汽輪機振動理論簡述

孫京偉

（國電電力大同第二發(fā)電廠（公司），山西 大同 037043）

振動是汽輪發(fā)電機組運行中最常見的主要故障之一，嚴重時會形成振動事故。從目前許多地區(qū)的消振和振動事故原因分析，主要還是個人的經(jīng)驗和直覺進行，因而走了不少彎路。機組的振動狀態(tài)在很大程度上決定了汽輪發(fā)電機組運行是否可靠，或者說機組的振動參數(shù)是表示汽輪發(fā)電機組穩(wěn)定運行的最重要的指標之一。

根據(jù)以往的經(jīng)驗，汽輪發(fā)電機組的大部分事故，特別是比較嚴重的設備損壞事故，都會有某種異常振動的前兆，而且在毀機的過程中都毫無例外地表現(xiàn)出劇烈的振動。如果運行人員能夠根據(jù)振動的參數(shù)變化及時地對機組發(fā)生振動的原因作出正確的判斷和恰當?shù)奶幚恚湍軌蛴行У胤乐故鹿蔬M一步擴大，從而避免或減少事故造成的危害。因此，如果汽輪發(fā)電機組在運行中發(fā)生的異常振動現(xiàn)象，必須認真、謹慎地對待。作為汽輪發(fā)電機組的運行人員，尤其是大功率、高參數(shù)汽輪發(fā)電機組的運行人員，系統(tǒng)地掌握有關機組的振動知識是非常必要的。

1 關于振動的基本知識

所有物體或機件都有一定的質量和彈性，而本身具有彈性的質量或是與它相連接的彈性部分的組合體，就被稱為彈性系統(tǒng)。當彈性系統(tǒng)中的物體，處在穩(wěn)定狀態(tài)下受到一次外力的擾動后，它就會以一定的頻率在原來靜止位置為中心作往復運動，這種運動就被稱為振動。因此，振動在彈性系統(tǒng)中存在。而機械振動可概括為物體的位置周期性的離開其系統(tǒng)中的原定位置。

2 振動造成的危害

當汽輪發(fā)電機組發(fā)生過大振動時，造成的傷害主要表現(xiàn)在對設備和人身兩個方面。具體從如下幾個方面論述。

2.1 轉子和靜子部分發(fā)生摩擦

隨著機組單機容量的增大和對高效率的要求，汽輪機流通部分的間隙，特別是徑向間隙越來越?。ǖ陀?00 μm），在較大振動下，會造成汽輪機轉子和靜子部分的摩擦。這不僅造成部分轉子和靜子的損壞，而且當摩擦造成汽封間隙變大后，增大了轉子的軸向推力，引起推力瓦油溫升高，甚至會發(fā)生推力瓦損壞事故。如果摩擦直接發(fā)生在轉軸處，還會造成轉子的熱彎曲，使軸和軸承的振動進一步增大，擴大破壞程度，還會引起轉軸的永久彎曲。

2.2 加速某些部件的磨損和產(chǎn)生偏磨

因振動而產(chǎn)生不均勻磨損的部件，對靜止部件來說，主要是加速滑銷系統(tǒng)的磨損。振動之所以會使這些部件加速磨損或偏磨，是由于動靜部件或兩個部件之間存在著差別振動，而且這個差別振動的方向對轉子來說是一定的，它由轉子上的擾動力的方向所決定（在一定轉速下）。這些轉動部件在定向差別振動的作用下，轉動部件的某一方向磨損較其他方向較大，因而產(chǎn)生偏磨。例如，發(fā)電機滑環(huán)和勵磁機整流子橢圓度過大，將使電刷冒火；滑銷系統(tǒng)磨損后，會使機組膨脹蠕變。

2.3 動靜部件的疲勞損壞

振動會使某些部件產(chǎn)生過大的動應力導致應力變形，造成疲勞損壞，事故擴大。這種疲勞損壞雖然要有一個時間過程，但是隨機部件上應力的增大，時間過程就會隨之縮短。所以有些機組部件盡管只是在起停過程中發(fā)生了幾次大振動，但也能使某一些部件發(fā)生疲勞損壞。

由于振動而使零件發(fā)生疲勞損壞的，以軸瓦烏金破裂較多。主要原因是由于軸頸和軸瓦的振動差別太大，軸頸在軸瓦內發(fā)生撞擊后，引起局部廢勞而產(chǎn)生表面破裂、剝落或脫胎。當剝落下來的烏金塊落入間隙時，會把軸瓦烏金輾壞或引起整個軸瓦的損毀。

2.4 某些緊固件的斷裂和松脫

過大振動使軸承座地腳螺絲斷裂和某些零件發(fā)生松動而脫落，失去它原有的固定功能，從而使機組發(fā)生事故。振動過大使緊固發(fā)生松動間接引起的另一個現(xiàn)象是使基礎松動，軸承座剛度降低，軸承振動進一步增大。這種現(xiàn)象也比較多見，有時還會引起基礎和周圍建筑物產(chǎn)生裂紋。

2.5 機組的經(jīng)濟性降低

汽輪機汽封間隙越大，汽輪機的熱經(jīng)濟性就越降低。

2.6 直接或間接造成設備事故

當汽輪機發(fā)生過大振動時，危急保安器或機組的其它保護儀表的正常工作將直接受到影響，嚴重時會引起這些部件的誤動作，直接造成事故停機。例如，美國在1965年投運的一臺1000MW雙軸汽輪發(fā)電機組，就因發(fā)電機定子鐵芯振動過大和定子繞組端部絕緣塊發(fā)生問題，連續(xù)兩次發(fā)生設備重大事故。對于水冷發(fā)電機轉子，振動過大會引起水管斷裂，引起冷卻水泄漏事故。

2.7 對人身的危害

振動對人體的危害也很嚴重。過大的機械振動和噪聲，對值班人員的生理會產(chǎn)生不利的影響?？紤]振動和噪聲對人體的影響時，要涉及機械和心理兩種效應。據(jù)資料介紹，從承受振動和沖擊的角度出發(fā)，人體也可被看作一個簡化的機械系統(tǒng)。過大的振動在多數(shù)情況下會引起運行人員有明顯的疲勞感，降低工作效率，并且降低預防、判斷和處理事故的能力。

從振動造成的主要危害出發(fā)，不僅額定轉速下的過大振動會產(chǎn)生這些危害，而且在啟動和停機過程中所發(fā)生的過大振動，也有類似的危害。因為即使發(fā)生過大振動的時間很短，也同樣會造成動靜部分摩擦，經(jīng)多次啟停后發(fā)生大的振動，也能使某些緊固件松脫和某些部件的疲勞損壞。因此，在機組啟動中，當臨界轉速下振動很大時，過去不是從降低臨界轉速下的振動著手，而是采用沖臨界轉速的方法，這種從振動對機組的危害考慮是極為有害的。在升速過臨界轉速時，雖然可以用加速的方法沖臨界轉速，使軸承振動得不到發(fā)散，但在停機過程中，就難以避免在臨界轉速下發(fā)生過大振動。實際上這種沖臨界轉速的起動方式，是早先轉子平衡技術非常落后時的起動方法。當前平衡技術已經(jīng)提高，一般無需花多大的精力就可以使轉子在各個臨界轉速下的振動保持在要求范圍內，因而無須采用沖臨界轉速的辦法。對臨界轉速下振動較大的機組，應該從改善轉子平衡工藝著手來消除振動。過去調整轉子平衡只考慮工作轉速下的軸承振動，而對于轉子臨界轉速下的軸承振動很少考慮，這是不合理的。

3 機組振動評價標準及報警和跳閘值整定

3.1 以軸承振幅為尺度的振動標準

這是一種最早的評定機組振動狀態(tài)的方法，它的形成與振動測量技術發(fā)展歷史直接相關。標準本身是在統(tǒng)計和總結長期運行經(jīng)驗的基礎上提出的，而且經(jīng)過不斷改進和完善，所以這種評定機組振動狀態(tài)的方法是可靠的。因此直到目前為止，不論是國內還是國外，仍廣泛應用。

我國在1954年制定的《電力工業(yè)技術管理法規(guī)》中就正式規(guī)定了在電廠運行的1 500 r/min、3 000 r/min汽輪發(fā)電機組軸承振動標準，該法規(guī)在1957年、1959年和1980年又重新作了修訂，但機組振動標準一直未變，如表1所示。

表1 《電力工業(yè)技術管理法規(guī)》中規(guī)定的汽輪發(fā)電機組振動標準（雙振幅，μm）

表1的振動標準在當時、后來乃至目前，對于防止運行機組發(fā)生振動過大事故起了很好的作用。

3.2 以轉軸振幅為尺度的振動標準

為了克服以軸承振動為尺度的振動標準不能正確反映轉軸振動狀態(tài)的缺點，不少專家提出采用以轉軸振動為尺度的振動標準來評定機組的振動狀態(tài)。隨后，由于振動測試技術的發(fā)展，轉軸振動測量在現(xiàn)場獲得廣泛應用。

3.2.1 VDI-2059和ISO7919/1-1986標準

如表2所示。

3.2.2 ISO DIS7919/2的規(guī)定

如表3所示。

VDI-2059和ISO7919/1-1986是以測量平面內軸心軌跡最大位移單峰值，作為評價機組振動標準，而ISO DIS7919/2則以兩個相互垂直方向上軸振最大位移的峰值作為評價機組振動標準。

表2 VDI-2059汽輪發(fā)電機組轉軸振動標準（μm）

表3 ISO DIS7919/2轉軸振動評價標準（雙振幅）

轉軸振動（相對）絕對值，分為A、B、C3個區(qū)域，或稱3個等級。A區(qū)：軸振小于該值，可認為機組振動良好；B區(qū)：軸振小于該值，可認為機組振動合格，可以長期運行，但超過此值，應發(fā)出報警；C區(qū)：軸振小于該值，機組可以短時間地運行，但應發(fā)出警報，并應盡快采取消振措施。如果軸振超過此值，應跳閘停機。

3.3 以軸承振動烈度為尺度的振動標準

所謂軸承振動烈度，是指軸承振動速度的均方根值，單位是mm/s.因為采用以振動烈度為尺度的振動標準，并沒有克服以軸承振動為尺度的振動標準所存在的弊病，而且還帶來了一個不直觀的振動量值觀念，對此目前還有許多人持不同看法，所以此處不再詳細介紹。

3.4 機組振動報警和跳閘值整定

機組振動報警和跳閘是與機組振動評定標準相平行的一個問題，它不僅是集中控制機組調試內容之一，而且也是一般運行機組安全控制的重要指標之一，目前國內還沒有制定這一規(guī)范，因此新機啟動與運行規(guī)程修訂，常為允許最大振動而發(fā)難。

3.4.1 振動報警和跳閘值整定原則

機組振動達到報警和跳閘值，并不意味著機組已經(jīng)處于危機狀態(tài)，作為報警值設計意圖，是讓運行人員把注意力集中到振動特性變化方面來，迫使他們考慮振動故障原因，并隨時準備采取可能的糾正性操作；當振動達到跳閘值時，如不再停機，機組振動增大將危及機組的安全。從目前統(tǒng)計來看，振動跳閘近似為振動報警值的1.5～2.0倍，而且還要考慮到當振動達到跳閘值時，切斷汽源停機過程中振動還會繼續(xù)增大，此時應保證機組仍能承受將發(fā)生的振動，即機組不會產(chǎn)生明顯的損傷。

3.4.2 振動報警和跳閘值整定

振動報警和跳閘值是與所有運行機組直接有關的安全控制的重要指標，目前國內只有在《電力建設施工及驗收技術規(guī)范》（DL5011—92）附錄N中，推薦了ISO DIS7919/2規(guī)范。

4 實際應用

大同第二發(fā)電廠（公司）7#和8#機組是國內首臺2×600 MW直接空冷機組，采用東方鍋爐（集團）股份有限公司與英國三井-巴布科克公司（MB）技術合作設計制造的DG2060/17.6-II1型亞臨界參數(shù)自然循環(huán)鍋爐。鍋爐為亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、緊身封閉、全鋼構架的汽包爐。汽輪機系哈爾濱汽輪機有限責任公司生產(chǎn)的國內首臺NZK600-16.7/538/538型空冷一次中間再熱、四缸四排氣、單軸、雙背壓、凝汽式汽輪發(fā)電機組。發(fā)電機為哈爾濱電機有限責任公司制造的QFQS-600-2YH（G）型三相交流隱極式同步發(fā)電機。

汽輪發(fā)電機主機軸振動系統(tǒng)使用的是Bently330103電渦流傳感器，TSI使用的Bently3500測量系統(tǒng)，在汽輪機前箱至發(fā)電機端的10個軸瓦上，各安裝了X與Y且與水平成45°的兩支傳感器，共20個傳感器。接收信號模件為3500/42M，每一模件接收4路信號，共使用5塊3500/42M模件。出口繼電器模件為3500/32，每塊模件有4個出口繼電器。1至10瓦20支傳感器單支信號高或邏輯實現(xiàn)停機，動作值為254 μm.機組同時配置北京華科同安TN8000振動監(jiān)測分析診斷系統(tǒng)。

5 結束語

在發(fā)電廠的全部發(fā)電監(jiān)測設備中，振動作為一個主要設備性能監(jiān)測指標是必不可少的，需要不斷發(fā)展，才能更智能、更真實地反應機組的真實情況，杜絕誤報誤發(fā)，在這方面還需要更進一步。