汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)的診斷方法探究

尤國(guó)林 黃令

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000）

0 研究背景及意義

在熱不平衡作用下， 轉(zhuǎn)子會(huì)形成熱彎曲， 這是當(dāng)前汽輪發(fā)電機(jī)組較為常見(jiàn)的一種振動(dòng)故障[1]。學(xué)者們通過(guò)構(gòu)建模型的方式對(duì)轉(zhuǎn)子熱彎曲的形成機(jī)制及其振動(dòng)特性等方面的研究較多， 對(duì)于轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲故障的反向求解研究較少， 本文基于工程實(shí)際， 探究面向一般電廠工程技術(shù)人員， 可適用于電廠汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)故障的診斷方法。

1 汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)診斷思路

基于現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組啟動(dòng)能耗費(fèi)用、 振動(dòng)安全以及工程周期等考慮， 在電廠機(jī)組沖轉(zhuǎn)次數(shù)有限的情況下盡可能收集最多故障參數(shù)， 根據(jù)監(jiān)測(cè)到的相關(guān)振動(dòng)特征或現(xiàn)象去逆向比對(duì)轉(zhuǎn)子熱彎曲的特征數(shù)據(jù)庫(kù)， 對(duì)機(jī)組的熱彎曲故障類型進(jìn)行最大可能匹配和定性， 然后基于某一類故障或某類誘因而展開(kāi)的故障樹(shù)， 通過(guò)特定的條件響應(yīng)試驗(yàn)去正向地進(jìn)一步排除和精確查找故障因素， 最后制定和實(shí)施相關(guān)處理方案并進(jìn)行最終效果驗(yàn)證。 該故障診斷思路流程見(jiàn)圖1。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)的診斷思路流程

根據(jù)故障診斷流程圖， 需提前對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲故障進(jìn)行振動(dòng)特性的提煉， 構(gòu)建特征數(shù)據(jù)庫(kù)， 并對(duì)各類轉(zhuǎn)子熱彎曲的誘因繪制完整的故障樹(shù)， 以及總結(jié)一些常用的條件試驗(yàn)方法。

2 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)特征庫(kù)的構(gòu)建

2.1 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)的特征量選取

根據(jù)轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)的特性[2-3]，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際參數(shù)收集的可操作性， 確定汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的13 個(gè)特征量： 頻譜特性、 相位穩(wěn)定性、 軸心軌跡特性、 冷態(tài)與熱態(tài)啟動(dòng)的對(duì)比特性、 振幅與提高蒸汽溫度相關(guān)度、 振幅與升速相關(guān)度、 振幅與定速相關(guān)度、 振幅與升負(fù)荷相關(guān)度、 振幅與定負(fù)荷相關(guān)度、 降速振幅與升速振幅對(duì)比度、 停機(jī)偏心值、 振動(dòng)與勵(lì)磁電流的相關(guān)度、 振動(dòng)與電機(jī)冷卻介質(zhì)溫升的相關(guān)度等。

此13 個(gè)特征量， 組成一組向量， 定義為A，即A=（a1、a2、a3、a4……a13）。

2.2 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)特征量的數(shù)值化規(guī)則

根據(jù)工程案例或經(jīng)驗(yàn)， 對(duì)13 個(gè)振動(dòng)特征量的不同狀態(tài)或者與相關(guān)物理量的敏感狀態(tài)程度予以標(biāo)記， 并從0 開(kāi)始進(jìn)行整數(shù)賦值， 得出轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)特征量賦值規(guī)則表， 見(jiàn)表1。

表1 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲特征量賦值規(guī)則

續(xù)表1

2.3 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)特征數(shù)值庫(kù)

根據(jù)誘因類別， 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)故障可分動(dòng)靜碰磨、 轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均勻、 轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力過(guò)大、 轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油、冷水（汽）沖擊、 加熱不均勻、 轉(zhuǎn)子平衡面不當(dāng)致柔性蠕變彎曲、 轉(zhuǎn)子熱態(tài)靜置彎曲、 發(fā)電機(jī)匝間短路、 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)故障、 發(fā)電機(jī)氣隙不均勻等。 按前述的振動(dòng)特征量賦值規(guī)則， 對(duì)各類轉(zhuǎn)子熱彎曲進(jìn)行賦值后，得到轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)特征庫(kù)數(shù)值庫(kù)， 見(jiàn)表2。

表2 汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)特征數(shù)值庫(kù)

3 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)的故障樹(shù)繪制

汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子熱彎曲故障數(shù)的繪制遵循從上而下， 層層細(xì)分的原則，根據(jù)相關(guān)理論的故障誘因列舉所有可能， 繪制故障樹(shù)如圖2～4 所示， 其中圖2 是故障樹(shù)主層， 圖3～4 是對(duì)主層中的徑向碰摩、 軸承標(biāo)高變化的支層拓展， 主層中的真空低、 上下缸溫差大等仍可繼續(xù)進(jìn)行支層拓展， 因篇幅所限不再一一列舉。

圖2 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)分析故障樹(shù)

圖3 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)故障樹(shù)拓展1

圖4 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)故障樹(shù)拓展2

4 基于故障樹(shù)的條件試驗(yàn)方法歸納

在汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組某一確定類型的轉(zhuǎn)子熱彎曲正向精確診斷中， 基于故障樹(shù)中特定類型分支，可針對(duì)性的設(shè)定輸入條件， 根據(jù)響應(yīng)特點(diǎn)逐一對(duì)應(yīng)驗(yàn)證故障要因， 以便確定整治方案。

常用的條件試驗(yàn)方法歸納如下：

（1）定速暖機(jī)或低負(fù)荷暖機(jī)

定速暖機(jī)或低負(fù)荷暖機(jī)主要是觀測(cè)振動(dòng)與時(shí)間的相關(guān)性， 確認(rèn)振動(dòng)是否穩(wěn)定。 此時(shí)一般保持蒸汽參數(shù)、 轉(zhuǎn)速、 負(fù)荷、 油溫、 真空等參數(shù)均不變的情況下， 觀測(cè)振動(dòng)的振幅、 頻率、 相位、 軸心軌跡等變化情況， 區(qū)分出疑似轉(zhuǎn)子熱彎曲的質(zhì)量不平衡故障等。 圖5 是輕微碰摩情況下， 機(jī)組在特定負(fù)荷下維持25 h 的振幅觀測(cè)趨勢(shì)。

圖5 定負(fù)荷條件下觀測(cè)振幅隨時(shí)間變化趨勢(shì)

（2）變負(fù)荷試驗(yàn)

變負(fù)荷試驗(yàn)適用于判定聯(lián)軸器是否松動(dòng)、 汽缸和轉(zhuǎn)子的相對(duì)脹差變化對(duì)軸向碰摩的影響、 通流徑向間隙的變化對(duì)徑向碰摩的影響等。

（3）變進(jìn)汽參數(shù)試驗(yàn)

變進(jìn)汽參數(shù)， 可以檢驗(yàn)汽輪機(jī)組在不同壓力、溫度、 流量下的軸向推力、 汽缸和轉(zhuǎn)子的相對(duì)脹差變化對(duì)軸向碰摩的影響、 通流部分徑向間隙的變化對(duì)徑向碰摩的影響。

（4）變真空試驗(yàn)

真空大小會(huì)影響缸體變形、 軸承座的標(biāo)高、通流部分徑向間隙。 通過(guò)改變真空可以測(cè)試缸體垂直向上的絕對(duì)位移以及軸頸在軸承中的靜態(tài)位置， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)可協(xié)助進(jìn)行多項(xiàng)故障的分析和判斷。

（5）變發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)試驗(yàn)

通過(guò)變勵(lì)磁電流試驗(yàn)， 改變有功無(wú)功功率、發(fā)電機(jī)冷卻介質(zhì)等實(shí)驗(yàn)， 可以很好驗(yàn)證由于匝間短路、 電磁振蕩以及由此導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子熱彎曲。

（6）結(jié)構(gòu)變更的專項(xiàng)試驗(yàn)

根據(jù)需要， 實(shí)施局部試探性試驗(yàn)， 如優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)、 優(yōu)化支撐剛度試驗(yàn)、 優(yōu)化支撐剛度激振試驗(yàn)、 優(yōu)化軸承標(biāo)高試驗(yàn)等。

5 逆向定性-正向精診的診斷實(shí)施

根據(jù)前述汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲的診斷思路構(gòu)建該類型振動(dòng)的特征數(shù)值庫(kù)、 故障樹(shù)及二次正向精診的試驗(yàn)方法， 分別建立圖6～7 所示的逆向定性和正向精診的診斷流程圖。

圖6 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)逆向定性診斷流程

圖7 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)正向精確診斷流程

6 轉(zhuǎn)子熱彎曲診斷的工程實(shí)例應(yīng)用

某電廠擴(kuò)建350 MW 工程5#新機(jī)首次并網(wǎng)帶負(fù)荷時(shí)反復(fù)存在6#軸振超標(biāo)問(wèn)題而被迫停運(yùn)， 該機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8， 以下基于特征庫(kù)和故障樹(shù)的逆-正結(jié)合方法進(jìn)行診斷。

圖8 電廠5#機(jī)軸系結(jié)構(gòu)示意圖

6.1 振動(dòng)特征提煉及故障逆向定性

針對(duì)機(jī)組振動(dòng)情況， 調(diào)取調(diào)試期間各軸振的振幅歷史數(shù)據(jù)， 分析振動(dòng)故障存在的特點(diǎn)：

（1）隨著汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的升高， 5X、 5Y、 6X、 6Y振幅不斷上升， 見(jiàn)表3 所示。

表3 升速過(guò)程中5～6 號(hào)軸振幅值情況

（2）降速時(shí)5X、 5Y、 6X、 6Y 振動(dòng)明顯比升速同一轉(zhuǎn)速振動(dòng)大， 升降速振動(dòng)不可逆， 見(jiàn)表4。

表4 降速過(guò)程中5～6 號(hào)軸振幅值情況

（3）隨著負(fù)荷升高， 5X、 5Y、 6X、 6Y 測(cè)點(diǎn)振幅都升高， 負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)， 5X、 5Y 振動(dòng)幅值逐漸降低， 而6X 振幅一直上升至157 被迫停機(jī)， 見(jiàn)表5。

表5 帶負(fù)荷時(shí)每小時(shí)監(jiān)測(cè)5～6 號(hào)軸振幅值情況

（4）軸振平穩(wěn)， 熱膨脹、 脹差、 軸位移、瓦溫、真空、 主汽參數(shù)、 軸封參數(shù)、 真空等均無(wú)異常。

根據(jù)上述癥狀分析， 按振動(dòng)特征量的賦值規(guī)則進(jìn)行賦值， 得：

對(duì)比轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)的特征數(shù)據(jù)庫(kù)， 確認(rèn)動(dòng)靜剛性碰摩特征與之吻合， 因此將故障類型定性為轉(zhuǎn)子熱彎曲， 誘因?yàn)槠麢C(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生持續(xù)性碰摩。

6.2 正向條件試驗(yàn)分析和精診定論

鑒于碰撞強(qiáng)迫振動(dòng)與碰摩熱彎曲強(qiáng)迫振動(dòng)存在相似性， 制定的條件實(shí)驗(yàn)方案為： 架設(shè)本特利監(jiān)測(cè)儀器， 再次沖轉(zhuǎn)、 定速、 帶負(fù)荷， 監(jiān)測(cè)軸系各軸承振幅、 分頻、 相位， 觀察波特圖、 時(shí)域圖、瀑布圖等， 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析見(jiàn)表6～8， 圖9～11。

表6 定速3 000 r/min 時(shí)5～6#軸振μm

表7 定速3 000 r/min， 40 min 后4， 6#軸振μm

表8 250 MW 負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)5～6#軸振μm

圖9 升速過(guò)程中6X 軸振趨勢(shì)圖

圖10 帶負(fù)荷過(guò)程6X 軸振趨勢(shì)圖

圖11 帶負(fù)荷過(guò)程6X 軸振瀑布圖

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)， 分析： 機(jī)組定速3 000 r/min穩(wěn)定運(yùn)行后各軸振都在優(yōu)良范圍內(nèi)， 5 X、 5Y 軸振工頻相位反映工頻振動(dòng)曾反向渦動(dòng)； 機(jī)組帶負(fù)荷后， 6X 基頻振動(dòng)幅值增大最多， 在機(jī)組帶270 MW 負(fù)荷時(shí)達(dá)104 μm； 帶負(fù)荷后主要是6X 軸振超標(biāo)較多， 需要處理。 機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定一段時(shí)間后，6X 軸振工頻分量變化較小， 可以采用動(dòng)平衡措施進(jìn)行補(bǔ)償， 減小工頻振動(dòng)幅值。

6.3 方案實(shí)施和效果驗(yàn)證

機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定一段時(shí)間后， 6X 軸振工頻分量變化較小， 相位也比較穩(wěn)定， 采用現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)動(dòng)平衡補(bǔ)償來(lái)減小工頻振動(dòng)幅值： 6#低壓平衡槽75°加重400 g， 5#低壓平衡槽255°， 加重質(zhì)量400。

經(jīng)處理后， 再次監(jiān)測(cè)6X 升速軸振趨勢(shì)圖、 升速及帶負(fù)荷軸振瀑布圖， 見(jiàn)圖12～13。 可見(jiàn)， 升速壓軸振6X 從2 100 r/min 開(kāi)始隨著轉(zhuǎn)速升高的同時(shí)， 工頻振動(dòng)大小逐漸減小， 帶負(fù)荷過(guò)程工頻振動(dòng)降低， 最終機(jī)組總通頻振幅控制在合格范圍內(nèi)， 處理的效果較好。

圖12 帶負(fù)荷過(guò)程的6X 軸振瀑布圖

圖13 帶負(fù)荷過(guò)程的6X 軸振瀑布圖

7 結(jié)論

基于工程實(shí)際需要， 探究汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)故障診斷中所運(yùn)用的一種先逆向定性后正向精診的診斷方法， 該方法運(yùn)用于某電廠擴(kuò)建的1 臺(tái)350 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障分析，驗(yàn)證了工程指導(dǎo)可行性， 同時(shí)該探究過(guò)程中得到幾方面的分析成果：

（1）確定了轉(zhuǎn)子熱彎曲逆向定性診斷及正向精診的診斷流程。

（2）提煉出汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲故障的系列振動(dòng)特征物理量， 并建立特征量的賦值規(guī)則。

（3）構(gòu)建了轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)的特征數(shù)值庫(kù)。

（4）繪制了轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)故障樹(shù)，細(xì)化誘因。

（5）歸納出基于故障樹(shù)的常用正向精診實(shí)驗(yàn)。

（6）工程實(shí)例運(yùn)用成功解決了轉(zhuǎn)子熱彎曲故障。