淺談三門核電汽輪機(jī)振動(dòng)監(jiān)測及診斷系統(tǒng)

摘要：汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)是關(guān)系到電站安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要指標(biāo)，文章介紹了汽輪機(jī)振動(dòng)常見故障產(chǎn)生的原因及其特征，探討了汽機(jī)振動(dòng)的危害，闡述了三門核電的汽輪機(jī)監(jiān)測診斷系統(tǒng)的重要性。

關(guān)鍵詞：三門核電；汽輪機(jī)；汽機(jī)振動(dòng)；振動(dòng)監(jiān)測；振動(dòng)診斷 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TK268 文章編號：1009-2374（2015）24-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.030

隨著汽輪機(jī)向大型化方向發(fā)展，機(jī)組振動(dòng)問題日益突出，劇烈的振動(dòng)將威脅著機(jī)組的安全。迫切需要先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，尤其對于三門核電1251MWe的大型汽輪機(jī)組，振動(dòng)的危害將更加巨大，所以對汽機(jī)振動(dòng)的監(jiān)測和分析診斷顯得尤為重要。

1 汽機(jī)振動(dòng)的常見原因及特征

1.1 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡及轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)

產(chǎn)生機(jī)理：由于轉(zhuǎn)子制造誤差、裝備誤差以及材質(zhì)不均勻等原因或由于轉(zhuǎn)子上不均勻結(jié)垢，介質(zhì)中粉塵的不均勻沉積，介質(zhì)中顆粒對葉片及葉輪的不均勻磨損以及工作介質(zhì)對轉(zhuǎn)子的腐蝕等，引起質(zhì)心偏離幾何中心，轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行時(shí)，微小的質(zhì)子偏心也能引起較大的振動(dòng)。轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見的故障。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有一半以上的振動(dòng)故障與轉(zhuǎn)子不平衡有關(guān)。

故障特征：（1）時(shí)域波形圖：波形近似為正弦波；（2）頻譜圖：諧波能量集中于基頻并且會(huì)出現(xiàn)較小的高次諧波，使整個(gè)頻譜呈所謂的“樅樹形”；（3）振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化而發(fā)生較大變化；（4）軸心軌跡：軸的X、Y方向上剛度有差別導(dǎo)致轉(zhuǎn)子對平衡質(zhì)量的影響在X、Y方向振幅不同且相位差也不同，故轉(zhuǎn)子的軸心軌跡不是圓而是橢圓；（5）振動(dòng)隨油溫或介質(zhì)溫度變化不顯著。

1.2 油膜振蕩

產(chǎn)生機(jī)理：當(dāng)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速高于兩倍轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生的軸瓦自激振動(dòng)通常為油膜振蕩。即半速渦動(dòng)的渦動(dòng)速度正好與轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速相重合，此事的半速渦動(dòng)被放大，從而產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。

故障特征：（1）頻譜圖：低頻成分明顯，<0.5X頻；（2）振蕩突然增大后，即使轉(zhuǎn)速再升高，振動(dòng)值也不變化。

1.3 動(dòng)靜件摩擦振動(dòng)

產(chǎn)生機(jī)理：由于汽機(jī)軸封、級間密封、油封間隙和葉片頂隙等間隙都比較小，較小的間隙會(huì)引起流體動(dòng)力激振，也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)子與靜止部件之間的摩擦。其中轉(zhuǎn)子的不平衡、轉(zhuǎn)子與靜子的熱膨脹不一致、密封力作用以及轉(zhuǎn)子對中不良等原因，都會(huì)引起動(dòng)靜件摩擦振動(dòng)。

故障特征：（1）時(shí)域波形圖：有單邊波峰“削波”現(xiàn)象；（2）頻譜圖：含有高次諧波；（3）摩擦局部會(huì)有溫升。

1.4 轉(zhuǎn)子不對中

產(chǎn)生機(jī)理：彎曲變形的轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)軸內(nèi)阻現(xiàn)象以及轉(zhuǎn)軸表面與旋轉(zhuǎn)體內(nèi)表面之間的摩擦而產(chǎn)生的相對滑動(dòng)，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生自激旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，當(dāng)主動(dòng)轉(zhuǎn)子按一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生周期性變動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周變動(dòng)兩次。

故障特征：（1）時(shí)域波形：是1X頻與2X頻疊加的波形；（2）頻譜圖：2X頻明顯偏高；（3）振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化而發(fā)生較大變化；（4）振動(dòng)隨油溫或介質(zhì)溫度變化敏感。

2 汽機(jī)振動(dòng)的危害

2.1 機(jī)組經(jīng)濟(jì)性降低

汽輪機(jī)在運(yùn)行期間，良好的汽封間隙有助于提高機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性，但如果振動(dòng)過大，則會(huì)改變汽封間隙，從而影響機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。

2.2 使機(jī)組動(dòng)靜部分及支撐部件產(chǎn)生損壞

機(jī)組由若干個(gè)不同的部件組成，如端部的軸封、葉片、圍帶、葉輪、軸瓦等，當(dāng)機(jī)組產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，引起動(dòng)靜摩擦，會(huì)引起部件嚴(yán)重受損。

2.3 造成電站停運(yùn)

如果振動(dòng)過大時(shí)，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組上的一些儀表的工作無法正常工作，發(fā)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致停機(jī)事故的發(fā)生。

3 三門核電汽機(jī)振動(dòng)監(jiān)測與診斷功能

三門核電汽輪機(jī)振動(dòng)監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，主要分為汽機(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)TSI和汽機(jī)振動(dòng)診斷系統(tǒng)TDM兩部分。

3.1 汽機(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)TSI

TSI提供模擬量監(jiān)測輸出和數(shù)字量跳閘輸出至汽機(jī)控制和保護(hù)系統(tǒng)，也提供泵（如給水泵和凝結(jié)水泵）振動(dòng)檢測模擬量輸出和數(shù)字跳閘輸出至全廠DCS。TSI主要包括探頭、前置器、專用電纜、帶信號整定的機(jī)柜、監(jiān)視器及其他設(shè)備。TSI振動(dòng)測量包括：

3.1.1 軸振監(jiān)測。軸振測量分為相對軸振測量和絕對軸振測量。相對軸振是指相對于軸瓦而言軸的振動(dòng)。絕對軸振為軸相對于靜止點(diǎn)的振動(dòng)，通過軸的相對振動(dòng)和殼振的合成，可以得出軸的絕對振動(dòng)。

3.1.2 瓦振監(jiān)測。瓦振即殼振、軸承振動(dòng)，在軸旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的過程中，必然會(huì)引起軸承的振動(dòng)，通過速度傳感器或加速度傳感器可以測量瓦振。

3.1.3 軸向位移及脹差監(jiān)測。布置兩個(gè)軸向位移傳感器，滿足冗余和表決需要。軸向位移的突變可能導(dǎo)致動(dòng)靜部件的摩擦碰撞，軸向位移是很關(guān)鍵的參數(shù)。脹差是由于膨脹速度不一樣，在軸向，氣缸和轉(zhuǎn)子膨脹的差值。脹差測量通過相對測量即可得到，傳感器安裝于氣缸上，監(jiān)測軸的位置變化，輸出就是脹差。

3.1.4 殼脹、閥位監(jiān)測。通過在汽輪機(jī)機(jī)殼兩側(cè)各裝一個(gè)LVDT傳感器，監(jiān)測汽輪機(jī)熱變形。一般安裝在汽機(jī)底座上，頂端接觸到氣缸外殼，測量其相對于底座的膨脹。

3.2 汽機(jī)振動(dòng)診斷系統(tǒng)TDM

TDM執(zhí)行汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)診斷功能。主要特點(diǎn)為：永久性安裝、不間斷地對機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測；完整保留機(jī)組振動(dòng)的歷史數(shù)據(jù)、起停機(jī)數(shù)據(jù)和升降負(fù)荷數(shù)據(jù)；提供豐富的專業(yè)診斷圖譜，幫助專業(yè)管理人員隨時(shí)觀察機(jī)組運(yùn)行情況、并對機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行深入分析和診斷；可以長時(shí)間、大容量地保存機(jī)組的歷史診斷數(shù)據(jù)；當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障后，能方便地查詢機(jī)組的故障變化趨勢。主要包括：數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)診斷兩部分。

3.3 數(shù)據(jù)分析

3.3.1 數(shù)據(jù)獲取和分析的時(shí)間間隔。對于振動(dòng)向量、電廠數(shù)據(jù)（負(fù)荷），系統(tǒng)每秒鐘獲取并分析一次；對于頻譜，系統(tǒng)每兩小時(shí)分析一次。當(dāng)振動(dòng)向量或負(fù)荷超過限值，或者操縱員要求時(shí)立即執(zhí)行。

3.3.2 檢查數(shù)據(jù)是否超過限值。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到振動(dòng)或軸承溫度超過限值時(shí)，會(huì)在LCD報(bào)警窗口上顯示一個(gè)報(bào)警信息。如果振動(dòng)或軸承溫度降到限值一下，系統(tǒng)會(huì)清除報(bào)警信息并顯示一個(gè)“恢復(fù)正常”信息。

3.3.3 顯示。分析結(jié)果顯示包括主監(jiān)視圖、棒圖、振動(dòng)表格、過程量表格、波形、頻譜、軸心軌跡、軸系仿真、軸心位置圖、波特圖、極坐標(biāo)圖、級聯(lián)圖、相關(guān)趨勢圖及列表。

顯示窗口硬拷貝。

數(shù)據(jù)保存：正常工況下，系統(tǒng)最少可以保存十年的數(shù)據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)診斷

故障診斷是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的工程師幫助軟件或稱專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過人機(jī)對話方式，用于診斷機(jī)組是否正常運(yùn)行、是否發(fā)生異常故障的可信度、故障發(fā)生的原因以及排除故障的措施等。由于現(xiàn)場情況的復(fù)雜性，診斷結(jié)果只能供有關(guān)人員進(jìn)行決策時(shí)起參考作用。故障診斷軟件系統(tǒng)由三個(gè)庫和六個(gè)功能模塊組成。三個(gè)庫是指機(jī)組數(shù)據(jù)庫、征兆事實(shí)庫和診斷知識庫；六個(gè)功能模塊是指信號分析、征兆獲取、自動(dòng)診斷推理、診斷解釋、故障處理和對話診斷。系統(tǒng)自動(dòng)診斷出的原因舉例如下：軸不平衡、軸裂縫、軸承磨損、轉(zhuǎn)子未對中、油膜振蕩/渦動(dòng)、轉(zhuǎn)子彎曲、摩擦、轉(zhuǎn)動(dòng)部件松動(dòng)、發(fā)電機(jī)熱彎曲、聯(lián)軸器不耦合、轉(zhuǎn)子不對稱。

4 結(jié)語

對汽輪機(jī)進(jìn)行在線振動(dòng)監(jiān)測，并及時(shí)準(zhǔn)確地分析和診斷，對于指導(dǎo)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止機(jī)組發(fā)生重大事故，及時(shí)進(jìn)行故障診斷和處理具有重要意義。利用在線振動(dòng)監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，可準(zhǔn)確預(yù)測設(shè)備性能和潛在的事故趨勢，為電廠實(shí)時(shí)狀態(tài)檢修提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

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作者簡介：陶佳林（1986-），男，浙江嘉興人，中核集團(tuán)三門核電有限公司助理工程師，研究方向：振動(dòng)監(jiān)測。

（責(zé)任編輯：陳 倩）