關于電廠汽輪機振動故障的具體分析

劉志超

摘 要：汽輪機作為發電系統的重要組成部分，其故障率的減少對于整個系統都有著重要的意義。其肩負著發電任務。由于汽輪機一般都處于長時間運轉，從而很容易造成重要零部件出現磨損，一旦磨損情況嚴重時，便會引起機組振動，甚至會影響汽輪機的正常運行。振動是汽輪機常見故障，造成汽輪機振動的原因較多也相對比較復雜。為確保機組的安全、可靠運行，必須針對振動產生的原因采取相應的對策予以解決。筆者根據多年的工作經驗，主要針對電廠汽輪機振動故障進行分析和討論。

關鍵詞：電廠汽輪機；振動故障；具體分析；

一、電廠汽輪機的工作原理

汽輪機的主要元件是由噴嘴（也稱靜葉）與動葉（也稱葉片）兩個部件組成。噴嘴 固定在機殼或隔板上，動葉固定在輪盤上。蒸汽通過噴嘴時，壓力下降，體積膨脹形成高速汽流，推動葉輪旋轉而作功。如果蒸汽在葉片中壓力不再降低，也就是蒸汽在葉片通道中的流速（即相對速度）不變化，只是依靠汽流對葉片的沖擊力量而推動轉子轉動，這類汽輪機稱為沖動式，也稱壓力級，在工業中應用廣泛。如果蒸汽在葉片中繼續膨脹（簡稱相對速度）比進口時要大，這種汽輪機的作功不僅由于蒸汽對葉片的沖擊力，而且還有由于蒸汽相對速度的變化而產生的巨大的反作用力，因此這類汽輪機稱為反動式汽輪機。只有一列噴嘴和一列動葉片組成的汽輪機叫單級汽輪機。由幾個單級串聯起來叫多級汽輪機。由于高壓蒸汽一次降壓后汽流速度極高，因而葉輪轉速極高，將超過目前材料允許的強度。因此采用壓力分級法，每次在噴嘴中壓力降都不大，因而汽流速度也不高，高壓蒸汽經多級葉輪后能量既充分得到利用而葉輪轉速也不超過材料強度許可范圍。這就是采用多級汽輪機的原因。如果由于蒸汽離開每一級葉片的流速仍高，為了充分利用汽流的動能，可用導向葉片將汽流引入第二排葉片中（每一個葉輪可安裝二排葉片）進一步推動轉軸做功，這稱為速度分級，簡稱速度級（又稱復速級）。速度級常用于小型汽輪機，或汽輪機的第一級。蒸汽機在實質上是一種原動機，可以轉化不同性質的各種能量。它一般通過旋轉來進行能量之間的轉換，主要用于發電廠的原動機，但同時也可作為發動機來驅動壓縮機或是風機等，還能為我們的生活和生產提供熱能。電廠汽輪機的工作原理其實并不復雜，簡單點說就是利用物體在不同的作用力下進行做功。其中，這些作用力可以是沖動力也可以是反作用力。前者利用物體受到沖動力作用而改變了速度，來做機械功。而后者則利用物體受到反作用力而改變運動狀態來做功。這兩種就是電廠汽輪機的主要工作原理。

二、汽輪機常見異常振動故障

1、軸承的軸向振動

在測量機組振動過程中，常發現軸承的軸向振動過大，其振動頻率與轉速相同。引起軸承軸向振動過大的原因有如下幾點。

（1）彎曲的轉子在旋轉時，軸頸產生偏轉，軸頸在軸瓦內的油膜承力中心沿軸向隨轉速發生周期性變化，從而引起軸承座的軸向振動。

（2）軸瓦受力中心跟軸承座幾何中心不重合。

（3）軸承座不穩固。撓曲的轉子在旋轉時，將力圖使軸瓦及軸承座作相應的偏轉，但軸承無法追隨軸頸的偏轉只能形成軸向振動。軸向振動的幅值同轉子的撓曲程度成正比，而各軸承振動的相位則取決于轉子撓曲彈性線的形狀。在一階臨界轉速附近轉子兩個軸承的軸向振動相位相反。而在二階臨界轉速附近轉子兩個軸承的軸向振動相位則相同。

2、汽流激振

汽流激振有兩個主要特征：一是應該出現較大量值的低頻分量；二是振動的增大受運行參數的影響明顯，如負荷，且增大應該呈突發性。其原因主要是由于葉片受不均衡的氣體來流沖擊就會發生汽流激振；對于大型機組，由于末級較長，氣體在葉片膨脹末端產生流道紊亂也可能發生汽流激振現象；軸封也可能發生汽流激振現象。針對汽輪機組汽流激振的特征，其故障分析要通過長時間（一年以上）記錄每次機組振動的數據，連同機組滿負荷時的數據記錄，做出成組曲線，觀察曲線的變化趨勢和范圍。通過改變升降負荷速率，從5T/h到50/h的給水量逐一變化的過程，觀察曲線變化情況。通過改變汽輪機不同負荷時高壓調速汽門重調特性，消除氣流激振。簡單的說就是確定機組產生汽流激振的工作狀態，采用減低負荷變化率和避開產生汽流激振的負荷范圍的方式來避免汽流激振的產生。

3、轉子熱變形

轉子熱變形引發的振動特征是一倍頻振幅的增加與轉子溫度和蒸汽參數有密切關系，大都發生在機組冷態啟機定速后帶負荷階段，此時轉子溫度逐漸升高，材質內應力釋放引起轉子熱變形，一倍頻振動增大，同時可能伴隨相位變化。由于引起了轉子彎曲變形而導致機組異常振動。轉子永久性彎曲和臨時性彎曲是兩種不同的故障，但其故障機理相同，都與轉子質量偏心類似，因而都會產生與質量偏心類似的旋轉矢量激振力。與質心偏離不同之處在于軸彎曲會使兩端產生錐形運動，因而在軸向還會產生較大的工頻振動。另外，轉軸彎曲時，由于彎曲產生的彈力和轉子不平衡所產生的離心力相位不同，兩者之間相互作用會有所抵消，轉軸的振幅在某個轉速下會有所減小，即在某個轉速上，轉軸的振幅會產生一個“凹谷”，這點與不平衡轉子動力特性有所不同。當彎曲的作用小于不衡量時，振幅的減少發生在臨界轉速以下；當彎曲作用大于不平衡量時，振幅的減少就發生在臨界轉速以上。針對轉子熱變形的故障處理就是更換新的轉子以減低機組異常振動。沒有了振動力的產生機組也就不會出現異常振動。

三、振動故障處理措施

振動問題直接影響汽輪機組的正常工作，其復雜度不容忽視。針對工作現場汽輪機可能產生的振動故障問題，提出了如下應對措施：

首先，剛度檢測是重中之重。技術人員對汽輪機數據采集，及時數據處理，并與標準數據進行對照做出判斷。掌握工作剛度范圍、共振條件和剛度極值點。做到技術人員不離機組，實時監測，防患于未然。

其次，機組帶負荷和空載試運行必不可少。為確保汽輪機順利工作，發生異常振動的幾率降低，新安裝或檢修后的機組應經過帶負荷和空載試運行，測試密封、汽封、滑銷系統等均達到合格標準，才可以投入生產。

再次，設置智能化監測裝置。設計并安裝智能化監測裝置是汽輪機發生振動異常的有效措施。對正常監測困難點安裝各種傳感器設施，監測振動情況，及時報告工作異常點。同時，有序地安排技術人員，及時處理發出報警部位機組，杜絕擴大損壞，以免造成事故。

最后，安裝振動保護裝置。當智能化監測裝置監測出異常振動點后，會發出報警信號，通過自動控制裝置命令振動保護裝置自動切斷電路，關閉主汽門，緊急停機。于此同時，技術人員采取拯救辦法，保護機組設備安全。

凝汽式汽輪機支撐國家能源環保事業的快速發展，隨著機組容量的增大，汽輪機安全、穩定運行顯得更加重要。對不可避免的振動問題應采取有效地解決措施，以免造成重大的安全事故。同時對汽輪機設置智能化監測、保護裝置必不可少。

四、結束語

熱電廠汽輪機振動是無法完全消除的，但卻可以通過各種相應的措施將振動值控制在一定的范圍內。為盡可能避免振動情況的不斷增大，要求機組運行人員應嚴格遵守操作規程，并對機組進行嚴密的監視，這樣能夠及時發現問題。同時檢修人員應做好檢修工作，盡量避免在檢修過程中發生馬虎、大意等情況，以此來確保檢修質量，進而保障汽輪機安全、可靠運行。

參考文獻：

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