汽輪機運行中的故障診斷

劉貞慧

唐山華潤熱電有限公司,河北唐山 063004

0 引言

汽輪機是一種高速旋轉機械，其主要的構造部件包括轉子、轉子軸承、汽缸以及聯軸器等。由于在加工或者安裝過程中存在缺陷，將導致汽輪機在運行的過程中出現振動。根據振動的類型可以將振動分為橫向振動、軸向振動以及扭轉振動三種。而根據導致振動的激勵方式，又可以將振動分為基頻振動和二倍頻振動。其中，導致汽輪機運行不穩定或者是破壞的主要原因是由橫向振動或者是基頻振動而導致的。

1 某汽輪機發電機組的具體運行情況

該汽輪機屬于凝汽單抽汽式汽輪機，該機組包括汽輪機、發電機以及勵磁機三個轉子。各個轉子都采用絞支孔螺栓來進行連接，各個轉子都采用兩對雙列軸承進行支撐。其中，第一支撐軸承位于汽輪機的進汽側；第二支撐軸承位于汽輪機的排汽側；第三支撐軸承位于發電機機組的始端；銷軸軸承座位于發電機的末端；第五支撐軸承位于勵磁機組的末端。該機組從投入生產以來一直存在著振動偏高的問題，之前機組的振動報警值設置為75μm，停機值設置為120μm。但是由于振動情況處于不正常的范圍之內，經常導致機組報警、停車，因此需要對報警值和停車值進行調校。當前的報警值為120μm，停車值為160μm。調整之后，雖然汽輪機工作正常，但是這種調整沒有任何的理論依據，屬于一種比較盲目的調整方式，且調整之后并沒有從本質上減小汽輪機的振動，使得機組存在著較大的安全隱患。因此，有必要對該汽輪機的工作狀態進行監測和分析，通過振動測試以及頻譜分析等方法，找到導致振動的根本原因，提出針對性的改進策略。

2 汽輪機組振動頻譜分析結果

在現場對各個測試單的振動情況進行測試，并采用頻譜分析之后，發現如下問題：

其一，汽輪機組的整體振動會隨著選擇的振動標準而出現一定的矛盾，從使用的標準來看，采用IS03954的振動標準能夠更加合理的來描述振動情況。且這種振動標準能很好的與現場測試條件吻合。在采用IS03945標準之后，發現該機組的整體振動情況尚處于一個良好的穩定狀態，只是局部測速點的振動值偏高，但是還尚處于ISO3954標準的控制范圍之內。

其二，機組當前存在的位移振動超標問題并非一定能夠真實的反映出機組的真實振動情況，可能是由于各種虛假的信號而導致的。通常，在采用電渦流位移傳感器對振動進行測量時，存在的虛假信號主要包括：

1）與測試點位置相對應的轉子軸的周徑上可能存在一定的橢圓度；2）與測試點位置相對應的轉子軸的表面受到了非均勻的磁化作用；3）測試點設置的位移傳感器固定不牢固。這時，由于位移傳感器是設置在機組殼體上的，而機殼在工作過程中也存在振動，隨著測試時間的延長可能導致傳感器出現松動。或者是由于與傳感器相連的導線出現松動，隨著旋轉軸隨著時間發生的一系列振動，會出現隨著實踐間隔而變化的脈沖信號。該信號將與正常的振動信號疊加在一起，使得振動幅值增加，造成振動幅值超標的錯誤現象；4）從對各個測試點的振動進行頻譜分析，可以發現導致機組振動的各主要激振頻率包括：50Hz、100Hz、150Hz以及350Hz。其中，最主要的激勵頻率是50Hz導致的基頻振動。

從機組的整體振動情況來看，當前機組尚處于正常運行的狀態，不必對之進行檢修，但是需要進行實時監測。

3 汽輪機組振動原因及控制策略

3.1 轉子不平衡導致的振動

由于轉子質量存在偏心，當轉子轉動一周時，將使得轉子受到周期性的由于不平衡質量而帶來的離心慣性力的激勵。該周期性的沖擊將導致轉子產生一種異常的強迫振動，其振動頻率即為轉子的轉動頻率。在進行頻譜分析的過程中，將會發現其中存在一倍頻振動的成分，具體表現為：

其一，當轉子為剛性時，由于質量不平衡而導致的離心力將和轉子轉速的平方成正比。當在軸承座上設置測試點時，還會發現振動會隨著轉子轉速的增加而迅速增大，當這時并不一定與轉速的平方成正比，這時主要表現的是一種非線性關系。其二，在轉子的臨界轉速附近，振動幅值會出現一個與臨界轉速相差1800的最高點。

3.2 熱不平衡導致的振動

從現場的振動數據來看，基頻振動是導致機制振動的主要振動。而導致徑向基頻振動的主要原因是轉子的熱彎曲以及質量不平衡。為了能夠有效的區別基頻振動到底是由質量不平衡造成的還是由熱彎曲(熱不平衡)而導致的。可以將機組的發電功率降低，在兩種不同的工況下進行振動情況的分析與對比進行診斷。

3.3 轉子質量不平衡導致的振動

導致質量不平衡的主要原因包括：其一，由于結構設計缺陷兒導致結合尺寸存在偏差，結構不同心、旋轉中心與幾何中心相分離；其二，加工安裝過程中存在誤差；其三，制造轉子的材料存在不均勻的問題；其四，轉子在投入生產前就存在初始彎曲；其五，汽輪機的工作介質中的雜質在轉子上不均勻的分布和沉積；其六，轉子上的零部件出現松動、脫落等問題；其七，在使用的過中，由于受到腐蝕、磨損或者是損壞而導致質量不平衡。

從上面的原因來看，除了第二種情況需要在安裝過程中予以注意之外，其他問題在運行現場是難以克服的。其中，轉子存在初始彎曲的問題主要和轉子的運輸以及儲存等情況相關，在實際的工程中應該加以考慮。根據汽輪機的現場運行情況來看，第五種原因一般不會出現，而第六和第七種原因是現場運行檢測的重點。在進行檢修時，應該對各個零部件的松動及脫落情況進行檢查，尤其是轉子葉輪上各個葉片、葉片周圍以及葉片和輪轂的連接處，應該進行重點檢查。

另外，現場微小的沖擊都會對汽輪機造成一定的損壞，尤其是汽輪機這種高速旋轉的機械，任何細小的振動都將導致較大的振動。同時，在對葉片進行修復和更換時，應該注意葉輪的調頻頻率以及葉片的基頻，以避開基頻以及基頻的倍頻。

[1]張淼.凝汽單抽汽式汽輪機振動原因分析和故障診斷[D].西安石油大學，2008，10.

[2]張業明.汽輪機加熱器數學建模和運行故障診斷[D].浙江工業大學，2011.