火電廠汽輪機(jī)振動故障和診斷技術(shù)研究

王 杰

（國家能源集團(tuán)山西電力有限公司霍州發(fā)電廠，臨汾 041000）

火電廠是我國供應(yīng)電力能源的主要生產(chǎn)單位。要保證電力能源穩(wěn)定生產(chǎn)，需要保障各項設(shè)備均處于正常運行狀態(tài)。汽輪機(jī)作為關(guān)乎電力能源生產(chǎn)速率的重要設(shè)備，正逐步朝著更加智能化、自動化的方向發(fā)展，促使汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的狀態(tài)。在生產(chǎn)過程中，汽輪機(jī)很可能會出現(xiàn)振動故障問題，直接影響其運行穩(wěn)定性，因此對汽輪機(jī)振動故障進(jìn)行診斷排查，成為火電廠關(guān)注的重點。

1 油膜振蕩故障與診斷技術(shù)

為更好地探究火電廠汽輪機(jī)組運行過程中的振動故障問題，以某火電廠為例展開合理診斷。該廠應(yīng)用C12-3.43/0.891 型抽汽凝汽式汽輪機(jī)，主汽門前蒸汽壓強額定值為3.13 ～3.63 MPa，最高運行壓強為3.63 MPa，額定溫度為420 ～440 ℃。該類型的汽輪機(jī)實際應(yīng)用數(shù)量為2 臺，在運行中發(fā)現(xiàn)其中一臺出現(xiàn)振動現(xiàn)象，影響火電廠的發(fā)電穩(wěn)定性與效率。

1.1 故障原因

在汽輪機(jī)運行過程中，滑動軸承出現(xiàn)同軸轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，會導(dǎo)致軸承出現(xiàn)較為明顯的變化，促使滑動軸承發(fā)生自激振動，進(jìn)而引發(fā)油膜振蕩故障[1]。通常情況下，油膜振蕩主要發(fā)生在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子處于兩倍臨界速度時，如果沒有及時處理，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子長時間處于較高的振動幅度，即使通過提升轉(zhuǎn)速的方式也難以消除自激振動現(xiàn)象。同時，滑動軸承的轉(zhuǎn)子油膜振蕩可能會引發(fā)軸系損壞等更加嚴(yán)重的故障連鎖反應(yīng)。對該火電廠內(nèi)的汽輪機(jī)振動故障進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)造成汽輪機(jī)油膜振蕩的主要原因包括軸承穩(wěn)定性不足、軸瓦存在間隙以及潤滑油進(jìn)油溫度低等。

1.2 診斷技術(shù)

針對油膜振蕩故障，首先應(yīng)檢測潤滑油的進(jìn)油溫度。通常情況下，進(jìn)油時的溫度較低容易引發(fā)油膜振蕩問題。因此，應(yīng)提升潤滑油溫度，確保其處于38 ～45 ℃，具有較好的流動性，降低黏稠度。此時，轉(zhuǎn)子將會產(chǎn)生較大的臨界率，具有較高的離心速度，運行過程中的阻力明顯減小，振動情況減輕。其次，通過檢查軸承結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷。一般情況下，火電廠會應(yīng)用具有較強穩(wěn)定性的可傾瓦或橢圓瓦。若發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)的軸瓦為圓筒瓦，則可以認(rèn)定是軸承穩(wěn)定性不足引發(fā)油膜振蕩故障，需要更換為穩(wěn)定性較強的軸瓦。最后，按照標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對軸承間隙進(jìn)行測量診斷。若發(fā)現(xiàn)間隙不符合標(biāo)準(zhǔn)，則可判定為軸瓦間隙不足造成油膜振蕩故障。此時應(yīng)開啟頂軸油泵，促使軸承油膜具有較大的徑向剛度，從而改善軸承間隙，消除故障。

2 動靜摩擦振動與診斷技術(shù)

2.1 故障原因

為了獲得更高的生產(chǎn)效率，火電廠不斷優(yōu)化設(shè)備性能，促使汽輪機(jī)呈現(xiàn)更加智能化的發(fā)展趨勢，造成汽輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的零件更加精密化。各零部件之間間隙較小，導(dǎo)致在運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)碰撞摩擦[2]，長此以往將會引發(fā)嚴(yán)重故障。動靜摩擦振動故障主要由汽輪機(jī)靜子與轉(zhuǎn)子之間相互摩擦造成。汽輪機(jī)正常運行時，轉(zhuǎn)子與靜子之間保持中心重合狀態(tài)，即使在高速運行下轉(zhuǎn)子也不會接觸到靜子。但是，由于設(shè)備老化、缺少檢修等，可能會造成轉(zhuǎn)子偏心。當(dāng)偏移達(dá)到一定程度后，轉(zhuǎn)子與靜子之間就會產(chǎn)生較為頻繁的碰撞摩擦，如圖1所示。在切向力與法向力作用下，轉(zhuǎn)子與靜子出現(xiàn)橫向位移，會引發(fā)汽輪機(jī)振動故障。

圖1 轉(zhuǎn)子摩擦受力結(jié)構(gòu)圖

2.2 診斷技術(shù)

診斷汽輪機(jī)是否為動靜摩擦故障，首先應(yīng)分析振動特征。靜子與轉(zhuǎn)子發(fā)生摩擦碰撞后產(chǎn)生的振動現(xiàn)象具有一定的規(guī)律性，這是因為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的過程中按照一定周期與靜子摩擦碰撞。其次，檢查汽輪機(jī)是否出現(xiàn)局部發(fā)熱的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子與靜子碰撞摩擦?xí)r的速度相對較快，而在二者碰撞位置缺少潤滑油的浸潤保護(hù)，會產(chǎn)生較為嚴(yán)重的干摩擦現(xiàn)象，且碰撞點呈現(xiàn)出明顯的高溫狀態(tài)。最后，在汽輪機(jī)故障診斷過程中，需要借助更加精密的信息化儀器。一般可應(yīng)用渦流傳感器采集轉(zhuǎn)子運行中的頻率、振幅及參數(shù)等，對比正常狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子參數(shù)，根據(jù)參數(shù)異常狀況界定故障類型。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，在今后的振動診斷中，可以通過廣泛應(yīng)用智能監(jiān)控設(shè)備的方式動態(tài)化監(jiān)測汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子與靜子運行狀態(tài)，從而提前控制偏心狀態(tài)，避免異常振動影響汽輪機(jī)運行的穩(wěn)定性。

3 轉(zhuǎn)子故障振動與診斷技術(shù)

造成轉(zhuǎn)子故障問題的原因眾多，主要包括轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生裂痕等，需要根據(jù)具體問題分析振動現(xiàn)象。

3.1 轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡

3.1.1 故障原因

通常情況下，火電廠汽輪機(jī)中所應(yīng)用的轉(zhuǎn)子具有標(biāo)準(zhǔn)的圓形橫截面，在保持圓心與質(zhì)心同處于一條直線的狀態(tài)下正常轉(zhuǎn)動，具有良好的平穩(wěn)性。但是，若轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡，則圓心與質(zhì)心將無法保持在同一直線上，此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中將產(chǎn)生大小不一的離心力，從而引發(fā)汽輪機(jī)周期性的振動問題[3]。轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量引發(fā)的離心力為

式中：F為離心力；m為轉(zhuǎn)子的偏心質(zhì)量；ω為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度；e為轉(zhuǎn)子的偏心距離。

轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡質(zhì)量，一方面是由于工藝水平較差，加工時轉(zhuǎn)子尺寸參數(shù)存在偏差，導(dǎo)致局部質(zhì)量不均衡；另一方面，當(dāng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)熱彎曲、部件脫落等現(xiàn)象時，會對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的原始質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而引發(fā)故障部位質(zhì)量均勻度受損的問題。處于低速運行狀態(tài)時，不平衡的轉(zhuǎn)子質(zhì)量可能不會產(chǎn)生較大的振動擾動。但是，隨著速度的不斷加快，轉(zhuǎn)子運行中將會產(chǎn)生較大的離心力，導(dǎo)致不平衡的質(zhì)量狀態(tài)逐漸明顯，逐漸造成轉(zhuǎn)子振動現(xiàn)象。

3.1.2 診斷技術(shù)

由質(zhì)量不平衡所引發(fā)的轉(zhuǎn)子故障振動問題，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)子振動特性加以檢驗。一方面，檢查轉(zhuǎn)子在運動過程中是否形成橢圓形的軸心運行軌跡，若出現(xiàn)橢圓軌跡則表示其質(zhì)量不均衡。另一方面，判斷轉(zhuǎn)速與振幅之間是否為正相關(guān)，若為正相關(guān)狀態(tài)，則證明是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引發(fā)的振動故障。

3.2 轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生裂痕

3.2.1 故障原因

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂痕同樣會引發(fā)振動故障。在汽輪機(jī)運行過程中，負(fù)荷快速提升時轉(zhuǎn)子處于高溫狀態(tài)，負(fù)荷快速下降時轉(zhuǎn)子則處于低溫狀態(tài)，負(fù)荷增減切換較為頻繁，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子需要頻繁轉(zhuǎn)變溫度狀態(tài)。快速的冷熱變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)應(yīng)力疲勞，在熱應(yīng)力影響下產(chǎn)生裂痕問題。在加工或安裝轉(zhuǎn)子的過程中，技術(shù)操作不規(guī)范，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力不均勻，集中于某一點的應(yīng)力將會在達(dá)到一定累積值后引發(fā)裂痕問題。另外，由于轉(zhuǎn)子長時間處于高溫蒸汽加工環(huán)境下，各種蒸汽中存在的雜質(zhì)在高壓運轉(zhuǎn)下將會與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生持續(xù)碰撞，從而對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)造成一定的磨損。汽輪機(jī)加工中的酸性雜質(zhì)也可能會腐蝕轉(zhuǎn)子，導(dǎo)致其出現(xiàn)各種不同類型的裂痕問題。轉(zhuǎn)子裂痕的特征具體如圖2 所示。

圖2 轉(zhuǎn)子裂痕特征匯總

3.2.2 診斷技術(shù)

診斷是否由轉(zhuǎn)子裂痕引發(fā)的振動故障，首先要檢查汽輪機(jī)的整體剛度。若轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂痕，則會導(dǎo)致局部剛度下降，進(jìn)而在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出不均勻的剛度分布。其次，進(jìn)入臨界轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)將會出現(xiàn)2 倍頻率的振動現(xiàn)象，因此可根據(jù)時域特征判斷是否因轉(zhuǎn)子裂痕產(chǎn)生振動故障，包括轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲現(xiàn)象、臨界轉(zhuǎn)速明顯降低、振動幅度上升、出現(xiàn)與預(yù)期不相符的平衡結(jié)果等。最后，可根據(jù)轉(zhuǎn)子的升速特征加以診斷，包括低速運行時出現(xiàn)較大的時振現(xiàn)象、超過臨界轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生振動且持續(xù)增大。若符合上述特征，則表示汽輪機(jī)的振動故障由轉(zhuǎn)子裂痕造成。

4 汽流激振故障與診斷技術(shù)

4.1 故障原因

汽輪機(jī)組處于高負(fù)荷運行狀態(tài)時，很可能會引發(fā)較為嚴(yán)重的汽流激振故障問題，常表現(xiàn)為葉片較短的高壓轉(zhuǎn)子與直徑較小的葉輪轉(zhuǎn)子具有相對較低的振動頻率。軸封上下部腔室在運行過程中產(chǎn)生較大的壓差，會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一定壓力，促使其向下持續(xù)展開運動。同時，受轉(zhuǎn)子慣性作用的影響，下部腔室會提高腔壓力，在上下壓力同步擠壓的過程中導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生位移，出現(xiàn)渦動現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)氣流激振[4]。

4.2 診斷技術(shù)

診斷汽輪機(jī)振動是否為汽流激振造成，需要先分析機(jī)組數(shù)據(jù)（見表1），然后根據(jù)振動頻率進(jìn)行持續(xù)性研判。雖然短時間內(nèi)無法根據(jù)氣流激振情況界定引發(fā)故障的主要因素，但是通過長期記錄并匯總機(jī)組的振動數(shù)據(jù)，繪制成曲線圖后進(jìn)行仔細(xì)觀察，能夠總結(jié)出汽輪機(jī)汽流激振故障的變化趨勢，并根據(jù)其振動范圍判斷引發(fā)振動故障的原因[5]。

表1 汽輪機(jī)組滿負(fù)荷振動參數(shù)

在確定汽流激振的主要原因后，可通過增加防渦汽封的方式消除振動的可能性。同時，通過合理調(diào)節(jié)汽缸及轉(zhuǎn)子的位置避免中心線偏移。為了防止轉(zhuǎn)子受蒸汽作用影響造成偏移，可以通過調(diào)節(jié)汽門啟動程序的方式，有效避免汽輪機(jī)出現(xiàn)明顯的振動故障。

5 結(jié)語

汽輪機(jī)是影響火電廠正常發(fā)電的重要設(shè)備，其運行穩(wěn)定性受到振動影響。常見的振動故障包括油膜振蕩、轉(zhuǎn)子故障振動、動靜摩擦振動以及汽流激振等。應(yīng)做好針對性的診斷分析，選擇切實可行的處理方式，以便有效消除振動故障，恢復(fù)汽輪機(jī)的正常運行狀態(tài)。