基于發(fā)電廠汽輪機(jī)組振動(dòng)故障實(shí)驗(yàn)的研究探討

華北水利水電大學(xué) 李 雪

洛陽(yáng)市公共交通集團(tuán)有限公司 陳雪瑞 陳 浩

河南省計(jì)量科學(xué)研究院 李海濱

基于發(fā)電廠汽輪機(jī)組振動(dòng)故障實(shí)驗(yàn)的研究探討

華北水利水電大學(xué) 李 雪

洛陽(yáng)市公共交通集團(tuán)有限公司 陳雪瑞 陳 浩

河南省計(jì)量科學(xué)研究院 李海濱

本文根據(jù)我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)的振動(dòng)情況，通過(guò)模擬試驗(yàn)臺(tái)模擬現(xiàn)實(shí)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子不平衡故障和不對(duì)中故障等實(shí)際發(fā)電廠中常見的故障狀態(tài)。通過(guò)數(shù)據(jù)收集和不同大小故障的對(duì)比，通過(guò)大量數(shù)據(jù)收集為后續(xù)發(fā)電廠汽輪機(jī)組振動(dòng)故障的在線監(jiān)測(cè)研究打下實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

振動(dòng)故障；轉(zhuǎn)子不平衡故障；不對(duì)中故障；在線監(jiān)測(cè)

1.前言

隨著我國(guó)工業(yè)體系的不斷完善，經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展的不斷提高，電力工業(yè)作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著舉足輕重的地位，是一切經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。由于我國(guó)能源分布不均衡，水利資源廣泛分布于西南欠發(fā)達(dá)地區(qū)且水利資源的利用率還有待進(jìn)一步提升，雖然近些年來(lái)新能源也在國(guó)家政策支持下迎來(lái)了蓬勃的發(fā)展，但是同樣占我國(guó)發(fā)電總量的份額較少。依舊依靠火力發(fā)電為主導(dǎo)地位占到70%左右。由于我國(guó)火力發(fā)電廠建設(shè)的年限較長(zhǎng)，許多發(fā)電機(jī)組較為老化且蒸汽機(jī)組利用率不高、安全隱患較大。成為影響火電廠經(jīng)濟(jì)效益的主要絆腳石。其中，整個(gè)發(fā)電機(jī)組的各種振動(dòng)量將大大影響整個(gè)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)從上世紀(jì)八十年代至今，由于振動(dòng)造成的重大事故多達(dá)幾十起，由于振動(dòng)帶來(lái)的隱患造成的停機(jī)損失也不可估計(jì)。所以加快汽輪機(jī)組故障診斷并及時(shí)作出相應(yīng)措施來(lái)解決問(wèn)題越來(lái)越受到國(guó)家的重視，如何提前預(yù)判振動(dòng)故障，避免突發(fā)振動(dòng)故障，將是避免實(shí)際運(yùn)行中安全事故的重要課題。

2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，特別是上世紀(jì)八九十年代，為了滿足電力供應(yīng)的需求，大量建立了火力發(fā)電廠，隨著時(shí)間的推移大量機(jī)組都處于老化狀態(tài)，由于資金方面的制約，在保障機(jī)組能夠安全運(yùn)行的前提下，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命是當(dāng)務(wù)之急。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于大型火力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)故障診斷還停留在采購(gòu)國(guó)外廠家如：美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，但也就提供一些幅值檢測(cè)功能，在故障診斷分析過(guò)程中受經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)方面的制約較多，得出的結(jié)論也無(wú)法令人滿意。

現(xiàn)代振動(dòng)故障診斷技術(shù)伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)在不斷發(fā)展，但由于大型發(fā)電機(jī)組往往結(jié)構(gòu)龐大，系統(tǒng)安裝復(fù)雜且精度要求高，各機(jī)組間的軸承連接，使得在軸承監(jiān)測(cè)其運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，不得不大量運(yùn)用傳感器同時(shí)對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)情況進(jìn)行采集。如此之多的采集信號(hào)，如何進(jìn)行對(duì)比分析并得出準(zhǔn)確的結(jié)論，往往需要具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行分析診斷，即使如此也無(wú)法很好的得出準(zhǔn)確的結(jié)論，從而影響機(jī)組的正常運(yùn)行，從而需要付出較多的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。本文將針對(duì)汽輪機(jī)組振動(dòng)故障的分析的方法進(jìn)行探討，從而希望能夠得到一種較快地診斷振動(dòng)故障的方法。

3.轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的模擬實(shí)驗(yàn)

為了獲得振動(dòng)故障的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須在大量故障數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本次模擬實(shí)驗(yàn)主要利用轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)來(lái)模擬轉(zhuǎn)子故障，如下圖1-1轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)模擬圖所示，本轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)利用華北水利水電大學(xué)動(dòng)力館中的火力發(fā)電轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)改造而來(lái)，其中電機(jī)采用調(diào)速性能較好的直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速輸出范圍為(0-12000)rpm。具體結(jié)構(gòu)示意圖1-1所示：

圖1-1 轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)模擬圖

圖1-2 不對(duì)稱、不對(duì)中故障模擬試驗(yàn)臺(tái)

4.故障的設(shè)置

為了便于實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐應(yīng)用相結(jié)合，現(xiàn)將在實(shí)際當(dāng)中最常見的故障形式為主要研究對(duì)象，分別為：轉(zhuǎn)子不平衡故障和不對(duì)中故障（如下圖1-2所示的不對(duì)稱、不對(duì)中故障模擬試驗(yàn)臺(tái)），圖1-2所示的試驗(yàn)臺(tái)左側(cè)跨接3個(gè)輪盤A盤、B盤和C盤，右側(cè)跨接兩個(gè)輪盤D盤和E盤，同時(shí)沿軸向均勻布置渦流傳感器#1、#2、#3和#4，其中#2傳感器垂直安裝，其余則水平安裝。

（1）轉(zhuǎn)子不平衡故障實(shí)驗(yàn)：主要由于轉(zhuǎn)子松動(dòng)、葉片掉塊以及轉(zhuǎn)子安裝過(guò)程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理材質(zhì)不勻稱等多種因素都會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生偏心距，進(jìn)而危害整個(gè)發(fā)電機(jī)組的安全，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)在模擬試驗(yàn)臺(tái)對(duì)C盤加重配塊，進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)子不平衡故障具體實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)情況如下表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子不平衡實(shí)驗(yàn)情況表

（2）不對(duì)中故障實(shí)驗(yàn)：主要由于大型電機(jī)組在組裝過(guò)程中安裝精度達(dá)不到設(shè)計(jì)水平導(dǎo)致軸心偏移量加大，或者在運(yùn)行過(guò)程中受熱不均勻?qū)е螺S向位移。如果無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸向位移，將導(dǎo)致系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中使軸承損壞，軸彎曲變形等嚴(yán)重后果。本次模擬不對(duì)中故障主要采用軸承底座增加墊片的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子模擬不對(duì)中如圖1-2所示，在模擬裝置最右端底座IV處增加墊片來(lái)增加不對(duì)中度。具體實(shí)驗(yàn)情況如表2所示。

表2 不對(duì)中實(shí)驗(yàn)情況表

5.數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要運(yùn)用傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)在通過(guò)數(shù)字濾波器和放大器，放大后的信號(hào)通過(guò)顯示器顯示出來(lái)。如下圖1-3所示，本采集系統(tǒng)將傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后，通過(guò)電信號(hào)的變化量來(lái)確定，振動(dòng)量的大小.（電信號(hào)輸入范圍為4mA—20 mA或0V-10V）。

圖1-3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖

圖1-4 不平衡故障波形及頻譜圖

圖1-5 不對(duì)中故障波形及頻譜圖

6.故障分析

為了獲得更理想的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)采集器采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)頻譜分析采樣得到特征較為明顯的頻譜圖如圖1-4和圖1-5所示的頻譜圖。

（1）對(duì)于不平衡故障的波形及頻譜可知圖1-4，時(shí)域波形為較為規(guī)則的正弦波，并且得到的2X以上的高次諧波較小，幅值低于5故符合不平衡故障特征。

（2）對(duì)于不對(duì)中故障的波形和頻譜可知圖1-5，時(shí)域波形為疊加的正弦波形并且當(dāng)不對(duì)中振動(dòng)越嚴(yán)重，2X幅值所占越大，當(dāng)軸向不對(duì)中越嚴(yán)重，2X振動(dòng)幅值就越大,符合不對(duì)中故障典型特征。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的模擬實(shí)驗(yàn)是非常理想的，為后續(xù)的故障信號(hào)算法分析和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組建打下了基礎(chǔ)。

7.結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)國(guó)內(nèi)火電廠發(fā)電機(jī)組的實(shí)際情況，并結(jié)合我國(guó)振動(dòng)檢測(cè)的實(shí)際情況和遇到的問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)振動(dòng)模擬故障實(shí)驗(yàn)，來(lái)分析振動(dòng)原因，達(dá)到預(yù)期效果。但本文只對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)和故障設(shè)置做了相關(guān)研究，但是對(duì)后續(xù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法以及其他可能出現(xiàn)的故障問(wèn)題還需融合在一起進(jìn)行整體處理和研究。

[1]喬海濤,馮永新．大型汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．廣東電力．2003,16(2), 9-13．

[2]張正松．旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷[M]．北京： 機(jī)械工業(yè)出版社,1991．

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李雪（1986—），女，河南鄭州人，華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院教師，助教，碩士研究生。