致轉子局部存在應力集中情況，當應力達到一定值后會出現裂痕。第三是轉子腐蝕。蒸汽中存在雜質，在高溫、高壓環境下這些雜質會與轉子高速碰撞產生磨蝕，或者是雜質本身呈酸性，也會對轉子造成腐蝕。根據裂痕形態不同，可分為縱向裂痕、螺旋裂痕、軸向對稱裂痕等幾種。

2 汽輪機振動故障診斷技術

2.1 動靜碰摩的特征表現與診斷方法

了解動靜碰摩的典型特征可以幫助檢修人員初步判斷故障類型。轉子與靜子發生碰摩時主要有以下特征表現：其一是異常振動具有明顯的周期性。這是由轉子運行時周期性地與靜子碰撞決定的；其二是碰摩點局部發熱現象明顯。轉子碰撞摩擦靜子時，由于轉速較快，加上沒有潤滑油的保護，干摩擦會導致碰撞部位產生大量的熱，因此靜子的碰撞點處的溫度要明顯高于其他位置。根據上述特征初步確定動靜碰摩故障后，還需要借助于儀器做進一步的診斷。通常是使用渦流傳感器采集汽輪機運行是轉子的振幅、頻率等參數型號，然后與正常工況下的參數進行對比，如果發現參數有明顯異常可以確定故障類型。

2.2 轉子質量不平衡的特征表現與診斷方法

根據轉子質量不平衡下的振動特性可以診斷這一故障。其特征主要表現為：（1）轉子的軸心軌跡為橢圓形；（2）轉子的轉速比較穩定，振動相位角相對平穩；（3）轉速與振幅之間呈正相關，轉速增加后振幅也會有所上升。其他的特征參量如特征頻率、矢量區域等如表1 所示。

表1 轉子不平衡故障特征

汽輪機的轉子在運行時，不平衡現象無法徹底消除，即頻譜中1x 頻率始終存在。但是只要相位振幅保持在一定范圍內，不影響汽輪機的正常運行。在故障診斷時，可以分別測量轉子的振動矢量（XN）與通頻矢量（XM），如果兩者存在以下關系：

并且相位角和幅值沒有動態變化，則基本能夠確定存在質量不平衡現象。

2.3 轉子不對中的特征表現與診斷方法

汽輪機組運行時出現轉子不對中時，觀察轉子的頻率圖，如果發現在徑向方向上以2 倍頻為主，1 倍頻和多倍頻為輔，可以診斷為平行不對中。其中，在垂直和水平方向上的振幅越大，說明不對中偏差越嚴重，據此可以判斷轉子不對中故障的嚴重程度。如果發現在軸向方向上以1x 頻率振動，并且聯軸器處兩個轉子的軸向振動相位差達到π 左右，可診斷為角度不對中。如果發現轉子振動頻率以2 倍頻為主，并且波形穩定，聯軸器兩側的徑向和軸向相位差在180°左右，可診斷為組合不對中。

2.4 轉子裂痕的特征表現與診斷方法

對于轉子裂痕也可根據其特征表現予以診斷。由于轉子發生裂痕后，局部剛度下降，因此整體剛度會表現出不對稱性。當轉子實際轉速達到臨界轉速時，會出現以2x 振動為主的振動模式。轉子裂痕的故障特征如圖3所示。

圖3 轉子裂痕特征匯總圖

在故障診斷時，判斷轉子運動狀態是否符合上述頻率特征、時域特征和升速特征，若符合則可診斷為轉子裂痕故障。

3 一種汽輪機振動在線監測與診斷系統的設計

3.1 系統基本組成

以往汽輪機的振動監測主要由人工觀測或者借助于儀器設備來完成，無法實現全天候、動態化的振動監測。為解決這一問題，火電廠可以推廣使用在線監測與診斷系統，利用工業以太網將前端的傳感器與工控計算機連接起來，在實時采集前端振動信號的基礎上，由計算機展開分析并判斷有無異常振動，進而準確、及時地識別振動故障。該系統的核心組成有4 部分：

（1）現場數據采集模塊。該模塊的核心元件為分布在汽輪機各處的振動傳感器，可以全天候、不間斷地采集汽輪機運行期間的振動信號。（2）數據預處理模塊。為減輕工控中心的運行壓力，設計了本模塊。其作用是對前端采集的振動信號進行調理，包括降噪、濾波、放大等。同時，還能根據振動信號的來源或類型，將其分類并分別存儲到數據庫的不同分區中，以便于振動故障的追溯和診斷。（3）中心服務器模塊。核心設備為1 臺工控計算機，可將前端反饋的振動信號，與系統預設的標準信號進行比對，如果振幅超過標準，則診斷為震動異常故障，實現故障報警。（4）通信模塊。采用工業以太網實現現場數據采集裝置和中心服務器的雙向通信。

3.2 系統功能實現

該系統有兩個功能單元：其一是振動監測單元（TSI），可實現軸振監測、瓦振監測以及軸向位移和脹差監測。以軸向位移監測為例，在汽輪機轉軸的兩側水平布置位移傳感器。當軸向位移發生突變時，可以立即報警并停機，避免因為軸向位移偏大而造成動靜部件的摩擦碰撞。其二是振動診斷單元（TDM），可實現對汽輪機常見故障的診斷。采用專家系統基于海量的數據樣本訓練，能夠根據振動信號分析結果，實現對常見故障的準確判斷。同時還能自動生成故障診斷報告，為技術人員了解故障原因、制定維修方案提供了必要的依據。

結束語

振動故障是火電廠汽輪機日常運行是比較常見的故障形式之一，除了會影響汽輪機的性能、效率外，還有可能導致汽輪機轉子失速或破損，造成嚴重的經濟損失。因此，設備維修人員應熟悉造成汽輪機振動故障的常見原因，掌握診斷方法，在診斷故障后及時采取維修措施，才能保障汽輪機穩定運行，維護火電廠的生產效益。