發(fā)電廠汽輪機(jī)典型振動(dòng)故障分析

董偉光

摘 要：在各種可再生能源發(fā)電類型中，生物質(zhì)能電廠是最具有產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；熬暗陌l(fā)電方式，所以需要對(duì)生物質(zhì)能電廠汽輪機(jī)的運(yùn)行保持密切關(guān)注，對(duì)其典型的振動(dòng)故障進(jìn)行分析總結(jié)。本文針對(duì)目前電廠汽輪機(jī)的幾種典型振動(dòng)故障進(jìn)行了分析，說明了振動(dòng)故障的成因、特點(diǎn)及解決方案，并進(jìn)行了案例說明，可以為類似振動(dòng)故障的解決提供參考。

關(guān)鍵詞：發(fā)電廠；汽輪機(jī)；典型振動(dòng)故障；動(dòng)不平衡；故障分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.154

1 引言

目前我國(guó)發(fā)電的主要形式為汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并且在可以預(yù)見的時(shí)期內(nèi)還將是主要發(fā)電形式。在各種可再生能源發(fā)電類型中，生物質(zhì)能電廠是最具有產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；熬暗陌l(fā)電方式，其燃料來源廣泛、可靠性高、持續(xù)性好，并且可以減少二氧化碳排放。但是不同于常規(guī)大型發(fā)電機(jī)組的汽輪機(jī)，應(yīng)用于生物質(zhì)能電廠的汽輪機(jī)有其自身特點(diǎn)的運(yùn)行方式，所以也需要針對(duì)其自身情況來分析其典型振動(dòng)故障，為汽輪機(jī)的安全運(yùn)行提供各種數(shù)據(jù)支撐。

2 典型故障分析

2.1 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡故障

（1）故障說明：這種故障是發(fā)電機(jī)組中最常見的故障，占比高達(dá)80%左右。在工程實(shí)際中，由于多種原因，比如材料不均勻以及設(shè)計(jì)、制造與安裝導(dǎo)致的偏差，使得轉(zhuǎn)子的慣性主軸和旋轉(zhuǎn)軸線存在一定的偏差，由此會(huì)產(chǎn)生一個(gè)離心力。當(dāng)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，此離心力的大小將與轉(zhuǎn)子的質(zhì)量和偏心距的乘積成正比，稱之為不平衡量，見公式1。主要分為由原始質(zhì)量不平衡引起的轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡與由轉(zhuǎn)動(dòng)部件的松動(dòng)脫落引起的轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。

公式中，：為不平衡質(zhì)量；：為偏心距；：為轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；

（2）主要特征：①轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡故障的振動(dòng)以工頻為主，但是存在較小的高次諧波；②當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，振動(dòng)的振幅與相位也是一定的；③當(dāng)重復(fù)啟動(dòng)時(shí)，此振動(dòng)現(xiàn)象能夠重復(fù)出現(xiàn)；④此種振動(dòng)隨著機(jī)組負(fù)荷的變化不會(huì)出現(xiàn)明顯改變；⑤轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡故障時(shí)的軸心運(yùn)動(dòng)軌跡一般為橢圓形。

（3）案例分析：某電廠對(duì)200MW機(jī)組進(jìn)行大修后啟動(dòng)，當(dāng)升到2600rpm時(shí)，#3軸承附近出現(xiàn)異常響動(dòng)，后停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)了平衡塊脫落現(xiàn)象。經(jīng)過測(cè)量發(fā)現(xiàn)，平衡塊的脫落導(dǎo)致了軸振與瓦振的相位變化了約60°，軸振振幅增加了40μm，瓦振振幅增加了6μm。

2.2 轉(zhuǎn)子熱彎曲故障

（1）故障說明：轉(zhuǎn)子熱彎曲主要是指當(dāng)轉(zhuǎn)子受熱后出現(xiàn)的彎曲，它將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)發(fā)生改變，所以又可稱之為熱不平衡，一般汽輪機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子熱彎曲的主要原因：包括轉(zhuǎn)子的材料不均勻，內(nèi)應(yīng)力過大；轉(zhuǎn)子存在徑向方向的不對(duì)稱溫度差；轉(zhuǎn)子長(zhǎng)時(shí)間與溫度較低物體接觸；存在動(dòng)靜摩擦等。

（2）主要特征：①轉(zhuǎn)子熱彎曲故障的振動(dòng)為工頻；②振幅變化比較連續(xù)，不會(huì)出現(xiàn)跳躍式的改變，但是其相位不穩(wěn)定；③轉(zhuǎn)子熱彎曲引起的振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速的改變會(huì)出現(xiàn)明顯變化；④轉(zhuǎn)子熱彎曲引起的振動(dòng)隨負(fù)荷的改變會(huì)出現(xiàn)明顯變化；⑤在停機(jī)過程中，轉(zhuǎn)子熱彎曲引起的振動(dòng)會(huì)明顯高于啟動(dòng)過程中的振動(dòng)。

（3）解決措施：當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子熱彎曲故障時(shí)，如果此時(shí)的振動(dòng)沒有超過規(guī)定限制，那么此時(shí)可以允許轉(zhuǎn)子繼續(xù)運(yùn)行。當(dāng)振動(dòng)超過限值時(shí)，如果振動(dòng)的增量相對(duì)不大并且較為穩(wěn)定的話，可以對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱平衡，目的是補(bǔ)償一部分熱彎曲產(chǎn)生的質(zhì)量不平衡。

2.3 動(dòng)靜碰摩故障

（1）故障原因：引起動(dòng)靜碰摩的主要原因包括：基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻下沉以及汽缸出現(xiàn)跑偏；蒸汽溫度出現(xiàn)明顯劇烈變化；汽缸的保溫措施不當(dāng)；排汽缸出現(xiàn)快速加熱與冷卻狀況；汽封出現(xiàn)損壞；機(jī)組暖機(jī)不充分；機(jī)組出現(xiàn)劇烈晃動(dòng)等。

（2）解決措施：解決轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰摩最有效的措施就是在保證安全的前提下進(jìn)行一定程度的“磨合”。當(dāng)在啟動(dòng)時(shí)，如果在臨界轉(zhuǎn)速以下發(fā)生碰摩，應(yīng)該立即停機(jī)并進(jìn)行盤車；如果發(fā)生在臨界轉(zhuǎn)速以上，那么應(yīng)該在可控的某一轉(zhuǎn)速下進(jìn)行停留，磨合間隙，待振動(dòng)正常后再繼續(xù)升速。當(dāng)在帶負(fù)荷階段，只要振動(dòng)能夠保持在一定范圍內(nèi)，就可以嚴(yán)密觀察，來允許轉(zhuǎn)子自行磨合出一定間隙；而如果在此過程中，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)不斷增加，就需要降低負(fù)荷或者直接停機(jī)來保證機(jī)組安全。

（3）案例分析：某電廠#1號(hào)機(jī)組在1997年大修后啟動(dòng)過程中，出現(xiàn)了低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)持續(xù)增加，且轉(zhuǎn)子無法定速的現(xiàn)象，經(jīng)初步判斷存在動(dòng)靜摩擦，且是由于動(dòng)不平衡產(chǎn)生的。在低壓轉(zhuǎn)子發(fā)電側(cè)進(jìn)行多次加重后，振動(dòng)值大幅下降，機(jī)組同時(shí)定速并網(wǎng)。

2.4 自激振動(dòng)故障

（1）故障說明：此種振動(dòng)故障是由于轉(zhuǎn)子系統(tǒng)自身的運(yùn)動(dòng)而引起的振動(dòng)，與之相對(duì)的是強(qiáng)迫振動(dòng)。主要包括由軸承油膜力導(dǎo)致的自激振動(dòng)和由蒸汽力引起的氣流激振。自激振動(dòng)一般發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)升速過程中，當(dāng)機(jī)組升速到某一轉(zhuǎn)速時(shí)，軸承軸瓦的振動(dòng)值會(huì)突然增大，此轉(zhuǎn)速一般稱之為失穩(wěn)轉(zhuǎn)速，主要包括半速渦動(dòng)與油膜振蕩。而引起自激振動(dòng)的主要原因包括軸徑擾動(dòng)過大、轉(zhuǎn)子熱彎曲與轉(zhuǎn)子永久彎曲、軸承座剛度過大等。

（2）主要特征：①振動(dòng)突增；②振幅增加后持續(xù)不穩(wěn)定；③其與機(jī)組負(fù)荷關(guān)系不大；④機(jī)組存在異常聲響；⑤一般存在與工頻成一定比例的低頻分量。

根據(jù)其表現(xiàn)特征，可以通過提高油溫、調(diào)整轉(zhuǎn)子中心、調(diào)整軸承頂隙與比壓等措施來解決。發(fā)生的主要原因包括轉(zhuǎn)子與汽缸的同心度偏差比較大、動(dòng)靜葉之間的軸向間隙比較大、轉(zhuǎn)子不平衡、軸瓦穩(wěn)定性比較差等等。當(dāng)發(fā)生此種故障時(shí)，可以通過增加軸瓦比壓、減小蒸汽靜態(tài)力、減小蒸汽激振力、減小軸瓦間隙、擴(kuò)大兩側(cè)間隙、降低潤(rùn)滑油粘度以及增大上軸瓦的軸襯寬度等措施來解決。

2.5 其他振動(dòng)故障

除了以上四種常見故障外，發(fā)電廠汽輪機(jī)一般還會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子不對(duì)中、支撐松動(dòng)、結(jié)構(gòu)共振、轉(zhuǎn)子裂紋等多種故障，在進(jìn)行判斷時(shí)，需要根據(jù)機(jī)組出現(xiàn)的現(xiàn)象、結(jié)合數(shù)據(jù)分析等進(jìn)行綜合判斷。

3 結(jié)論

本文針對(duì)目前電廠汽輪機(jī)的幾種典型振動(dòng)故障進(jìn)行了分析，包括質(zhì)量不平衡故障、轉(zhuǎn)子熱彎曲故障、動(dòng)靜碰摩故障以及自激振動(dòng)故障燈，說明了振動(dòng)故障的成因、特點(diǎn)及解決方案，可以為類似振動(dòng)故障的解決提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭海峰.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子典型振動(dòng)故障診斷模型訓(xùn)練系統(tǒng)[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2016（11）：4-5.

[2]趙旭，吳崢峰，陸頌元.某汽輪機(jī)組動(dòng)靜碰磨非典型振動(dòng)特征的分析與診斷[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2009（06）：451-453.

[3]王亮.汽輪機(jī)典型非線性振動(dòng)故障診斷系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].華北電力大學(xué)（河北），2007.endprint