汽輪發電機組振動測量系統異常問題診斷處理

李曉波，段學友，張沈彬

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

汽輪發電機組是火電廠的核心設備，振動是反映其軸系轉動狀態最直接、最重要的指標。振動超標通常意味著機組軸系或支承系統出現較大異常，容易誘發零部件疲勞破壞，威脅機組穩定運行。因此，準確診斷處理振動測量系統故障，確保其真實反映設備振動狀態，對保障汽輪發電機組安全穩定運行有著十分重要的意義。

1 振動測量系統組成

汽輪發電機組振動測量系統通常由振動傳感器組件、導線、采集分析裝置組成[1-3]。汽輪發電機組振動測量包括軸振（相對軸振、絕對軸振）測量和座振測量。相對軸振常用電渦流傳感器測量，座振常用速度傳感器、加速度傳感器測量。

1.1 傳感器

振動傳感器是將振動信號轉換為電信號的元件，主要有電渦流傳感器、速度傳感器、加速度傳感器幾種。電渦流傳感器基于電渦流效應，其輸出信號為脈動電壓，當被測表面的磁導率、電導率不變時，其直流部分正比于平均間隙，交流部分正比于軸心圍繞平均位置的振動位移；其頻響范圍為0～10 kHz，用于軸振動的非接觸式測量。速度傳感器基于電磁感應原理，其輸出電壓與運動速度成正比，通常固定在軸承座上測量座振。加速度傳感器基于壓電效應原理，其輸出電壓與加速度成正比，通常固定在軸承座上測量座振。

1.2 采集分析裝置

在火電廠，振動采集裝置為汽輪機安全監視TSI（turbine supervisory instrumentation）系統，當前主流產品有本特利公司的3500系列、艾默生公司的MMS6000系列。振動信號采集分析裝置接收通過導線傳輸而來的振動傳感器電壓信號，其測量板件對信號進行整形、模數轉換、邏輯計算等，給分散控制系統DCS（distributed control system）等輸出振動量值，并具有緩沖輸出等功能。TSI系統采集轉換后，可輸出信號給離線便攜式振動分析儀或在線分析診斷系統TDM（turbine dignosis managment），得到多種振動分析圖譜。

2 振動測量系統故障診斷

當轉子受到某種激振力而激發振動時，同一截面不同方向的傳感器都會采集到，轉子相鄰部位也會有一定響應，相鄰振動測點量值通常會表現出一定的邏輯相關性，因此與其他測點是否具有“邏輯相關性”常常成為識別振動信號是否真實的依據。

結合振動測量系統故障機理和現場經驗[4-7]，分析總結的振動測量系統故障類型及特征如表1所示；根據振動測量系統故障機理及特征，結合現場經驗，總結的測量系統故障診斷處理流程如圖1所示。

表1 振動測量系統故障特征表

圖1 振動測量系統故障診斷處理流程圖

3 測量系統故障診斷實例

3.1 速度傳感器共振案例

某W廠4號汽輪機為亞臨界直接空冷300 MW汽輪機機組，配有TSI系統，用于振動監視。2018年5月該機組低壓轉子前端3號軸承座振通頻值出現大幅度波動，波動范圍為15～50 μm。

3.1.1 振動情況分析

a）3號軸承座振大幅波動時，對應的3X、3Y軸振基本維持平穩，表明轉子振動正常，軸系激振力基本平穩，對軸承無波動的激勵力；3號軸承座振的基頻（與轉速通頻）振動分量幅值和相位基本平穩，即對應軸系轉頻強迫力基本平穩。從軸振和座振這種不相關性，懷疑故障原因大概率為3號軸承座振測量系統故障。

b）使用測振儀采集3號軸承座振頻譜，發現其主要振動頻率為3.123 Hz和6.254 Hz，其振幅瞬間峰值分別達到了 35 μm、22 μm，這與該 TSI系統的PR9268傳感器的自振頻率（4.5±0.5 Hz）大致相符，進而判斷故障原因為傳感器共振。

3.1.2 處理結果

停機檢修期間3號軸承就地更換新的傳感器，再次啟動后該測量值維持在10 μm左右，處于相關國標[8-9]所述A區域，并與就地測量值基本一致。

3.2 軸振傳感器支架共振問題

H廠2號機組為亞臨界330MW機組，高中壓轉子兩端由1、2號軸承支承，配有TSI系統，用于振動監視。該機組啟動過程中升速至2 350 r/min附近2X軸振出現顯著波峰，在2 460 r/min附近2Y軸振出現波峰，2Y軸振超過保護動作值而跳機。重復升速2次，現象基本相同。

3.2.1 振動情況分析

a）2X、2Y軸振分別在轉速2 350 r/min和轉速2 460 r/min時出現振動波峰，而后快速下降，這與共振現象很相似；但高中壓轉子的另一端——同轉速時1號軸承軸振沒有明顯的振動波峰，相鄰的3號軸承軸振相應也小，且2 350 r/min、2 460 r/min已遠離轉子的設計臨界轉速（1 569 r/min）。從上述的非相關性可判斷，轉速2 350 r/min、2 460 r/min時2X、2Y軸振共振波峰的主因并非是高中壓轉子臨界轉速區共振引起的，而是測量系統信號異常，很可能是源于探頭支架共振。

b）重復啟動2次，現象類似，有明確規律，再現性好，這通常對應著確定的系統性問題，外界偶發干擾的可能性小。

c）調查發現2X、2Y軸振探頭安裝在長臂支架上，而非常見的軸承插入套筒上。綜合分析后判斷2X、2Y軸振探頭所在的長臂支架剛度較弱，在轉速2 350 r/min、2 460 r/min時出現了長臂支架共振現象，同步出現軸承箱、軸承座共振。

3.2.2 處理結果

確認2X、2Y軸振測量系統的接地和屏蔽狀態正常。揭開軸承箱，對2X、2Y軸振探頭所在的長臂支架進行焊接加固。再次啟動后，升速過程中2X、2Y軸振最大值不超過90 μm，治理效果良好。

3.3 電磁干擾案例

B廠1號汽輪機為200 MW工業采暖抽汽、凝汽式兩用汽輪機，配置了TSI系統，發電機轉子由6號、7號軸承支撐。

3.3.1 振動情況分析

a）DCS振動數據分析。2019年5月，機組帶負荷、加勵磁過程中6號、7號瓦軸振先后出現爬升情況，其中6Y軸振最大值達到167 μm，7號瓦軸振最大值達到132 μm，而6X軸振軸振、6號瓦瓦振、7號瓦瓦振卻變化不大。

根據6號、7號軸承振動相關變化趨勢可以看出：第一，在有功不變的情況下，6Y/7X/7Y軸振大致跟隨勵磁電流快速變化，在勵磁電流不變時，功率增大，6Y/7X/7Y軸振也相應增大。第二，6Y軸振大幅波動過程中6X軸振、6號瓦座振波動幅值很小，從這種不相關性方面懷疑6Y軸軸振波動大概率為假信號，而非6號軸承附近軸系激振力反復變化。

b）測振儀頻譜分析。使用測振儀測取6號、7號軸承振動頻譜信息，根據變勵磁過程中振動數據，可觀察到如下規律。

第一，6Y軸振的大幅波動，主要表現為2倍頻分量幅值的大幅度變化，而6X軸軸振、6號瓦瓦振的2倍頻分量很小，因此判斷6Y軸軸振大幅波動的激振源并非來自軸系，而是來自外界某100 Hz的激振源。第二，7X/7Y軸振同趨勢大幅變化，主要表現為1倍頻幅值的變化，判斷為真實振動，這通常對應著附近某種不平衡量；2倍頻分量變化不大，通常對應附近較穩定的電磁力或聯軸器不對中量。第三，觀察6Y、7X軸振的間隙電壓為平滑曲線，而其軸振值中有大量鋸齒狀波動，且有脈沖量，這通常對應著外部干擾信號。

3.3.2 分析結論

a）判斷6Y軸振波動大概率為虛假信號，主要為2倍頻分量，且與勵磁電流變化相關性強；綜合分析認為6Y軸振波動原因大概率為勵磁電流對6Y軸振測量系統的強電磁干擾。

b）7X、7Y軸振主要表現為1倍頻分量的變化，而6X、6Y軸振沒有類似現象，因而判斷并非發電機轉子問題，結合振型及相位關系綜合判斷為7號瓦跨外聯軸器緊力不足，隨有功功率（變力矩）、勵磁電流（變發熱）改變，導致7號瓦跨外不平衡量的改變。

3.3.3 處理建議

a）停機后，檢查6號、7號軸承的絕緣情況，檢查6號、7號軸承振動測點就地線纜屏蔽情況，檢查6號軸承軸振探頭支架是否有松動或剛度差。

b）停機后，檢查7X/7Y軸振測點是否接反，檢查7號軸承跨外聯軸器緊力、晃度，檢查7號軸承跨外勵磁段是否存在電氣缺陷、線圈位移、碳刷緊力異常。

3.3.4 處理結果

機組停機后更換了6Y軸承軸振探頭及導線，更換6號、7號軸承的絕緣墊；7號軸承跨外聯軸器重新找中心；對7號瓦跨外勵磁段進行了檢查。再次啟動，帶負荷過程中6號、7號軸承振動基本平穩，最大軸振不超過80 μm，處理效果良好。

4 結束語

汽輪發電機組振動故障的準確診斷和恰當處理，是火電廠現場工作中的難點[10]。本文結合實際案例，剖析了幾類振動測量系統故障的分析、診斷、處理過程，重點從“相關性”方面分析了真實振動與虛假信號的識別，給出了相應的處理建議和對照處理結果，為類似案例的處理提供了參考。