汽輪發電機組間歇性振動故障分析與處理

周 淼，王廣庭，盧雙龍

(國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

汽輪發電機組間歇性振動故障分析與處理

周 淼，王廣庭，盧雙龍

(國網湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077）

針對某電廠汽輪發電機組在運行過程中，頻繁出現間歇性軸系振動大的故障（有時達到跳閘值）問題，為了保障機組的安全穩定運行，通過對機組軸系振動數據的測試和分析，確定了其振動故障的根本原因。據此進行了檢修和改良，通過油擋修刮、加大油封回油孔和加裝擋汽板等措施，有效解決了機組振動故障。

間歇性振動；碰磨；汽輪發電機組；油擋；積碳

某電廠的一臺汽輪發電機組，軸系由高、中壓汽輪機轉子、低壓汽輪機轉子、發電機轉子和勵磁機轉子組成，其中高、中壓轉子由1號和2號軸承支撐。該機組在檢修后一年左右時，高、中壓轉子頻繁出現間歇性振動大的故障，軸振幅值有時可達到跳機值，嚴重威脅機組的安全穩定運行。通過對機組振動進行全面測試和數據分析后，判定其振動故障的根本原因為：高、中壓轉子端部油擋內潤滑油結焦碳化，導致了動、靜部件碰磨。

1 機組振動情況

該機組軸系結構如圖1所示，兩根汽輪機轉子由1～3號軸承支撐，軸瓦為橢圓瓦，從驅動端看為順時針旋轉。

機組在大修剛結束的啟停機及帶負荷過程中，軸系振動穩定正常。在檢修后一年左右時，逐漸開始出現軸系間歇性振動故障，尤其以高壓轉子軸振表現明顯，且發生頻率日趨頻繁，約10 h發生一次，幅值存在逐次增大的趨勢。每次振動故障持續約30 min，之后幅值回落至正常值。機組軸系各軸振測點變化趨勢如圖2所示，軸系振動數據如表1所示。

圖1 機組軸系結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of unit rotor

從軸系振動趨勢圖和診斷數據列表中可以看出，該機組振動故障具有如下幾個主要特點：

1）正常情況下，機組軸系各振動測點均在合格范圍以內，最大振動處為1y測點，數值為52 μm，并且機組可以在正常值維持相對較長一段時間。

2）在機組發生振動故障時，爬升和回落的整個過程大約持續30 min，之后機組軸系振動可以恢復到故障發生前的振動水平。

圖2 軸系間歇性振動趨勢圖Fig.2 Intermittent vibration trend chart of rotor

表1 故障期間軸系各測點振動數據列表Tab.1 Vibration data of rotor during fault

3）振動爬升現象首先發生在高中壓轉子前端，之后各測點振動隨后逐步增大，振動最劇烈時，振動最大點為1x，幅值由43 μm爬升至179 μm。

4）在間歇性振動發生時，軸系各測點振動相位也隨之發生了較大的變化，2x、2y測點相位分別減小了89°和67°，在振動幅值回落后，各測點相位也恢復到正常值。

2 故障原因分析

2.1 故障發生的可能原因

該機組振動故障主要表現為軸系振動爬升和間歇性。根據振動特征分析，引起機組此類振動故障的原因存在以下幾種可能：

1）動、靜部件存在碰磨。動、靜部件出現碰磨，轉子軸頸將會受到摩擦力的沖擊作用，振動幅值增大，同時，摩擦產生的熱量會造成轉子局部溫升，導致轉子出現臨時彎曲，進而加劇動、靜部件之間的碰磨[1]；在磨損較大或動、靜間隙增大后，動、靜部件碰磨消失，轉子彎曲現象也將逐漸緩解，振動隨之逐步降低至正常值[2]。

2）油膜振蕩。油膜振蕩是由于滑動軸承中的油膜作用而引起的旋轉軸的自激振蕩，該故障一般與軸瓦類型、潤滑油黏度、軸承承載情況以及主蒸汽配汽方式等因素存在一定的關聯，在機組發生油膜振蕩后，機組軸系振動持續爬升并呈發散性質，通常伴隨半頻或低頻分量出現[3]。

3）聯軸器對中不良；在此情況下，不均衡扭矩將會產生附加擾動力作用到轉子上，引起軸系不穩定振動，但此類故障通常在機組負荷或轉速變化過程中，并伴隨高次諧波。但該機組發生間歇性振動發生在機組穩態運行時，機組運行工況和參數未見顯著變化，因此基本可以排除聯軸器對中不良的原因。

4）動靜部件間存在異物進入。在動靜部件小間隙部位，如軸封、葉片頂部等如有帶液蒸汽或異物進入，將會導致轉子突發性振動[4]。但從該機組振動故障的頻發性和漸變性特征來看，異物進入的可能性較小。

為進一步確定該機組振動故障根本原因，對軸系各測點振動數據進行了頻譜分析，在振動幅值最大時，軸系各測點振動頻譜圖如圖3所示。

圖3 軸系振動頻譜圖Fig.3 Vibration frequnency spectrum of rotor

由軸系頻譜圖可以看出，軸系各測點振動均以工頻分量（50 Hz）為主，伴隨少量倍頻分量，基本未見半頻或低頻分量。通過軸系振動頻譜圖基本可以排除油膜振蕩的可能性。

從機組振動數據表現特征綜合分析，認為發生動、靜部件碰磨的可能性最大。

2.2 碰磨振動故障分析

通常汽輪機發生動、靜碰磨的部位在隔板汽封、圍帶汽封及軸端汽封，還可能在軸承油擋、擋汽片部位；發電機的徑向碰磨大多發生在密封瓦處[5]。該機組振動故障發生時主要表現在1號、2號軸承振動測點處，可以判定機組摩擦發生在高、中壓轉子上。

碰磨故障通常表現為其他故障的間接結果，如轉子質量不平衡、轉子彎曲、油擋結焦積碳以及熱膨脹或變形造成的間隙不足都可能引發動、靜碰磨[6]。

由該機組正常運行時振動數據來看，機組軸系質量不平衡現象尚好，各測點振動均在合格范圍內；轉子彎曲與熱膨脹等因素引發的碰磨，一般與軸封溫度、脹差等運行參數緊密相關，與該機組振動故障特征不甚相符。同時考慮到該機組的振動故障發生在檢修一年后的穩定運行狀態下，基本也排除了軸封等部件安裝間隙過小導致的碰磨。

對機組進行仔細了現場檢查，發現該機組高中壓轉子軸端汽封漏氣較為嚴重，且沒有配置擋汽板，軸封對外的漏氣直接噴覆到軸承的油擋外端面，初步診斷表明，該機組存在油擋結焦積碳的可能。

2.3 油擋結焦積碳振動機理與特征

汽輪機組潤滑油系統為微負壓狀態，油煙及空氣中的塵埃易被吸至油擋處積存，而如果汽輪機高、中壓軸封漏氣嚴重，將會導致油擋附近處于高溫環境，油擋內吸入的油泥塵埃在高溫的烘烤下，極易形成堅硬的積碳，油擋與軸頸之間的間隙逐漸減小，當集聚到一定程度，便會觸發動、靜部件的碰磨，造成軸系振動突發性的增大，軸心位置及振動相位也將隨之發生變化，進而引起轉子局部溫升和臨時彎曲，振動將會持續爬升，摩擦加劇，形成惡性循環。

積碳的初始硬度并非特別高，且與油擋結合不是非常牢固，存在碰磨后脫落或磨損的現象，摩擦將會中斷，軸系振動逐漸回落，直至恢復正常。但如果根本原因未消除，經過一定時間運行，油擋表面的結焦繼續累積，軸系將會反復性發生軸系碰磨振動，并逐次加劇。

可以看出，油擋結焦積碳所引起的振動特征與該機組反復出現間隙性振動情況非常吻合。圖4為該機組的軸心位置變化圖，在振動爬升和回落過程中，1號和2號軸頸處均因摩擦發生了明顯的軸心位置變化。

圖4 機組軸心位置變化圖Fig.4 Shaft position chart of rotor

3 故障處理

通過上述分析診斷，判定該機組振動故障的根本原因為軸瓦油擋結焦積碳引起的動、靜部件碰磨，為防止機組振動的進一步惡化，將機組打閘停機，對軸瓦油擋進行檢查。

檢查發現在1號和2號軸瓦油擋處的確均存在油泥結焦碳化的情況，并存在摩擦的痕跡，如圖5所示。

圖5 軸瓦油擋處的結焦積碳情況Fig.5 Slagging and carbon deposition of oil baffle

針對以上分析和檢查結果，提出了以下處理措施：1）對1號和2號軸瓦油擋結焦積碳處進行修刮清理；2）調整軸封壓力和軸加冷卻器工作狀態至正常狀態，加裝軸封擋汽板，防止過多高溫軸封汽直接泄露至軸承油擋處，同時也有利于改善潤滑油質；3）加大油封回油孔尺寸，促進軸承潤滑油的及時回油，避免在油擋處的集聚，同時適當減少油箱負壓，大量減少塵埃被吸入軸瓦和油擋。

在采取如上故障處理措施，機組再次開機啟動并運行半年后，在穩定工況下，軸系各振動測點均保持在50 μm以下，未再出現類似的振動波動和爬升。由此可見，該機組由油擋結焦積碳引起的間歇性動、靜部件碰磨振動故障得以徹底解決。

4 結語

1）該機組在正常運行工況下發生了間歇性軸系振動故障，主要由高、中壓轉子兩端軸瓦油擋處結焦積碳引起的動、靜部件碰磨所致。

2）油擋積碳引起的振動故障主要表現為間歇性發生、逐次增大、振動工頻為主、與運行參數關聯不明顯等特征。

3）通過采取油擋修刮、加大油封回油孔和加裝擋汽板等措施，有效解決了機組振動故障。

（References）

[1]王永貞，楊建剛.汽輪發電機組摩擦引起的突發性振動分析[J].電站系統工程，2014，30（3）：47-49.

WANG Yongzhen,YANG Jiangang.Viabration fault analysis caused by rub for a turbo generator unit[J]. Power System Engineeting，2014，30（3）：47-49.

[2]王廣庭，王海明，周淼.汽輪機轉子碰磨產生臨時彎曲的處理方法研究[J].湖北電力，2010，34（2）：23-25.

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[3]何國安，惠建飛，王衛民.汽輪發電機組自激振動的激振源分析[J].熱能動力工程，2014（4）：449-454.

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CHEN Hao,YANG Jiangang,XU Houda,et al.Steam trubine unit random vibration analysis caused by floating oil[J].Turbine Technology，2016,58（1）：58-60.

[6]盧雙龍，楊建剛，王樹深，等.600 MW機組調試期間振動故障分析及處理[J].熱力發電，2012，41（7）：95-97.

LU Shuanglong,YANG Jiangang,WANG Shushen,et al.Analysis and disposal of vibration fault in de?bugging period of 600 MW unit[J].Thermal Power Generation，2012，41（7）：95-97.

Intermittent Vibration Fault Analysis and Solution for a Turbo Generator Unit

ZHOU Miao,WANG Guangting,LU Shuanglong
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

Intermittent vibration fault occurred frequently during operation of turbo-generator unit in a power plant.Sometimes the Vibration reached the trip value.In order to insure the safe and re?liable operation of the unit,according to the vibration test and analysis of the unit,the fundamen?tal reason is found out.Based on the above,the maintenance and improvement are made,and vibra?tion fault is solved completely by retaining and scraping of oil baffle,expanding oil return hole of oil seal and installing the steam baffle plate.

intermittent vibration;rub;turbo generator unit；oil baffle；carbon deposition

TK85

A

1006-3986(2016)07-0017-05

10.19308/j.hep.2016.07.004

2016-06-10

周 淼（1980），男，河南濮陽人，高級工程師。