淺談汽輪機(jī)運(yùn)行振動(dòng)的危害原因分析及處理

李杰

摘要：振動(dòng)屬于汽輪機(jī)運(yùn)行期間最常出現(xiàn)的問題，可以引發(fā)多種故障問題，為了避免出現(xiàn)振動(dòng)情況，工作人員應(yīng)正確分析振動(dòng)的原因，在此基礎(chǔ)上做好防止措施，提升汽輪機(jī)的運(yùn)行效率。本文則針對(duì)此分析了汽輪機(jī)運(yùn)行期間振動(dòng)的原因，并提出相應(yīng)的處理措施，以期為此后汽輪機(jī)的運(yùn)行提供更多借鑒依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；運(yùn)行振動(dòng)；危害原因；處理措施

1 汽輪機(jī)振動(dòng)危原因

汽輪機(jī)在正常運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)問題是不可避免的，但若汽輪機(jī)組出現(xiàn)劇烈的異常振動(dòng)問題，那么就說(shuō)明汽輪機(jī)組存在缺陷問題。制造水平、安裝施工、運(yùn)行檢修、監(jiān)督管理，等等，這些都有可能引發(fā)異常振動(dòng)問題，而且這些問題之間又是相互作用、相互影響的。要想及時(shí)、有效地進(jìn)行故障排除，就必須優(yōu)先掌握引發(fā)汽輪機(jī)異常故障的常見原因。

1.1 運(yùn)行中心不正

發(fā)生中心不正的原因主要有以下幾點(diǎn)：第一，汽輪機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中因?yàn)榕瘷C(jī)的時(shí)間不足，直接升速后負(fù)荷增加太快，導(dǎo)致氣缸受熱后膨脹不均勻，調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在卡澀問題，以至于汽缸無(wú)法自由膨脹，會(huì)與轉(zhuǎn)子發(fā)生相對(duì)性歪斜，汽輪機(jī)組產(chǎn)生了不正常的移位問題，從而引發(fā)汽輪機(jī)異常振動(dòng)。第二，汽輪機(jī)組經(jīng)歷過(guò)大修理后，在安裝靠背輪時(shí)存在問題，以至于中心位置沒有找準(zhǔn)，在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了振動(dòng)問題，說(shuō)明此時(shí)產(chǎn)生的汽輪機(jī)異常振動(dòng)情況是伴隨著負(fù)荷的不斷增加而增加。第三，若汽輪機(jī)組在進(jìn)汽溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際條件下運(yùn)行，就會(huì)增加脹差與氣缸的變形風(fēng)險(xiǎn)，以至于汽輪機(jī)軸向位移超出被允許的限度，從而引發(fā)汽輪機(jī)異常振動(dòng)問題。第四，當(dāng)轉(zhuǎn)子因?yàn)槟承┰蚝推撞煌臅r(shí)，極易發(fā)生間隙振蕩問題，從而導(dǎo)致汽輪機(jī)異常振動(dòng)問題。

1.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡

機(jī)組運(yùn)行中葉片的脫落與磨損、腐蝕等現(xiàn)象使得轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不均勻，這種不均勻會(huì)使得轉(zhuǎn)子受到離心力的沖擊發(fā)生振動(dòng)；轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲也會(huì)引起振動(dòng)，主要是由于轉(zhuǎn)子彎曲后引起了汽輪機(jī)內(nèi)部組件的摩擦，該種振動(dòng)與轉(zhuǎn)子質(zhì)量不均勻受到離心力沖擊之后所引起的振動(dòng)相類似，但是也有不同，這種振動(dòng)最典型的表現(xiàn)是軸向振動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度超出了臨界的轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子的軸向振動(dòng)效果更為明顯；汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子油膜不穩(wěn)定或者是受到其他外力作用遭到破壞等，也會(huì)引起振動(dòng)，主要是油膜在遭到破壞以后，使得軸瓦烏金燒毀形成軸頸的彎曲；汽輪機(jī)內(nèi)部各組件之間發(fā)生摩擦?xí)鹫駝?dòng)，主要是動(dòng)葉片與靜葉片之間的摩擦、通流部分間隙與安裝的處理不當(dāng)?shù)鹊哪Σ烈鸬恼駝?dòng)；水沖擊也會(huì)引起振動(dòng)，這種沖擊會(huì)造成轉(zhuǎn)子軸向推力與扭力之間的不平衡，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。

1.3 油膜振蕩

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高于兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速時(shí)所發(fā)生的軸瓦自激振動(dòng)即為油膜振蕩。油膜震蕩的振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速接近而發(fā)生共振，使轉(zhuǎn)子發(fā)生強(qiáng)烈的振蕩，發(fā)生油膜振蕩時(shí)，機(jī)械聲音異常。另外，油膜不穩(wěn)定或受到破壞時(shí)，將會(huì)使軸瓦烏金燒毀及造成軸頸彎曲，引起汽輪機(jī)的劇烈振動(dòng)。

1.4 摩擦造成

汽輪機(jī)由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，對(duì)各個(gè)零部件均會(huì)造成不同程度的摩擦損傷，當(dāng)零部件的摩擦損害過(guò)于嚴(yán)重時(shí)，則會(huì)造成汽輪機(jī)的異常振動(dòng)問題。汽輪機(jī)摩擦出現(xiàn)異常振動(dòng)的特征如下：第一，轉(zhuǎn)子熱變形會(huì)對(duì)汽輪機(jī)造成不平衡力，使汽輪機(jī)的振動(dòng)信號(hào)受到影響，會(huì)出現(xiàn)少量分頻、倍頻以及高頻分量等現(xiàn)象；第二，當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)生摩擦?xí)r，汽輪機(jī)的振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。而汽輪機(jī)摩擦過(guò)于嚴(yán)重時(shí)，汽輪機(jī)的振動(dòng)幅度會(huì)大幅增加；第三，汽輪機(jī)在延緩運(yùn)行過(guò)程中，下降速度超過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)，汽輪機(jī)的振動(dòng)幅度會(huì)增大。當(dāng)汽輪機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)

后，汽輪機(jī)的測(cè)量軸會(huì)出現(xiàn)明顯晃動(dòng)。簡(jiǎn)而言之，汽輪機(jī)由于摩擦出現(xiàn)異常振動(dòng)是由于摩擦致使汽輪機(jī)溫度升高，局部溫度過(guò)熱造成轉(zhuǎn)子熱變形，產(chǎn)生不平衡力造成的異常振動(dòng)。

2 汽輪機(jī)振動(dòng)對(duì)應(yīng)的危害

汽輪機(jī)振動(dòng)對(duì)汽輪機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生很大危害，具體包括以下幾個(gè)方面：

2.1 滑動(dòng)軸承損壞，使汽輪機(jī)無(wú)法運(yùn)行

汽輪機(jī)高速運(yùn)行中，滑動(dòng)軸承軸的軸瓦摩擦力較大，同時(shí)產(chǎn)生較高的溫度。這時(shí)，汽輪機(jī)的強(qiáng)烈振動(dòng)會(huì)使滑動(dòng)軸的軸瓦爆裂，讓滑動(dòng)軸承抱死，致使汽輪機(jī)無(wú)法運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 滑銷系統(tǒng)磨損

滑銷系統(tǒng)一方面固定汽輪機(jī)氣缸及軸承外殼：一方面在運(yùn)行中受熱或冷卻時(shí)，保證機(jī)組可以自由膨脹或收縮。滑銷嚴(yán)重磨損時(shí)，會(huì)影響機(jī)組的正常熱膨脹，從而引起更嚴(yán)重的事故。

2.3 葉片受力不均，使其變形或折斷

汽輪機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，蒸汽能量通過(guò)汽輪機(jī)葉片傳遞給機(jī)軸，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成機(jī)械動(dòng)能。當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，葉片受力不均使動(dòng)應(yīng)力過(guò)高而發(fā)生變形或折斷，對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生影響。

2.4 零件松動(dòng)或脫落，損壞機(jī)體或?qū)θ藛T傷害

汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，可能會(huì)使機(jī)組部件松動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)共考撀洹Ｃ撀洳考赡茈S汽輪機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)飛出擊壞機(jī)體，也可能造成人員傷亡。

2.5 通流部分發(fā)生摩擦，嚴(yán)重時(shí)可能使主軸彎曲

汽輪機(jī)振動(dòng)會(huì)使通流部分發(fā)生劇烈摩擦，對(duì)汽輪機(jī)主軸的沖擊力加大，嚴(yán)重時(shí)可能引起主軸彎曲現(xiàn)象，致使汽輪機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.6 直接或間接造成設(shè)備事故

當(dāng)汽輪機(jī)發(fā)生過(guò)大振動(dòng)時(shí)，危急保安器或機(jī)組的其它保護(hù)儀表的正常工作將直接受到影響，嚴(yán)重時(shí)引起這些部件的誤動(dòng)作，直接造成事故停機(jī)。若發(fā)電機(jī)定子鐵芯和端部線圈振動(dòng)過(guò)大，會(huì)使鐵芯疊片間絕緣破壞和線圈繞組間絕緣損壞，造成鐵芯過(guò)熱損壞，使繞組之間或繞組對(duì)地短路。

3 汽輪機(jī)異常振動(dòng)的故障檢修

3.1 汽輪機(jī)異常振動(dòng)第一次檢修

在進(jìn)行汽輪機(jī)異常振動(dòng)檢修工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)汽輪機(jī)的運(yùn)行情況進(jìn)行反復(fù)檢修，確保汽輪機(jī)能夠進(jìn)行正常工作。汽輪機(jī)異常振動(dòng)的第一次檢修，應(yīng)當(dāng)分析汽輪機(jī)的運(yùn)行情況，通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)的各個(gè)部件進(jìn)行檢查維修，應(yīng)當(dāng)確保汽輪機(jī)的各個(gè)參數(shù)能夠運(yùn)行正常。對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行故障檢修時(shí)，要根據(jù)汽輪機(jī)的故障問題，確定故障的原因，采取適宜的方法解決汽輪機(jī)異常振動(dòng)問題。汽輪機(jī)異常振動(dòng)的第一次檢修，是汽輪機(jī)故障檢修的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行整體檢查，可以修復(fù)汽輪機(jī)的運(yùn)行問題，最大程度減輕汽輪機(jī)的異常振動(dòng)情況，從而提高汽輪機(jī)的運(yùn)行效率。

3.2 汽輪機(jī)異常振動(dòng)第二次檢修

汽輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障問題時(shí)，可以通過(guò)多次檢修提高汽輪機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。在進(jìn)行汽輪機(jī)異常振動(dòng)第二次檢修工作時(shí)，可以對(duì)汽輪機(jī)的重點(diǎn)問題進(jìn)行維修，通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)部進(jìn)行檢修排查，可以調(diào)整汽輪機(jī)的內(nèi)部運(yùn)行情況，避免汽輪機(jī)由于內(nèi)部運(yùn)行問題出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，汽輪機(jī)要調(diào)整各個(gè)零部件的間隙，減少汽輪機(jī)零部件的摩擦情況，避免汽輪機(jī)由于摩擦問題造成異常振動(dòng)。通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)的異常振動(dòng)進(jìn)行第二次檢修，可以深入分析汽輪機(jī)的運(yùn)行狀況，及時(shí)修復(fù)汽輪機(jī)存在的故障問題，避免汽輪機(jī)由于故障問題反復(fù)出現(xiàn)異常振動(dòng)。

4 汽輪機(jī)振動(dòng)的具體處理措施

4.1 安裝和運(yùn)行中使轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)

汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，較一般機(jī)械振動(dòng)力大。這就要求安裝人員在汽輪機(jī)安裝時(shí)，基礎(chǔ)要牢固，防止機(jī)體產(chǎn)生較大振動(dòng)。另外，在安裝其它機(jī)械部件時(shí)，必須保證轉(zhuǎn)子圓周對(duì)稱位置重量差及整圈最大重量值與最小重量值差值在合格范圍之內(nèi)。

4.2. 防止油膜失穩(wěn)

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)汽輪機(jī)時(shí)應(yīng)適當(dāng)提升軸系穩(wěn)定性與系統(tǒng)阻尼，并做好相關(guān)工藝技術(shù)的檢查與控制工作，以免影響軸系的穩(wěn)定性，提高汽輪機(jī)的工作效率。日常汽輪機(jī)軸承維護(hù)工作可以有效防止油膜失穩(wěn)問題，對(duì)此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在遵循運(yùn)行原則的基礎(chǔ)上增大對(duì)比壓與負(fù)載，降低軸承寬度。同時(shí)，還應(yīng)在提高油溫的基礎(chǔ)上增大承載系數(shù)，降低潤(rùn)滑油粘度。但此種防止措施會(huì)降低油膜厚度，使汽輪機(jī)處于高溫工作狀態(tài)，從而導(dǎo)致油質(zhì)老化問題，期間設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分注意。

4.3 減少動(dòng)靜部件間的摩擦

減少動(dòng)靜部件之間摩擦，首先，在設(shè)備安裝時(shí)，要注意零部件間隙符合圖紙及規(guī)范要求，防止部件錯(cuò)位等。潤(rùn)滑油在機(jī)組正常運(yùn)行中起潤(rùn)滑、冷卻等作用，在設(shè)備運(yùn)行中，時(shí)常注意潤(rùn)滑油的使用情況，定期更換和添加，并對(duì)油溫及油系統(tǒng)濾網(wǎng)前后壓差進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.4 嚴(yán)格準(zhǔn)守操作程序

汽輪機(jī)在運(yùn)行中，操作人員必須嚴(yán)格準(zhǔn)守操作程序，同時(shí)按規(guī)定，對(duì)水及蒸汽質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，防止水質(zhì)不好，使葉片結(jié)垢或腐蝕，同時(shí)要防止蒸汽中帶水，引發(fā)水擊現(xiàn)象。

5 汽輪機(jī)運(yùn)行中振動(dòng)防止技術(shù)應(yīng)用案例分析

5.1 案例機(jī)組振動(dòng)問題

一方面是案例機(jī)組軸系情況，機(jī)組軸系高壓布置情況如下圖1所示。在沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，工作人員同時(shí)開度4個(gè)高調(diào)閥對(duì)應(yīng)的噴嘴，使其同時(shí)進(jìn)汽，且中壓缸的氣缸下半左、右兩側(cè)同時(shí)接入2個(gè)中壓聯(lián)合氣閥，當(dāng)將調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)至30%以下時(shí)，再熱器可以維持基本的壓力。當(dāng)調(diào)節(jié)閥流量超過(guò)30%時(shí)，應(yīng)全開總流量指令，通過(guò)高壓調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)負(fù)荷。機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中突然發(fā)生軸振故障問題，進(jìn)而導(dǎo)致跳機(jī)，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，軸系各處的軸振明顯增加，高中壓缸處發(fā)生最大的振幅變化，最大可超過(guò)290μm。其中1#瓦x軸系振動(dòng)幅度約為170μm，Y軸系振動(dòng)幅度約為190uum。同時(shí)，工作人員實(shí)踐觀察發(fā)現(xiàn)，隨著軸振的不斷增加，各軸瓦各處的瓦振也不斷增大，其與軸振保持同樣的振動(dòng)頻率。

5.2 汽輪機(jī)振動(dòng)問題原因及處理

① 分析故障數(shù)據(jù)

汽輪機(jī)軸振受多種因素的影響，且之間相互關(guān)聯(lián)聯(lián)系，對(duì)此，工作人員應(yīng)深入分析軸振故障的各種原因，針對(duì)性的制定解決措施。首先，汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)期間，高壓缸軸承并未發(fā)生明顯變化，這主要因?yàn)檩S系保持良好的平衡性，且軸承保持正常的支撐剛度。故障發(fā)生之前，配汽與機(jī)組軸系保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)此，工作人員應(yīng)找出非軸系引發(fā)故障的相關(guān)因素。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，機(jī)組#3瓦振在運(yùn)行期間并未發(fā)生異常情況，因此應(yīng)了解分析#1瓦與#2瓦軸承的實(shí)際頻譜，判斷故障位置。

② 軸振原因分析

分析可以得知，高頻故障問題相近于碰撞故障。軸系發(fā)生故障時(shí)，轉(zhuǎn)速處于臨界狀態(tài)，軸系敏感于外界的擾動(dòng)，引發(fā)嚴(yán)重的軸系振動(dòng)突增問題。同時(shí)，實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其他電廠也發(fā)生過(guò)類似問題，嚴(yán)重影響了大功率汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，應(yīng)出臺(tái)完善的解決方案。

5.3 汽輪機(jī)運(yùn)行軸振問題的解決

分析發(fā)現(xiàn)，動(dòng)靜葉片或軸瓦碰撞屬于軸系故障問題的主要引發(fā)因素，在未并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，機(jī)組沖轉(zhuǎn)起機(jī)導(dǎo)致氣缸膨脹不暢。同時(shí)，汽輪機(jī)在沖轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的相互耦合導(dǎo)致振動(dòng)瞬間增大，引發(fā)跳機(jī)問題，運(yùn)行后期機(jī)組嚴(yán)重碰磨，具體見下圖2所示。

由上圖分析可知，#1與#2軸振保持不穩(wěn)定運(yùn)行模式，機(jī)組在快速升負(fù)荷階段對(duì)第三閥進(jìn)行了負(fù)荷調(diào)節(jié)，負(fù)荷速率的突然增加增大了轉(zhuǎn)子徑向偏移量，發(fā)生碰磨問題。對(duì)此，汽輪機(jī)運(yùn)行期間實(shí)際碰磨問題比較嚴(yán)重。之后工作人員采用電渦流傳感器診斷動(dòng)靜部位的碰撞情況，判定具體位置。利用機(jī)械測(cè)振表有效測(cè)定故障信號(hào)，發(fā)現(xiàn)由轉(zhuǎn)子受熱不均引起熱彎曲，轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損問題。之后工作人員適當(dāng)降低了運(yùn)行效率，更換處理零件，適當(dāng)增加油脂，增強(qiáng)了潤(rùn)滑效果，有效解決了動(dòng)靜摩擦問題，促進(jìn)了汽輪機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)束語(yǔ)

汽輪機(jī)組的異常振動(dòng)不僅危害機(jī)組，甚至?xí)绊懻麄€(gè)發(fā)電系統(tǒng)。因此要在了解其危害的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析其產(chǎn)生的原因，這樣才能根據(jù)具體的原因采取更多的防止措施，確保其穩(wěn)定運(yùn)行，保證安全正常發(fā)電，提高經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益水平。

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