汽輪機振動分析與診斷技術(shù)

席偉明

（湖北華電江陵發(fā)電有限公司，荊州 434100）

汽輪機振動分析與診斷技術(shù)

席偉明

（湖北華電江陵發(fā)電有限公司，荊州 434100）

本文就汽輪機振動故障問題進行全面研究和分析，并針對其診斷技術(shù)做出全面介紹，以此提高汽輪機的使用壽命，更好地促進電力企業(yè)的發(fā)展。

汽輪機 振動 診斷技術(shù)

汽輪機電機組是電力系統(tǒng)中重要的組成內(nèi)容，主要由氣缸、轉(zhuǎn)子、聯(lián)軸器等部件構(gòu)成，屬于高速旋轉(zhuǎn)機械。該類設(shè)備的正常運行除了能保障電力生產(chǎn)企業(yè)供電正常外，還能確保相關(guān)工作人員的人身安全。因此，加強汽輪機振動故障的檢查及診斷，對保障汽輪機的安全使用具有重大意義[1]。但目前而言，由于汽輪機工作環(huán)境極為復(fù)雜，加上一些人為因素的影響，汽輪機運行時出現(xiàn)振動故障的發(fā)生率不斷增加，繼而嚴(yán)重威脅其使用安全性。下文將對汽輪機振動故障及其診斷技術(shù)進行有效分析和探索，以供參考。

1　對汽輪機進行維護的重要性

在生產(chǎn)企業(yè)中，汽輪機組是其中的重要組成部分。因此，它的運行效率和維護情況將直接影響生產(chǎn)企業(yè)的運營情況和生產(chǎn)效率。若汽輪機設(shè)備在運行過程中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象卻沒有進行及時有效的檢修與維護，則會對生產(chǎn)企業(yè)的運營和生產(chǎn)造成嚴(yán)重浪費和損失，甚至造成機器故障和人員安全事故[2]。目前，汽輪機仍是我國發(fā)電的重要手段。因此，對于發(fā)電廠來說，它的主要維護任務(wù)是確保汽輪機組的正常運行，提高汽輪機運行效率，并逐步提升和改進汽輪機的運行維護技術(shù)。同時，要不斷交流和總結(jié)其故障維護經(jīng)驗，加大汽輪機維護人才的專業(yè)素養(yǎng)和技能培養(yǎng)等，從而為汽輪機故障維護奠定堅實基礎(chǔ)，不斷增強汽輪機的運行穩(wěn)定性和可靠性，以提升我國發(fā)電部門的發(fā)電效率。

2　造成汽輪機振動的原因

造成汽輪機出現(xiàn)振動的原因較多，要找出其中的根本原因?qū)崉t較為困難。另外，由于汽輪機振動現(xiàn)象通常由多方面的原因引起，且其振動分量較多，因此需要通過復(fù)雜的分析和檢測進行判定。

導(dǎo)致汽輪機振動的重要因素可歸納為以下幾點。

中心偏差：該影響因素主要是指發(fā)電機轉(zhuǎn)子和汽輪機轉(zhuǎn)軸的軸心線沒有形成良好的連接，從而使各軸受力情況出現(xiàn)差異，導(dǎo)致整體汽輪機組產(chǎn)生振動。

轉(zhuǎn)軸平衡較差：大部分的汽輪機組振動均由轉(zhuǎn)軸平衡性能較差而導(dǎo)致。轉(zhuǎn)軸不平衡可分為動和靜兩種不平衡方式。汽輪機組在檢修后或出廠前，若未進行靜平衡校準(zhǔn)，則會使機組在運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生不平衡離心力，并且還會在軸承上出現(xiàn)相應(yīng)的干擾力，從而最終導(dǎo)致機組產(chǎn)生振動。而動不平衡狀態(tài)又可分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種不平衡方式。其中，瞬態(tài)動不平衡產(chǎn)生的原因主要為機組在運行過程中，整體受熱不一致而出現(xiàn)短暫變形，或是因為在轉(zhuǎn)軸高速運轉(zhuǎn)作用下出現(xiàn)松動，亦或是轉(zhuǎn)軸部分零件的性能、剛度較差，從而造成彈性變形等。

軸承油膜振蕩或不穩(wěn)定：機組轉(zhuǎn)軸在運行過程中，轉(zhuǎn)瓦中的轉(zhuǎn)頸處于穩(wěn)定狀態(tài)中，而轉(zhuǎn)瓦與轉(zhuǎn)頸之間的這種穩(wěn)定狀態(tài)則由適當(dāng)?shù)男ㄐ斡湍ず穸葋砭S持。若因各種因素導(dǎo)致轉(zhuǎn)子脫離穩(wěn)定狀態(tài)，如軸心偏移等因素，可造成軸承與轉(zhuǎn)頸之間的油膜厚度發(fā)生變化，從而使油楔之間的油壓也發(fā)生相應(yīng)變化，可能會打破轉(zhuǎn)軸與總壓力之間重量的平衡，致使轉(zhuǎn)軸位置發(fā)生變化[3]。由此說明，轉(zhuǎn)頸若在轉(zhuǎn)瓦中出現(xiàn)浮動現(xiàn)象，則會使轉(zhuǎn)子重量與油膜總壓力之間的平衡難以維持，從而導(dǎo)致機組產(chǎn)生振動。

轉(zhuǎn)承裝配較差或轉(zhuǎn)子支撐剛度較低：由于轉(zhuǎn)頸主要在轉(zhuǎn)承上旋轉(zhuǎn)工作，因此若轉(zhuǎn)承裝配、結(jié)構(gòu)等較差，或是轉(zhuǎn)子剛度較低，則當(dāng)轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)些微不平衡現(xiàn)象時，將勢必會造成機組產(chǎn)生強烈振動。

轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速設(shè)計不合理：當(dāng)轉(zhuǎn)軸本身設(shè)計或是機組設(shè)計不合理時，或未對轉(zhuǎn)瓦油膜、轉(zhuǎn)承支座等進行考慮時，則會導(dǎo)致?lián)闲赞D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速相接近，從而使機組產(chǎn)生強烈振動的現(xiàn)象。

機組運行新工況異常：真空惡化、氣溫驟降以及主蒸汽參數(shù)比規(guī)定值高等因素，均會導(dǎo)致機組零部件產(chǎn)生膨脹不一致的現(xiàn)象，從而出現(xiàn)中心偏移、熱彎曲等情況，造成機組產(chǎn)生振動。

機組內(nèi)部振動：機組零件或內(nèi)部機件的振動、調(diào)速器不合理組裝、調(diào)節(jié)系統(tǒng)不穩(wěn)定等因素，均會造成整體機組產(chǎn)生振動。

基礎(chǔ)缺陷：在基礎(chǔ)澆灌效率和質(zhì)量較差的情況下，或是因基礎(chǔ)自振頻率降低而出現(xiàn)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同的情況，均會使汽輪機在運行過程中出現(xiàn)基礎(chǔ)與機組之間的共振現(xiàn)象。

3　汽輪機構(gòu)建探析

從運動方面，可將汽輪機構(gòu)建分為靜止和轉(zhuǎn)動兩部分。其中，靜止部分主要是由軸承、加熱系統(tǒng)、汽封、隔板、滑銷系統(tǒng)、噴嘴、進汽部分、汽缸等部件構(gòu)成，而轉(zhuǎn)動部分則是由一般聯(lián)軸器、葉片、葉輪、主軸等部件組合而成。在機組運行過程中，一般情況下為使機紐快速啟動，通常需要將汽缸分為排氣缸、中壓缸以及高壓缸，期間使用隔板將其進行分離[4-5]。而在少數(shù)汽輪機中還安裝有中軸系統(tǒng)，其作用主要是為了提升機組性能。另外，通常情況下，機組分別設(shè)置有推力軸承和徑向軸承各兩個。其中，部分機組主要以單轉(zhuǎn)子三支成構(gòu)建為主，而部分機組則以雙推力支持聯(lián)合軸為主。當(dāng)下的機組中，則主要以可傾軸承與橢圓軸承為主。在啟動汽輪機時，為減少機組盤車力矩，防止磨損軸承，可安裝低速自動盤或是高壓頂軸等裝置來改善。

4　故障探查方法

4.1頻譜探查

頻譜探查法在汽輪機故障分析中，具有應(yīng)用普遍的特點。其中，較為常用的頻譜探查方法為幅值譜和功率譜兩種。幅值譜主要是指相應(yīng)頻率所產(chǎn)生的諧波震動分量振幅。該探查方法在實施過程中具有直觀的優(yōu)點，同時其譜線高度可反映出該頻率分量的情況和振幅大小[6-7]。而功率譜則是指由振動頻率而產(chǎn)生的振動功率分布情況，具有清晰的物理含義?？偠灾?，頻譜探查方法的主要目的是將可形成信號的頻率進行分解，以方便振源識別。

4.2軌跡探查

在軸承座運動軌跡方面，轉(zhuǎn)子軸心能夠直接反映轉(zhuǎn)子瞬時動態(tài)，并且還反映了諸多機械運轉(zhuǎn)的相關(guān)信息。由此可見，軌跡探查法在汽輪機設(shè)備故障分析中，具有明顯的優(yōu)勢。正常狀態(tài)中，可使軸心軌跡也處于穩(wěn)定的狀態(tài)，每次運轉(zhuǎn)通常會保持一致的位置，并且軌跡大多相互重合。而當(dāng)軸心軌跡的大小與形狀出現(xiàn)變化時，表示轉(zhuǎn)子處于不穩(wěn)定的運行狀態(tài)。對此，應(yīng)及時調(diào)整工序，使機組恢復(fù)良好的穩(wěn)定性，避免發(fā)生停車事故。

4.3波形探查

振動信息源最初為時間波形，且從傳感器傳輸出來的振動信息大多為時間波形。對部分特征明顯的波形，可直接作為故障的判斷依據(jù)。由此可見，該探查方法具有簡易直觀的優(yōu)勢。

4.4故障診斷過程中存在的問題

檢測手段：在汽輪機設(shè)備故障診斷技術(shù)中，大量數(shù)學(xué)方法甚至部分理算法的水平均得到了較大提升。因此，獲取故障征兆是當(dāng)下汽輪機設(shè)備故障診斷面臨的重要課題，而檢測手段便是其中較為突出的問題[8]。目前的汽輪機故障檢測手段無法滿足當(dāng)下故障診斷的需求，如對于內(nèi)杠螺栓裂損、調(diào)節(jié)系統(tǒng)異常、葉片動應(yīng)力以及轉(zhuǎn)子體表溫度等檢測，均無良好的檢測手段。

故障機理：對故障進行準(zhǔn)確診斷，首先需對其機理具有充分了解。但目前由于汽輪機設(shè)備故障較為復(fù)雜，使得對部分故障難以得出合理的理論解釋，且對其機理缺乏相應(yīng)的了解，如在不穩(wěn)定的熱態(tài)系統(tǒng)中，其產(chǎn)生的彎扭復(fù)合振動現(xiàn)象等，便是阻礙汽輪機設(shè)備故障診斷技術(shù)進步和發(fā)展的原因之一。

材料性能：設(shè)備壽命主要以其材料性能數(shù)據(jù)作為參考。但當(dāng)下在材料性能識別方面，尤其是對材料在復(fù)雜工作環(huán)境中性能產(chǎn)生變化的了解，仍然缺乏有效的手段。

5　深入研究汽輪機振動故障診斷技術(shù)

5.1對暖機時間不夠及脹差過大引起振動故障方面的診斷技術(shù)分析

汽輪機發(fā)動時，可發(fā)現(xiàn)由于暖機時間不夠或者脹差過大所引起的振動故障方面的發(fā)生率極高。據(jù)了解，轉(zhuǎn)子、氣缸等部件在汽輪機發(fā)動與停止過程中存在多方面區(qū)別，如熱交條件、軸向形成的膨脹等方面。其中，軸向形成的膨脹主要指的是發(fā)生相對膨脹情況，又稱為脹差。而汽輪機軸向動靜間隙的動態(tài)變化取決于脹差的大小。鑒于此，為了全面預(yù)防軸向間隙的摩擦，一方面應(yīng)當(dāng)加大脹差的監(jiān)控力度，另一方面則需要工作人員意識到監(jiān)視脹差的必要性和重要性，以降低脹差對汽輪機正常運行的影響力度[9-10]。眾所周知，脹差的大小一般由汽輪機電機組定速后才有明顯反應(yīng)，而在升速至定速這一過程中卻不會發(fā)生任何脹差變化。這主要是由于此過程中的蒸汽溫度與流量處于平穩(wěn)狀態(tài)。所以，定速之后的脹差幅度會逐漸變大，并且延續(xù)時間極長。此外，轉(zhuǎn)子與氣缸在低負(fù)荷暖機過程中，蒸汽會極度增加轉(zhuǎn)子及氣缸等部件的溫度?？偟膩碚f，形成暖機時間不夠和脹差的因素大致包括供汽時間長、暖機時間或長或短等方面。

為有效預(yù)防以上情況的發(fā)生，應(yīng)當(dāng)做到：第一，重視高、低速階段中的操作，即在低速階段完成聽音、在高速階段加強汽輪機振動故障的重視度。若在此階段中振動超過標(biāo)準(zhǔn)范圍，需及時進行檢查；第二，由于氣缸溫度偏低，在汽輪機機組并網(wǎng)后應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)子與氣缸之間的實際脹差，以便有效控制進汽溫度。另外，為積極處理汽輪機發(fā)動時所產(chǎn)生的脹差大，還應(yīng)做到：第一，嚴(yán)格檢查主蒸汽的溫度，若存在過高現(xiàn)象，應(yīng)及時與相關(guān)操作人員取得聯(lián)系，將主蒸汽溫度控制在合適范圍內(nèi)；第二，確保汽輪機電機組的暖機程序在正常負(fù)荷狀態(tài)下進行；第三，適當(dāng)減小蒸汽流量并保證凝汽器真空溫度處于正常狀態(tài)。

5.2對形成振動故障診斷準(zhǔn)確率低的原因進行相關(guān)分析

振動診斷技術(shù)在汽輪機振動故障中出現(xiàn)診斷率低的原因大致包括4個方面：沒有完全了解振動特征；對故障機理認(rèn)識度不高；忽視內(nèi)部故障的檢查；部分工作人員單憑工作經(jīng)驗實施故障處理。因此，在汽輪機振動故障診斷中，應(yīng)根據(jù)具體情況采取針對性的解決措施，以避免振動現(xiàn)象的發(fā)生。另外，若振動故障診斷準(zhǔn)確率大于或等于50%，則表示對振動消除效果極高；若在20%～30%范圍內(nèi)，則表示振動消除效果較低[11]。當(dāng)前，正向推理法與反向推理法是汽輪機振動故障診斷常見且常用的兩種手段，但反向推理法最為常用，尤其在分析振動特征的過程中。反向推理法通過反推故障特點獲得各種各樣的結(jié)果，以有效處理振動故障。

5.3探析振動故障診斷步驟

在改善傳統(tǒng)故障診斷技術(shù)基礎(chǔ)上提升故障診斷準(zhǔn)確率是一種極為有效的方法。因此，必須把握好幾個步驟，才能充分提高其準(zhǔn)確率[12]。第一，明確振動類型，即詳細(xì)觀察振動的外部特點，并全面查看其振動頻譜；第二，仔細(xì)判斷及確認(rèn)引發(fā)故障的原因后，再進行處理；第三，嚴(yán)密檢查軸承座剛度，同時有效分析激振力故障的因素；第四，對轉(zhuǎn)子等部件進行詳細(xì)檢查，看看是否出現(xiàn)平直度偏差等不良情況，緊接著檢查汽輪機有無發(fā)生普通的振動情況，進而有效診斷振動故障的類型。

6結(jié)語

綜上所述，汽輪機的使用對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有至關(guān)重要的作用。因此，相關(guān)電力生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強汽輪機安全使用的重視度，并充分認(rèn)識到積極處理汽輪機振動故障對機械正常運行及安全使用的重要性。同時，在汽輪機振動故障診斷中，需做到及時發(fā)現(xiàn)故障問題以及詳細(xì)分析故障因素，以盡早做出故障處理措施，進一步保障汽輪機的使用壽命。另外，相關(guān)部門還應(yīng)當(dāng)加強對工作人員的培訓(xùn)工作，從多個角度提高工作人員的工作素質(zhì)及專業(yè)技能，以保障汽輪機的安全使用?？傊挥腥嬲莆掌啓C的機械原理、維護知識以及了解汽輪機常見故障的處理措施等相關(guān)內(nèi)容，才能確保工作環(huán)境的安全和企業(yè)的正常運營，從而為進一步診斷技術(shù)的改進和創(chuàng)新提供有力基礎(chǔ)，有效提高企業(yè)的社會效益及經(jīng)濟效益。

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Vibration Analysis and Diagnosis of Steam Turbine

XI Weiming
(Hubei Huadian Power Company Limited Jiangling, Jingzhou 434100)

With the continuous development of the scientific level, the use of a stea m turbine plant made increasing demands, including availability, security, stability and other aspects of their. However, due to various factors, turbine vibration fault is increasingly growing trend, not very conducive to the s mooth conduct electricity production. This article T urbine Vibration Problem for a comprehensive study and analysis, and make a comprehensive presentation for its diagnostic techniques, in order to improve the life of the turbine, to better promote the development of power enterprises.

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