火電廠汽輪機振動故障和診斷技術

山西國錦煤電有限公司 王 鵬

1 引言

汽輪機發生故障會對發電站帶來巨大經濟損失。隨著汽輪機組容量不斷增大，實施汽輪機組故障診斷非常重要。轉動機械會發生微小振動，異常振動是機組運轉中振幅增大到超過允許標準。異常振動是汽輪機隱患的綜合反映，新安裝設備機組必須經過試運行測試軸承振動方可投入運行。汽輪機擔負火電廠發電任務的重點，出現故障影響機組的正常運行，機組振動故障診斷需要掌握科學分析能力，不能盲目采用現場高速平衡方法，要提出正確的根治措施[1]。

2 汽輪機振動故障與診斷技術

隨著科技的進步，生產使用機械設備結構日趨復雜。設備組成部件相互關聯緊密耦合，機械設備與操作運行中發生高中故障降低預期功能。汽輪機運行中處于復雜的環境，機組出現振動過大造成運行中的故障，汽輪機組具有自動故障頻率高的特點，汽輪機振動故障嚴重影響機組的安全穩定運行。隨著節能環保管理力度加大對電廠設備可靠性提出新的要求，需要系統研究汽輪機振動故障形式，采取有效的診斷方法[2]。

2.1 汽輪機振動故障形式

汽輪機工作原理是利用渦輪式機械裝置將水蒸氣熱能轉換為機械能帶動發電機發電，汽輪機組具有單機功率大及使用壽命長等特點，長時間使用出現一些故障，需要根據出現異常振動制定針對性排查維修措施。振動是反映汽輪機組狀態常見的外部表現形式，汽輪機組大部分振動是與轉速同步振動信號。振動故障類型有多種，需要了解汽輪機結構設計與動態性能，汽輪機振動按頻率分為基頻與倍頻振動，依據振幅方位分為橫軸向與扭轉振動；根據原因分為轉子軸系與機器零部件松動引起振動等。動靜摩擦的類型如圖1所示。

圖1 動靜摩擦的類型

汽輪機發生較大振動對設備與人身造成危害，對設備危害表現為動靜部件疲勞損壞，加速某些部件磨損，動靜部分發生摩擦降低機組經濟性。汽輪機組振動原因復雜，按照理論分析包括轉子動靜不平衡是制造質量問題，轉子熱變形及磨損部件損壞造成等。汽輪機常見異常振動故障包括氣流激振、轉子熱彎曲與油膜振蕩等，汽輪機產生氣流激振主要部位是高中壓轉子，產生由于高壓端向低壓端的軸向力，導致汽輪機轉子產生氣流激振故障。

目前汽輪機轉子熱彎曲故障大部分發生在冷態起機定速后帶負荷運轉階段，葉輪葉片受離心力產生的巨大應力易發生彎曲變形，發生熱彎曲會引起摩擦振動等安全隱患。汽輪機摩擦是由于轉動部分葉珊等部件長期運行中受到發生熱彎曲破壞初始平衡專題產生異常，轉子受到沖擊影響出現分頻倍頻及高頻分量，汽輪機轉子發生摩擦振動頻率和幅值具有波動特性引發渦動現象[3]。

2.2 汽輪機振動故障影響因素

汽輪發電機組振動異常原因有多種，包括設計制造與安裝檢修等方面。汽輪機轉子機械質心與旋轉中心不重合因不平衡產生離心力對軸承產生激振力引起機組振動，裝配后出廠前對轉子進行高低速動平衡。產生汽輪機轉子不平衡主要原因是機械加工精度不夠，機組設計不當引起機組振動，如軸承選擇不當因穩定性較差汽輪機轉子不平衡引起較大機組振動。汽輪機組安裝檢修中在軸承自身特性，機組中心與動靜間隙等方面影響機組振動。

機組大修中需要對汽輪機葉片結垢清理，轉子污垢會導致產生新的質量不平衡。現代汽輪機大軸留有中心孔兩端用封頭封堵，汽輪機組運行中潤滑油溫與機組膨脹導致發生振動，潤滑油在軸瓦內形成油膜是影響轉子穩定的重要因素。潤滑油溫應控制在合理范圍。汽輪機安裝檢修中受到軸承標高特性與動靜間隙等因素的影響導致振動故障，運行中機組膨脹與潤滑油溫影響振動故障。機組的膨脹受滑銷系統的制約，運行人員操作不當機組出現膨脹不暢問題。

2.3 汽輪機振動故障診斷方法

設備故障診斷為了解運行狀態預測變化發現隱患，提出維修建議決策意見[4]。研究汽輪機故障機理是確保機組安全運行的前提，需要從汽輪機發生故障前相關征兆與客觀規律方面入手，汽輪機內部結構運行機理是科學準確的數學模型，通過開發計算機仿真軟件可以對典型常見汽輪機故障作出數學仿真，國內外有許多分析汽輪機故障方法，頻譜分析法主要識別振源的位置，需要確定發生故障部位逐步分析高中低頻段頻譜，從工頻等方面分析確定轉子故障發生位置。碰摩故障時振動時域波形如圖2所示。

圖2 碰摩故障時振動時域波形

汽輪機組故障診斷是根據相關信號數據對故障定性，確定對應解決辦法及實施處理方案。確定故障原因對造成故障機理分析存在分歧，汽輪機轉子故障類型有多種，對典型故障準確判斷可以滿足生產實際的需要。診斷方法是大型旋轉機械故障診斷常用的，通過測量機械外部振動判斷內部故障，是對運行機械直接進行振動測量對測得信號分析處理，根據比較結果判斷機械內部結構是否破壞磨損等故障。

通過機械振動信號在頻域信號分析處理進行機械故障診斷。目前汽輪機振動信號處理常用方法包括時域頻域分析法、瞬態信號分析法與數字濾波等。振動信號時域處理是對波形分析，提取有用的信息對時域內信號進行濾波放大等處理，確定實測波形最大幅值求取信號波形在不同時刻相似性，消除實測濾波的畸變狀況，確定波形與物理現象的聯系情況，對實測波形進行相關分析。加窗傅里葉變換利用固定時間窗進行時域局部傅里葉變換，小波變換保持高頻率信號具有較高的分辨率。

2.4 火電廠汽輪機組常見故障原因

火電廠發展可以滿足人們的用電安全性，加強汽輪機組設備管理對火電廠生產效益具有重要作用?；痣姀S汽輪機在長期高溫高壓環境下容易產生各種故障，汽輪機運行中各部件受到較大磨損出現變形問題導致異常振動影響發電機組的運行，機組異常振動主要原因包括進氣壓力溫度過高，轉子不對稱與質量不平衡等。設備檢修人員熟悉汽輪機常見故障發生原因才能準確診斷故障?；痣姀S汽輪機組故障診斷需要重點加強轉子質量不平衡、轉子彎曲與動靜摩擦等常見故障原因分析。

轉子質量不平衡是汽輪機組常見振動故障，隨著電廠檢修質量的提高故障率逐漸減少，但仍是目前機組振動主要故障。汽輪機轉子質量不平衡原因包括轉動中部件飛脫松動與轉子熱彎曲。轉子熱彎曲引起質量不平衡主要特征是隨著機組參數提高工頻振動幅度逐漸增大，需要試驗觀察轉子溫度高情況下降速中的幅頻特性。新機轉子熱彎曲通常來自材質熱應力，汽輪機組轉動與靜止部件碰撞是運行中常見故障，碰撞使轉子產生復雜的振動。汽輪機轉子中心孔進油在現場時有發生，由于中心孔探傷后油未及時清理干凈，運轉后由于孔內外差壓使得潤滑油被吸入孔內。汽輪機組軸系中出現截面剛度不對稱是發電機轉子，臨界轉速的一半有響應峰，轉子剛度不對稱使轉子旋轉1周中靜撓曲線改變產生激振力。

2.5 火電廠汽輪機振動故障檢測與維修技術

我國經濟快速發展帶動電力產業的發展，要保證汽輪機運行安全積極性，當前汽輪機向大型自動化方向發展，鍋爐蒸汽壓力溫度不斷提高，使汽輪機工作環境更加嚴峻，導致發生故障引起經濟損失加大，汽輪機發生故障會對電網造成重大沖擊。汽輪機組振動故障診斷是根據相關數據對故障完成定性分析，確定解決措施和實施處理方案。分析汽輪機異常振動原因采取針對性維護方式是保證機組安全運行的關鍵，需要研究常見異常振動故障排查維修措施。

汽輪機長期在高溫高速條件下運行易產生故障問題，需要根據汽輪機運轉狀況制定高效的檢修方法，常見檢修方式包括接觸式與非接觸式方法，監測裝置包括傳感器與處理系統，利用相關規范可以獲取數據了解汽輪機運行狀態。

接觸式檢測主要利用傳感器檢測汽輪機運動信息轉化為電信號，接觸式檢測技術具有設備操作簡單、工作效率高等優點，汽輪機轉動時傳感器可以檢測到運轉應力，接觸式檢測法影響汽輪機的工作效率，汽輪機運轉中產生較大熱量使工作環境溫度升高，應用接觸式檢測裝置要做好安裝工作。非接觸式檢測裝置相比接觸式檢測裝置檢測范圍廣，受到周圍環境影響小。主要利用聲光檢測可以獲取汽輪機的運行參數，非接觸式檢測法采用多普勒原理利用電磁波探測。轉子裂痕故障特征如圖3所示。

圖3 轉子裂痕故障特征

火電廠汽輪機振動故障檢測主要包括熱變形、溫度等，故障檢測時要關注氣缸壁溫度與金屬固有溫度差值，汽缸壁溫度與金屬固有溫度差值過大動靜間隙降低，軸承和軸瓦溫度達到報警值說明汽輪機軸瓦間潤滑系統故障需要及時檢修。汽輪機內部設有嚴密的滑銷系統確保按預設方向膨脹，汽輪機檢修中要關注熱變形數據。要通過采取科學合理的保溫措施確保汽缸各部分溫差在合理范圍內。軸承軸瓦高溫原因包括周圍進油量過小等。要重視汽輪機設備的維護，發現異常情況及時處理。要做好汽輪機的監管工作，采用現代化管理模式保證汽輪機使用規范化。使用中記錄數據發現異常及時報告避免出現重大事故。

3 結語

汽輪機組異常振動故障發生原因復雜，汽輪機運行中長期在高壓高溫條件下運轉部件出現受損問題，要熟悉汽輪機振動故障常見原因，及時采取維修措施確保汽輪機穩定運行。汽輪機異常振動故障可以采用接觸式或非接觸式檢測法，選擇適合的故障排查技術確保電廠安全運行。