火電廠汽輪機常見振動故障分析及故障診斷技術

北京國電電力有限公司上灣熱電廠 劉小虎

高溫高壓蒸汽快速沖擊汽輪機轉子葉片帶動葉片旋轉，進而對外做功是汽輪機的基本運行原理，從這一點上即可發現，汽輪機內部運行環境較為惡劣，尤其是一些大型汽輪機，其標定的蒸汽壓力、蒸汽溫度以及平均運行轉速都相對較高，而且作為大型機械設備，其整體結構較為復雜，分支零部件數量較多，因此汽輪機故障診斷是一項極為復雜的工作。就目前火電廠汽輪機整體運行情況來看，即使完全按照維保手冊落實檢修維護工作，也很難完全規避汽輪機故障，尤其是在運行年限增加設備磨損的情況下，汽輪機容易出現各種不同類型的振動故障。

各種類型的振動故障都會在一定程度上影響設備運行穩定性和安全性，一旦發現振動故障，必須立即采取相應的檢修措施排除故障。由于振動故障相對比較直觀，因此容易被發現，但能夠導致振動故障的因素相對較多，只有明確故障問題才能針對性開展相應的維修工作，因此明確汽輪機故障原因、強化汽輪機故障診斷技術，是火電廠汽輪機組工作人員的重點工作內容。本文以某火電廠汽輪機常見振動故障分析為入手點，對不同類型振動故障的診斷技術進行研究。

1 某火電廠汽輪機常見振動故障分析

1.1 轉子與靜子碰撞振動

火電場所用汽輪機多為集成化程度較高的現代化汽輪機，這種設備在保證輸出功率的同時，有效控制了設備體積，其內部構件密集度較高，因此各部分之間的間隙距離也相對較小。

轉子和靜子是汽輪機兩大主要結構，而轉子與靜子在正常運行情況下不會直接接觸，如果二者因某些問題發生摩擦碰撞，則會導致汽輪機出現異常振動的情況。將汽輪機轉子與靜子以同心圓形式置于平面直角坐標系中，并使圓心與坐標軸零點重合，一旦轉子因某些因素與靜止摩擦碰撞，那么此時其不僅受到法向力作用，而且也產生相應的切向力[1]。

想要計算摩擦碰撞時的法向力，首先就要計算切向力，這需要了解靜子內緣與轉子外緣的距離、轉子位移量以及靜子剛度，設F1為切向力、h1為轉子位移、h2為內外緣間距、K為靜子剛度即可列出等式：F1=k（h1-h2），而將轉子與靜子置于平面直角坐標系后，可根據其在縱軸和橫軸上的位移量求得轉子在系統中的位移量，如其在x軸上的位移量為a，y軸上的位移量為b，則轉子在系統中的位移量為：。

測得轉子與靜子之間摩擦系數為μ，設法向力為F2則F2=F1×μ，額外剛度量為：。在靜子與轉子接觸的瞬間將整個汽輪機視作一個系統，此時系統中增加了一個額外剛度量，因此運動中的轉子會出現明顯的水平方向位移并造成設備異常振動[2]。

1.2 轉子質量分布不均

轉子質量分布不均是造成汽輪機振動的重要原因，正常情況下，轉子從質量分配到形態層面均進行了完善設計，其在高速旋轉過程中與質量相關的各個方向的應力作用是平衡的，而一旦轉子質量分布不均則會導致轉子在高速旋轉時產生明顯的離心力，由于相同周期內汽輪機轉速保持相同，因此離心力作用下引發的振動也表現出明顯的周期性特點。根據力學原理，轉子質量分布不均勻時其高速旋轉過程中所受離心力與轉子角速度、偏心距離以及偏心質量有關，如設轉子受到的離心力為F3、轉子角速度為ω、偏心質量為m、偏心距離為h3則F3=m×ω×h3。

一般來講，轉子質量分布不均主要有以下幾方面原因：一是出廠時設備加工質量不達標，沒有在重量分配和形狀設計方面達到平衡標準；二是轉子在長期高溫高壓運作環境下出現形變；三是轉子上的某些零部件脫落[3]。上述原因都會導致轉子在旋轉過程中出現異常離心力進而引發設備振動。

1.3 轉子不對中

火電廠汽輪機轉子呈節段性分布，正常情況下各相鄰轉子不在同一中心線之上，而一旦出現轉子偏移的情況，就會導致設備運行過程中出現振動現象，相鄰轉子偏移也分為多種情況。

一是相鄰轉子中心線橫向無位移但出現縱向位移，這種情況下，兩部分轉子在運作過程中都受到周期性離心力的影響；二是相鄰轉子之間無橫向位移但出現縱向夾角，這種情況一般稱之為角度不對中，此時雖然相鄰轉子的軸線交點發生變化，但偏一部分的轉子其軸線已與正常軸線出現一定夾角；三是相鄰部分轉子不僅軸線出現夾角，而且軸線交點位移，這種情況可以視作前兩種情況的結合，偏移的轉子軸線連接點之間既出現了高度差同時也出現了一定的軸線夾角（如圖1所示）[4]。

圖1 組合不對中示意圖

1.4 轉子結構損傷

汽輪機長期處于高溫高壓的運行狀態之下，尤其是轉子部分，轉子直接承受高溫高壓蒸氣的沖擊，且是整個系統中主要的動作結構，因此轉子出現結構性損傷是一種常見的故障問題，而這種結構損傷往往會引發設備出現振動現象，不同類型轉子結構損傷導致的設備振動情況也各不相同，故障特點都較為突出。從既往工作經驗上看，轉子結構損傷主要有以下幾方面原因。

首先是運行啟動不科學進而引發的金屬過疲勞損害。轉子葉片和固定結構均為金屬材質，因此有明顯的熱脹冷縮特性，如果汽輪機運行過程中頻繁啟停且運行過程中設備載荷變化較大，則轉子相關結構會在過程中因溫度變化反復膨脹或收縮，這嚴重加劇了金屬疲勞，影響了轉子各結構的運行壽命。

其次是轉子設計或安裝過程中因某些因素導致部分應力集中于一處，由于受力不均衡，應力集中點的受力參數相對較大，在持續運行的過程中此處更易受損。

最后是腐蝕損害，轉子在承受高溫高壓蒸汽沖擊的過程中，葉片和主要固定結構均受蒸汽的直接影響，如蒸汽中存在某些腐蝕性物質就容易在長期運行過程中導致轉子受損[5]。

2 某火電廠汽輪機常見振動故障診斷技術

2.1 轉子與靜子碰撞振動診斷

轉子與靜子碰撞振動故障特點較為明顯。首先，絕大多數情況下，轉子與靜子摩擦碰撞點是固定的，因此從振動周期上來看，這種類型的故障普遍表現為周期性振動；其次，如果轉子與靜子出現了摩擦碰撞，那么由碰撞機械能轉化而來的熱能就會在故障點處聚集，因此這類故障會表現出明顯的局部過熱特點。在進行檢查診斷時，首先可以使用渦流傳感器來對轉子運行情況進行分析，通過采集轉子振幅參數來分析是否存在轉子與靜止摩擦碰撞的情況。此外，還可在設備運行狀態下，使用紅外線熱成像儀對設備整體溫度進行分析，如振動問題明顯且有異常高溫點則可判定故障類型。

2.2 轉子質量分布不均診斷

如果考慮是因轉子質量分布不均而造成的振動故障，則可在檢查診斷過程中檢測轉子中心軌跡，如確為此類故障則其軸心軌跡周期變化且呈橢圓形。另外，要結合振動情況檢測設備當前振動相位角，如振動故障是由轉子質量分布不均造成則其振動相位角幾乎不變，而且汽輪機轉速也基本保持平穩，雖然設備振動比較明顯但汽輪機轉速波動不大，檢測結果多在標準范圍以內，調整轉速也不會出現異常問題。

要測量振幅并分析振幅與轉速之間的關系，如果設備存在轉子質量分布不均的情況則轉速提升后其振幅也會提升，二者之間呈正比例變化。此外，還可通過時域波形、相位特征以及矢量區域等來分析故障問題的具體情況，根據這些參量可以區分原始不平衡、漸變不平衡和突變不平衡（見表1）。

表1 不同參量與不平衡類型的關系

2.3 轉子不對中診斷

現在火電廠汽輪機組普遍配有相應的自檢監測系統，如懷疑振動故障是由轉子不對中引起，首先應重點觀察轉子頻率，分析徑向方向上的轉子頻率圖，如果一倍頻和多倍頻相對較少，而二倍頻比較多則要重點考慮是否是相鄰轉子徑向位移，振幅越大意味著偏移量越多。其次要觀察軸向轉子頻率，如果始終處于一倍頻振動則要注意觀察相鄰轉子軸向振動的差值，如果差值較大，則說明相鄰轉子存在軸向偏移角。如果以兩倍頻為主則要檢查振幅波形和軸向徑向相位差，如果波形穩定的前提下，兩個方向的相位差相對較大則說明既存在徑向高度差也存在軸向夾角。

在診斷過程中可根據轉子振動的軸向振幅來分析轉子偏差的程度，轉子軸向振動越大說明偏移的轉子與轉子中軸夾角越大，其振動幅度也越大、故障嚴重程度也越大。而且軸向振幅還可作為判斷轉子不對中類型的依據，可以動態檢查轉子軸向振幅的波形來分析轉子錯位情況。

2.4 轉子結構損傷診斷

轉子結構受損后，相關部位出現裂痕，這種情況下轉子在轉動過程中就會出現受力不對稱的情況，而且結構受損還會導致轉子部分區域剛度下降，在低轉速區間時不嚴重的轉子裂痕一般不會導致明顯的異常診斷，但當轉速升高，設備整體負荷增加時，由于受力不均加上某些區域剛度降低，此時轉子會出現明顯的軸向振動，觀察轉子相關參數可以發現當前振動以二倍頻為主。

此外，從時域特征上看存在此類故障的設備有明顯的轉子熱彎曲情況，而且采取動平衡處理后這個問題無法緩解。從升速特征上看，如果轉子存在結構損傷則其表現出低轉速時振幅大、高轉速時振幅小的特點，而且隨著轉速提升超過臨界轉速后振幅明顯增大，此時設備不僅表現出既有異常問題，而且還會出現共振的情況。如果存在上述特征應重點考慮是否出現了轉子結構損傷。

3 火電廠汽輪機常見的振動故障技術發展分析

從電子系統和在線監測系統的發展情況上看，未來火電廠汽輪機運行監測工作將朝向數字化、網絡化和智能化發展。不僅要構建以多類型傳感器為信息采集模塊的運行狀態監測系統，同時也要根據已知故障特征形成相應的故障預警報警系統。系統診斷單元應與專家數據庫系統聯網，依托系統前端的數據預處理模塊來采集汽輪機當前各類運行參數并將數據同步至專家數據庫，對比數據庫中的標準參數以明確當前運行狀態。

專家數據庫進行動態數據更新，同步案例數據到系統之中并開展專家數據庫樣本訓練，基于系統自身具備的學習成長功能，不斷提升系統對不同類型故障的辨析處置能力。專家數據庫系統的建設目標是實現汽輪機常見故障的分析診斷，在發生故障后其應能提供詳細的故障參數以及診斷報告，便于工作人員對設備進行維修。結合汽輪機檢修手冊和實際運行情況動態調整標準數據值，一旦傳感器采集到的設備運行參數與標準參數不對應，則自動分析單一異常參數或異常參數組對應的故障問題，通過人機交互界面及時發出故障告警并向工作人員傳遞具體的故障參數。