電廠汽機(jī)摩擦振動故障分析與診斷研究

國電電力大同發(fā)電有限責(zé)任公司 劉惠逢

引言

在電廠的發(fā)電過程當(dāng)中，汽機(jī)這一設(shè)備的運行狀況將會直接影響電廠的發(fā)電效率，一旦汽機(jī)出現(xiàn)故障，將會為電廠造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。作為電廠發(fā)電工作當(dāng)中的重要設(shè)備，汽機(jī)是通過高溫高壓蒸汽帶動內(nèi)部的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、同時對外做功而產(chǎn)生電力，這個工作過程決定了汽機(jī)在運行中極其易出現(xiàn)摩擦震動的故障，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致汽機(jī)的損壞。因此，在電廠使用汽機(jī)進(jìn)行發(fā)電的過程當(dāng)中，工作人員需要加強對引發(fā)汽機(jī)摩擦振動故障原因的了解與分析，并且熟練掌握摩擦振動故障的排除措施，才能讓汽機(jī)更加安全穩(wěn)定的運行。加強對汽機(jī)摩擦振動故障的防范，才能更好地保障電廠的發(fā)電效率。

1 電廠汽機(jī)摩擦振動故障分析

1.1 汽機(jī)摩擦振動的原因

在汽機(jī)運行的過程中，摩擦問題是影響汽機(jī)運行的主要問題之一，不僅會加劇汽機(jī)震動狀況的惡化，還會導(dǎo)致汽機(jī)內(nèi)部組件的損壞。一般來說，引發(fā)汽機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)摩擦的主要問題分別為轉(zhuǎn)軸振幅過大、動靜間隙不足、缸體彎曲變形與轉(zhuǎn)子軸承不對稱等。

其中，轉(zhuǎn)軸的振動幅度是有一定的動態(tài)與靜態(tài)偏差的，若其振動幅度超過偏差，就可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸的損壞；動靜間隙不足指的是汽機(jī)內(nèi)部的設(shè)計空間、安裝空間或間隔調(diào)整相對過小，不符合對汽機(jī)的安裝維護(hù)要求，從而容易引發(fā)汽機(jī)內(nèi)部組件的摩擦；缸體彎曲變形通常是由汽機(jī)內(nèi)部上輥與下輥之間溫差過大而引發(fā)的彎曲或變形；而轉(zhuǎn)子與軸承的不對稱則會因其摩擦誤差而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的傾斜，從而直接影響到汽機(jī)的安全運行[1]。

1.2 汽機(jī)支撐剛度的問題

作為一種常用的發(fā)電設(shè)備，汽機(jī)一般是由軸、加熱器、汽缸與冷凝裝置組成。其中，軸系統(tǒng)由各種不同的轉(zhuǎn)子與軸承組成，是維持汽機(jī)運行的關(guān)鍵支撐部件。而在汽機(jī)的轉(zhuǎn)子當(dāng)中，則分為油膜、軸承托架、底座、圓柱體、保護(hù)層等多個部分。在汽機(jī)的運行過程當(dāng)中，轉(zhuǎn)子的大小與形狀等多方面的因素都是導(dǎo)致汽機(jī)出現(xiàn)相對嚴(yán)重的摩擦振動問題的原因，其中最主要的就是因為轉(zhuǎn)子的托架系統(tǒng)的支撐剛度不足而引發(fā)的震動，其主要原因則有汽機(jī)螺栓固定不穩(wěn)、軸承座與臺板接觸不良等。

汽機(jī)運行當(dāng)中的轉(zhuǎn)子的振動分為靜摩擦振動與動摩擦振動兩類，主要發(fā)生在對新汽機(jī)的安裝調(diào)試與維修過程當(dāng)中與維修之后，而其發(fā)生摩擦的原因也可以分為兩類，分別為旋轉(zhuǎn)軸與固體止油器的摩擦與旋轉(zhuǎn)軸和蒸汽的分離。

其中，由于在軸承齒與旋轉(zhuǎn)軸之間因軸承箱的負(fù)壓影響會存在一定的灰塵與污垢，如果對這些物質(zhì)進(jìn)行清除，就會使轉(zhuǎn)軸與齒之間形成潤滑效果，而在汽機(jī)運行過程當(dāng)中的高溫影響下，汽機(jī)當(dāng)中的軸將會受轉(zhuǎn)子帶動而加速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸上的摩擦力與壓力輸出不斷增大；而在汽機(jī)長時間使用之后，氣缸因為受到高壓蒸汽的影響會產(chǎn)生一定的變形效果，導(dǎo)致局部間隙的減少，如果此時蒸汽參數(shù)發(fā)生改變，就容易導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)周期性的摩擦，尤其是在汽機(jī)當(dāng)中接近氣缸高溫蒸汽入口的轉(zhuǎn)軸更容易受到影響而產(chǎn)生摩擦振動效果，從而影響汽機(jī)的運行狀態(tài)。

1.3 汽機(jī)故障的危害

在上文提到的汽機(jī)摩擦振動的故障類別當(dāng)中，其故障原因都是因為汽機(jī)在運行過程當(dāng)中發(fā)生平衡位置的偏離，從而發(fā)生動能與位能之間的轉(zhuǎn)換而引起的。

通常來說，汽輪機(jī)內(nèi)部的組件在運行過程當(dāng)中是允許產(chǎn)生一定幅度振動效果的，而在限制范圍內(nèi)的振動效果也不會直接影響到汽輪機(jī)的正常運行而造成危害，但當(dāng)這種振動幅度加大時，就會導(dǎo)致汽輪機(jī)在運行過程當(dāng)中受損，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)器的老化速度加快，縮短機(jī)器的使用壽命，甚至?xí)?dǎo)致汽機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)零件松動的狀況，進(jìn)而引發(fā)機(jī)組內(nèi)部的動態(tài)零件與靜態(tài)零件之間產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)損壞，甚至引發(fā)更加嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。

一般來說，由于引發(fā)汽機(jī)振動的故障類型相對較多，因此在汽機(jī)的安裝與運行的過程當(dāng)中，需對汽機(jī)的狀況做好相應(yīng)的檢查與實驗工作，從而將其振動幅度控制在合理的范圍內(nèi)。根據(jù)我國現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。汽輪機(jī)在運行過程當(dāng)中的振動幅度最大不得超過0.05毫米，而不符合此標(biāo)準(zhǔn)的汽機(jī)則需要停止工作，進(jìn)行全面化的檢修。

2 電廠汽輪機(jī)摩擦振動故障的診斷研究

2.1 建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)

在對汽機(jī)的摩擦振動故障進(jìn)行檢測的過程當(dāng)中，為了精準(zhǔn)的找出引發(fā)汽機(jī)摩擦振動故障的原因，需圍繞汽機(jī)的運行狀況建立相應(yīng)的汽機(jī)振動診斷系統(tǒng)，從而為發(fā)現(xiàn)汽機(jī)的振動問題提供相應(yīng)的依據(jù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在各行各業(yè)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，在對汽機(jī)的摩擦振動故障檢測的過程當(dāng)中也有著非常高的價值。

作為一種通過模仿動物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為的特征來進(jìn)行分布式并行信息處理的數(shù)學(xué)模型，這種技術(shù)具備了非常高的運算速度、聯(lián)想能力與自組織能力，能夠構(gòu)建出與人腦信息處理邏輯一致的系統(tǒng)流程，從而可以幫助專家學(xué)者與工作人員進(jìn)行汽機(jī)的摩擦振動故障方面的檢測。在此過程當(dāng)中，專家學(xué)者與工作人員需要先在汽機(jī)各個振動部位安裝相應(yīng)的采集裝置來采集汽機(jī)的運行信號，并且通過信號降噪的方式來進(jìn)行運行信號的處理與對比，再借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)即可實現(xiàn)對汽機(jī)故障特征的測試與診斷，從而找出引發(fā)汽機(jī)摩擦振動的主要原因[2]。

2.2 加強對汽機(jī)油膜穩(wěn)定性的控制

在汽機(jī)的運行過程當(dāng)中故障問題的產(chǎn)生是不可避免的，但是如果能夠嚴(yán)格按照相關(guān)的工藝技術(shù)對汽機(jī)進(jìn)行操作與檢查，就可以有效的降低汽機(jī)的故障發(fā)生率，進(jìn)而促進(jìn)其工作效率與工作水平的提升。而在對汽機(jī)的摩擦振動故障進(jìn)行檢測的過程當(dāng)中，其系統(tǒng)阻尼與軸系的穩(wěn)定效果與摩擦振動故障的產(chǎn)生有著直接的關(guān)聯(lián)，只有加強對汽機(jī)油膜穩(wěn)定性的控制，才可以有效控制汽機(jī)運行過程當(dāng)中出現(xiàn)的油膜震蕩現(xiàn)象，進(jìn)而降低汽機(jī)摩擦振動故障的發(fā)生概率，提升汽機(jī)的運行壽命。

為滿足控制汽機(jī)油膜穩(wěn)定性的工作需求，需在設(shè)計的過程中適當(dāng)增強汽機(jī)的對比壓與負(fù)載、縮小汽機(jī)軸承的寬度，同時在一定程度上提高油溫，從而增強汽機(jī)軸承的承載系數(shù)，降低其潤滑油的粘結(jié)度。而在日常生產(chǎn)的過程當(dāng)中，工作人員則需加強對汽機(jī)軸承系統(tǒng)的日常維護(hù)工作，只有這樣才能加強汽機(jī)軸承油膜的穩(wěn)定性，避免油膜震蕩的現(xiàn)象導(dǎo)致汽機(jī)產(chǎn)生摩擦振動故障。

2.3 避免出現(xiàn)氣流震蕩問題

相對于其他因素引發(fā)的汽機(jī)摩擦振動，其在運行過程當(dāng)中產(chǎn)生的氣流振動有著相對更高的頻率，如果不在這方面加以一定程度的控制，則可能導(dǎo)致汽機(jī)出現(xiàn)相對嚴(yán)重的摩擦振動狀況，從而直接影響到汽機(jī)的運行穩(wěn)定性。針對氣流振動方面的問題，需要在汽機(jī)的設(shè)計過程當(dāng)中進(jìn)行解決，設(shè)計人員可以嘗試在汽機(jī)當(dāng)中機(jī)軸的運行過程中使用反旋渦技術(shù)來干擾流體的運行，并以此強化流體的轉(zhuǎn)速，從而降低汽機(jī)運行過程當(dāng)中出現(xiàn)的氣流振動效果。

除此之外，設(shè)計人員還可以嘗試使用改變軸承形狀與加大軸承的軸徑偏心率等不同的方法來打亂汽機(jī)運作過程當(dāng)中出現(xiàn)的軸向旋流，進(jìn)而降低軸承所受到的切向力，從而在汽機(jī)的運行過程當(dāng)中有效減少汽機(jī)軸承的振動幅度，保證汽機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子在汽機(jī)的運行過程當(dāng)中始終處于高速穩(wěn)定的運行狀態(tài)，并以此減少汽機(jī)摩擦振動故障的產(chǎn)生，從而提升汽機(jī)的運行效率。

2.4 調(diào)節(jié)汽機(jī)均壓箱的壓力

在一些小型汽機(jī)組的運行過程當(dāng)中，均壓箱是一個非常重要的組件，通常用于對汽機(jī)當(dāng)中產(chǎn)生的壓力進(jìn)行均衡，將前軸封漏出的正氣導(dǎo)入后軸封，從而在防止前軸封出現(xiàn)向外漏氣的情況的同時，防止后軸封因吸入冷空氣造成真空下降情況的出現(xiàn)，進(jìn)而保持汽機(jī)當(dāng)中的高低壓軸封閉氣正常，從而保持軸封所受到的壓力處于穩(wěn)定狀態(tài)。

在具體的生產(chǎn)過程當(dāng)中，當(dāng)汽機(jī)出現(xiàn)你壓力過高、壓力過低或脹差變化異常等情況時，就需要由工作人員對均壓箱的壓力進(jìn)行手動調(diào)節(jié)，從而保持汽機(jī)當(dāng)中的壓力處于正常狀態(tài)，否則就會導(dǎo)致汽機(jī)運行過程當(dāng)中產(chǎn)生的蒸汽隨著汽機(jī)的運轉(zhuǎn)過程而進(jìn)入汽機(jī)的系統(tǒng)當(dāng)中，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的摩擦振動故障。一般來說，工作人員需要保持汽機(jī)均壓箱的壓力在0.05MPa 左右，而在汽機(jī)出現(xiàn)壓力過高、壓力過低或脹差變化異常時，就需針對性調(diào)節(jié)均壓箱的氣壓，才能使均壓箱在汽機(jī)運行的過程當(dāng)中充分發(fā)揮自身所具備的功能，以此降低汽機(jī)摩擦振動故障的發(fā)生概率。

2.5 加強對汽機(jī)運轉(zhuǎn)操作的控制

在汽機(jī)的運轉(zhuǎn)過程中，雖然汽機(jī)通常具有通過主油箱來對負(fù)壓樁體進(jìn)行控制的功能，但是為了避免油霧的產(chǎn)生，因此通常需要技術(shù)人員在進(jìn)行汽機(jī)操作的過程當(dāng)中借助主油泵離開將汽機(jī)進(jìn)行斷油，進(jìn)而通過主油箱為軸承箱提供的負(fù)壓將汽機(jī)運行過程當(dāng)中的各類污染物進(jìn)入汽機(jī)的油系統(tǒng)當(dāng)中，從而在油箱當(dāng)中實現(xiàn)對污染物的沉淀與分離。在此過程當(dāng)中，工作人員需要注意控制主油箱保持一定的負(fù)壓值，否則就難以借助負(fù)壓對汽機(jī)內(nèi)部的污染物進(jìn)行清洗。

此外，工作人員還應(yīng)當(dāng)在日常對汽機(jī)進(jìn)行維護(hù)管理的工作過程當(dāng)中加強對主油箱、油凈化裝置與各軸承箱等部位的檢查，并著重檢查主油箱的密封性，一旦發(fā)現(xiàn)油箱出現(xiàn)密封性的問題就需要使用耐油性良好的硅膠對油箱進(jìn)行密封，以此保障進(jìn)入油箱內(nèi)部的污染物不會再一次進(jìn)入汽機(jī)的運轉(zhuǎn)系統(tǒng)，從而造成摩擦振動故障的出現(xiàn)。

2.6 對汽機(jī)轉(zhuǎn)子因熱彎曲的排查

在汽機(jī)運行的過程當(dāng)中，轉(zhuǎn)子作為一種非常重要的部件，需要通過承受蒸汽對所有工作葉片的轉(zhuǎn)動，來進(jìn)一步帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、主油泵與調(diào)速器進(jìn)行轉(zhuǎn)動，這些情況就決定轉(zhuǎn)子需要長時間保持在高溫蒸汽環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，這就很容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在長時間的熱作用下產(chǎn)生熱彎曲故障，進(jìn)而導(dǎo)致汽機(jī)整體出現(xiàn)摩擦震動的問題。

針對汽機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲問題，需要設(shè)計人員在進(jìn)行汽機(jī)的設(shè)計過程當(dāng)中選擇耐高溫與耐腐蝕性能良好的材料作為轉(zhuǎn)子的材料，并且在發(fā)現(xiàn)汽機(jī)轉(zhuǎn)子在運行當(dāng)中產(chǎn)生熱彎曲現(xiàn)象時，盡快停止汽機(jī)的相關(guān)作業(yè)，隨后將故障轉(zhuǎn)子取下并更換為全新的轉(zhuǎn)子，才能盡快的解決汽機(jī)轉(zhuǎn)子因熱彎曲而引發(fā)的摩擦振動問題，從而保障汽機(jī)的穩(wěn)定運行[3]。

2.7 對其他汽機(jī)故障的防范

除以上提到的引發(fā)汽機(jī)摩擦振動的原因之外，汽機(jī)受熱膨脹不均、熱壓力與金屬氣缸之間受力不均等問題也使引發(fā)汽機(jī)摩擦振動的主要原因之一。其中，引發(fā)汽機(jī)受熱膨脹不均的原因是汽機(jī)在加熱與受熱過程當(dāng)中受到一定的阻礙，從而導(dǎo)致汽機(jī)發(fā)生摩擦振動，這需要技術(shù)人員在進(jìn)行汽機(jī)的使用之前對汽機(jī)進(jìn)行全面的檢查與管道疏通工作；而熱壓力與金屬氣缸之間受力不均則是由汽機(jī)運行時間過長或參數(shù)設(shè)置不當(dāng)而引發(fā)的，需要工作人員檢查汽機(jī)運行過程當(dāng)中的各項參數(shù)，同時檢查汽機(jī)當(dāng)中的各個部件是否因長時間運行而出現(xiàn)變形問題，以此及時解決熱壓力與金屬氣缸之間的受力不均問題。

此外，在汽機(jī)的運行過程當(dāng)中，技術(shù)人員方面的疏忽也是一種引發(fā)汽機(jī)摩擦震動的主要問題，只有加強對汽機(jī)組工作人員的管理，嚴(yán)格按照參數(shù)進(jìn)行汽機(jī)運行的設(shè)置，并盡早更換汽機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障損壞的零件，才能最大程度的保障汽機(jī)的運行效率，避免摩擦振動故障的產(chǎn)生。

3 結(jié)語

作為電廠發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中的重要設(shè)備，汽機(jī)的運行將會直接影響電廠的發(fā)電效果，但因為電廠汽機(jī)運行過程當(dāng)中容易受到各種因素的影響而產(chǎn)生摩擦震動，不僅可能影響汽機(jī)的使用壽命，更有可能導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)的停擺，從而為電廠造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，只有加強對汽機(jī)日常維護(hù)檢修方面工作的重視，并加強對一些常見振動故障的解決措施的了解，才能更好地維持汽機(jī)的安全運行。