火力發(fā)電廠大型汽輪機(jī)振動(dòng)異常分析及故障判斷的研究

李健民

摘 要：火力發(fā)電廠一直負(fù)責(zé)為我國(guó)各領(lǐng)域提供必須的電能，直接影響著人們?nèi)粘Ｉ钜约肮I(yè)生產(chǎn)的用電。而作為火力發(fā)電廠中一項(xiàng)至關(guān)重要的設(shè)備，大型汽輪機(jī)如果出現(xiàn)振動(dòng)異常等故障，將會(huì)對(duì)火力發(fā)電廠的發(fā)電質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。因此分析火力發(fā)電廠大型汽輪機(jī)的振動(dòng)異常，并及時(shí)對(duì)其進(jìn)行故障判斷顯得尤為重要。在此背景下，文章將結(jié)合具體案例，針對(duì)火力發(fā)電廠大型汽輪機(jī)振動(dòng)異常以及故障判斷進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠；汽輪機(jī)；振動(dòng)異常；故障判斷

中圖分類號(hào)TK26 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）32-0170-02

引言

在火力發(fā)電廠當(dāng)中，汽輪機(jī)因其本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且經(jīng)常需要面對(duì)特殊的工作環(huán)境，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)之下難免會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)異常等故障問(wèn)題。如果無(wú)法及時(shí)排除和判斷汽輪機(jī)振動(dòng)故障，將會(huì)在很大程度上影響火力發(fā)電廠的正常工作。因此本文將選擇汽輪機(jī)常見的振動(dòng)異常故障，在分析影響大型汽輪機(jī)振動(dòng)的具體原因基礎(chǔ)之上，嘗試探究火力發(fā)電廠大型汽輪機(jī)振動(dòng)異常的故障判斷。

1 案例情況

某火力發(fā)電廠于前些年投入使用了一組330MW的汽輪機(jī)組，但在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用之后，汽輪機(jī)組頻繁發(fā)生跳閘的情況，使得機(jī)組經(jīng)常出現(xiàn)中斷停運(yùn)甚至是徹底停機(jī)的問(wèn)題。后期技術(shù)人員通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)組進(jìn)行故障判斷，發(fā)現(xiàn)其之所以會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)異常的情況，主要是由于汽輪機(jī)長(zhǎng)時(shí)間面臨高溫的作業(yè)環(huán)境，在熱脹冷縮的物理效應(yīng)下出現(xiàn)了膨脹差值。隨后技術(shù)人員通過(guò)對(duì)膨脹差值保護(hù)邏輯進(jìn)行調(diào)整之后確實(shí)在一段時(shí)間內(nèi)解決了汽輪機(jī)組的振動(dòng)異常問(wèn)題。但最近一段時(shí)間汽輪機(jī)組再次出現(xiàn)了振動(dòng)異常的問(wèn)題，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

2 影響大型汽輪機(jī)振動(dòng)的原因

2.1 油膜振蕩

在火力發(fā)電廠的大型汽輪機(jī)中，如果油膜上的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快，則將直接破壞轉(zhuǎn)子原本的平衡性和穩(wěn)定性[1]。特別是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與軸線以及平衡點(diǎn)渦動(dòng)等均有著十分緊密的關(guān)系，因此一旦轉(zhuǎn)子失去平衡性，將極有可能導(dǎo)致油膜出現(xiàn)振蕩的情況，從而導(dǎo)致大型汽輪機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)異常。一般情況下，一半的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是軸線的渦動(dòng)頻率，但如果當(dāng)軸線渦動(dòng)頻率加快，與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速持平，則渦動(dòng)效果將會(huì)得到明顯提升，由此出現(xiàn)劇烈振蕩。

2.2 氣流激振

火力發(fā)電廠中的大型汽輪機(jī)如果在長(zhǎng)時(shí)間的超負(fù)荷運(yùn)行之下，將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速增加軸振動(dòng)，如果其降負(fù)荷低于負(fù)荷點(diǎn)，則振動(dòng)將會(huì)在短時(shí)間內(nèi)快速下降。在不平衡的氣流沖擊影響之下，汽輪機(jī)組葉片將會(huì)出現(xiàn)氣流激振的情況，而如果汽輪機(jī)組本身比較大且末級(jí)相對(duì)比較長(zhǎng)，則氣體在葉片的膨脹末端極有可能會(huì)出現(xiàn)流道混亂的情況，同樣會(huì)使得汽輪機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)異常的現(xiàn)象。

2.3 轉(zhuǎn)子變形

筆者通過(guò)對(duì)火力發(fā)電廠中曾經(jīng)出現(xiàn)的大型汽輪機(jī)異常振動(dòng)案例進(jìn)行分析的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)由于轉(zhuǎn)子變形而導(dǎo)致的振動(dòng)異常次數(shù)相對(duì)比較多。由于汽輪機(jī)經(jīng)常需要面臨高溫的作業(yè)環(huán)境，轉(zhuǎn)子容易因高溫而出現(xiàn)受熱變形的情況，使得在正常的工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子無(wú)法進(jìn)行正常切合，進(jìn)而導(dǎo)致大型汽輪機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)。而除此之外，汽輪機(jī)本身出現(xiàn)密封泄露的問(wèn)題，致使大量水分進(jìn)入汽輪機(jī)當(dāng)中，在長(zhǎng)期的運(yùn)行之下，受到動(dòng)態(tài)以及靜態(tài)的摩擦作用，也會(huì)產(chǎn)生大量熱量，久而久之將會(huì)使得轉(zhuǎn)子的材質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致其出現(xiàn)形變的問(wèn)題，由此引發(fā)汽輪機(jī)的異常振動(dòng)[2]。

2.4 摩擦振動(dòng)

如果轉(zhuǎn)子因長(zhǎng)期接觸高溫而出現(xiàn)材質(zhì)變化，出現(xiàn)了彎曲形變等問(wèn)題，則會(huì)出現(xiàn)一種新的不平衡力，此時(shí)雖然工頻仍然作為振動(dòng)信號(hào)主頻，但與此同時(shí)由于轉(zhuǎn)子受到了沖擊的影響，還會(huì)出現(xiàn)包括高頻分量、倍頻等在內(nèi)的其他頻。汽輪機(jī)在出現(xiàn)摩擦之后，幅值、相位等其本身帶有波動(dòng)性，而受此影響其波動(dòng)持續(xù)時(shí)間將會(huì)被無(wú)形延長(zhǎng)，特別是在汽輪機(jī)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的摩擦情況下，振動(dòng)幅度也會(huì)隨之增加，但相位以及幅值則不再出現(xiàn)波動(dòng)的情況。而如果汽輪機(jī)在短時(shí)間內(nèi)突然出現(xiàn)大幅降速的情況，則在停止轉(zhuǎn)動(dòng)之后轉(zhuǎn)子也會(huì)產(chǎn)生大幅度的晃動(dòng)，由此導(dǎo)致汽輪機(jī)出現(xiàn)異常振動(dòng)的情況。

3 火力發(fā)電廠大型汽輪機(jī)的故障判斷

3.1 頻譜分析診斷法

頻譜分析診斷法是當(dāng)前火力發(fā)電廠中對(duì)大型汽輪機(jī)在進(jìn)行故障診斷中比較常用的一種方法，使用該方法對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行故障診斷，主要是通過(guò)使用可以直接反映振動(dòng)頻率下振動(dòng)功率分布情況的功率譜，以及與各頻率諧波振動(dòng)分量所產(chǎn)生的振幅相對(duì)應(yīng)的幅值譜。技術(shù)人員通過(guò)使用專業(yè)的頻譜檢測(cè)儀，對(duì)其自動(dòng)生成的幅值譜進(jìn)行直接觀察，其譜線的高度與頻率分量振幅的大小直接相對(duì)。利用頻譜分析的方法可以有效分解各信號(hào)中的頻率成分，以此幫助技術(shù)人員準(zhǔn)確識(shí)別振源。技術(shù)人員通過(guò)對(duì)高頻段、中頻段以及低頻段進(jìn)行分析，可以基本上了解汽輪機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)異常的具體部位，此后其通過(guò)利用頻譜儀對(duì)工頻、超諧波等進(jìn)行采集和分析，可以確定汽輪機(jī)的振動(dòng)異常是否與轉(zhuǎn)子有關(guān)。如果判定其確實(shí)是由于轉(zhuǎn)子出現(xiàn)故障而導(dǎo)致汽輪機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)異常的情況，則超諧波、次諧波等頻譜圖將會(huì)直接反映出出現(xiàn)故障的轉(zhuǎn)子范圍和位置。對(duì)汽輪機(jī)的各頻段頻率進(jìn)行科學(xué)分析，由此可以作業(yè)對(duì)汽輪機(jī)中是否存在運(yùn)行故障的判斷。

在汽輪機(jī)當(dāng)中，各個(gè)振動(dòng)零部件在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一定會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，即會(huì)生成振動(dòng)特征頻率，如果轉(zhuǎn)子或其他振動(dòng)零部件失去平衡與穩(wěn)定性，則必定會(huì)產(chǎn)生工頻，而在汽輪機(jī)的葉片之間，氣流通過(guò)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的頻率；在受到?jīng)_擊的情況下，汽輪機(jī)的零部件也會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)頻率，技術(shù)人員通過(guò)使用頻譜分析的診斷方式，通過(guò)對(duì)各個(gè)特征頻率進(jìn)行深入分析，即可基本掌握汽輪機(jī)各相關(guān)部件的具體振動(dòng)情況，并由此完成故障的診斷工作。譬如說(shuō)如果頻譜儀顯示汽輪機(jī)當(dāng)中出現(xiàn)了豐富的諧波，則代表其存在零部件松動(dòng)的問(wèn)題，而如果汽輪機(jī)當(dāng)中出現(xiàn)了大量的分頻，則代表著汽輪機(jī)中有著比較嚴(yán)重的摩擦、氣流激振等問(wèn)題[3]。

3.2 故障信號(hào)的處理endprint

事實(shí)上在火力發(fā)電廠中的大型汽輪機(jī)在產(chǎn)生振動(dòng)異常等故障之前，必定會(huì)出現(xiàn)某些“信號(hào)”，而工作人員和技術(shù)人員通過(guò)深入分析此類信號(hào)，便可以在汽輪機(jī)真正出現(xiàn)安全故障之前，準(zhǔn)確鎖定其可能會(huì)出現(xiàn)故障和問(wèn)題的位置，進(jìn)而有效完成故障診斷工作。針對(duì)大型汽輪機(jī)在火力發(fā)電廠當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)的振動(dòng)異常情況，目前在許多發(fā)電廠當(dāng)中，已經(jīng)開始有技術(shù)人員和工作人員嘗試使用快速傅里葉變換也就是FFT方法，用于對(duì)汽輪機(jī)的振動(dòng)異常進(jìn)行故障診斷。所謂的快速傅里葉變換就是通過(guò)利用計(jì)算機(jī)完成離散傅里葉的準(zhǔn)確計(jì)算，并有效控制其所需的乘法次數(shù)，以此有效加快速度。而除卻這一方法之外，還可以使用全息譜分析以及小波變化等故障信號(hào)處理方法。以小波變化為例，該種方法就是通過(guò)在時(shí)間域以及頻率域當(dāng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理，從而有效判斷故障位置和相關(guān)故障信息。相比于其他的故障診斷方法，小波變化可以在各種時(shí)間區(qū)域和范圍當(dāng)中進(jìn)行信號(hào)的分析，同時(shí)其對(duì)噪聲也并不敏感，可以準(zhǔn)確捕捉到信號(hào)的各類細(xì)節(jié)。在分析故障信號(hào)時(shí)，工作人員或技術(shù)人員只需要將汽輪機(jī)在某一運(yùn)行時(shí)段當(dāng)中的頻率信息提取出來(lái)，或是將與汽輪機(jī)某一頻率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息提取出來(lái)，通過(guò)深入分析帶有時(shí)間以及頻率分辨率的基函數(shù)，從而有效完成對(duì)汽輪機(jī)故障信號(hào)的分析處理。在之前給出的案例當(dāng)中，雖然發(fā)電廠的技術(shù)人員通過(guò)對(duì)膨脹差值保護(hù)邏輯進(jìn)行調(diào)整之后確實(shí)在一段時(shí)間內(nèi)解決了汽輪機(jī)組的振動(dòng)異常問(wèn)題，但最近一段時(shí)間又再次發(fā)生了汽輪機(jī)的異常振動(dòng)問(wèn)題。針對(duì)這一情況，發(fā)電廠技術(shù)人員正是通過(guò)使用小波變化與快速傅里葉變換的方法，了解到此次導(dǎo)致汽輪機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)異常是由于機(jī)組設(shè)備本身存在設(shè)計(jì)缺陷，加之部分操作人員在開機(jī)過(guò)程中存在不當(dāng)操作的問(wèn)題。在準(zhǔn)確判斷導(dǎo)致汽輪機(jī)組出現(xiàn)異常故障的原因之后，技術(shù)人員通過(guò)聯(lián)合其他工作人員共同參與工作會(huì)議，結(jié)合汽輪機(jī)本身的設(shè)計(jì)參數(shù)和以往工作情況，對(duì)其啟動(dòng)參數(shù)以及升速速度等進(jìn)行重新調(diào)整，并優(yōu)化了汽輪機(jī)真空度，再重新調(diào)整膨脹標(biāo)準(zhǔn)之后有效解決了汽輪機(jī)的故障問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在火力發(fā)電廠當(dāng)中，大型汽輪機(jī)比較容易發(fā)生振動(dòng)異常的故障。而轉(zhuǎn)子的彎曲變形、摩擦振動(dòng)或是氣流激振等均會(huì)在不同程度上引發(fā)火力發(fā)電廠大型汽輪機(jī)的振動(dòng)異常問(wèn)題，進(jìn)而影響發(fā)電廠的正常運(yùn)行。因此技術(shù)人員需要通過(guò)采用相應(yīng)的方式及時(shí)、準(zhǔn)確判斷出大型汽輪機(jī)的故障并采取行之有效的解決措施，從而有效保障大型汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而提高火力發(fā)電廠的發(fā)電質(zhì)量。

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