汽轮机实际冲转过程突发轴系振动故障案例研究

田长河 王永旭 刘铁苗 李飞 程江南 刘金龙

摘 要：汽轮机轴系振动故障预防是非常重要的，因此，实际振动故障案例处理经验非常重要。该文针对一汽轮机实际冲转中出现的轴振突变导致停机的故障进行分析研究，结果发现是由于刚起机时机组缸体膨胀不畅，导致机组存在碰磨而引起的；并且，在冲转临界转速区的相互耦合导致振动瞬间增大引发跳机问题。针对这一故障对机组的高压调速汽门进汽顺序进行调整，解决了此振动故障对机组实际运行的影响，极大提高了机组运行的安全稳定性。这对解决其他电厂机组在实际运行中的轴系振动故障具有一定的借鉴意义。

关键词：汽轮机 冲转 膨胀不畅 碰磨故障

中图分类号：TK26 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0109-03

汽轮机振动故障严重威胁机组的安全稳定运行，然而，由于振动的产生原因是多种多样的，在实际问题未出现时能够及时预测并避免或问题出现后能够及时解决仍具有较大难度。国内已有很多研究人员从很多方面进行了很多相关研究，如在振动故障本身的特征提取方面，赵永刚通过小波分析对4种典型汽轮机瓦轴故障信号进行故障诊断的频率特征提取[1]。然而，随着风电等新能源的大规模引入，风速预测误差导致更多的机组冗余备用[2]，越来越多大功率火电机组不得不进行深度调峰运行，喷嘴配汽不合理导致的振动故障也很多[3]。文献[4]阐述了喷嘴配汽故障的产生机理，并提出了采用配汽优化消除故障对机组安全及效率的影响。超临界喷嘴调节机组也存在此类故障，通过对实际机组进行顺序阀优化改造也可解决此问题[5]。也有研究者通过对轴系载荷进行重新分配解决机组轴振问题，并在实际机组中取得了实际应用效果[6]。起机过程也是汽轮机的一个重要运行阶段，然而，公开文献中介绍机组并网前冲转过程中出现的轴振故障进行研究的实际案例较少。

文章针对汽轮机实际冲转中出现的轴振突变导致停机的故障进行分析研究，结果发现是由于刚起机时机组缸体膨胀不畅导致高中压转子碰磨引起的；并且，在冲转临界转速区的相互耦合导致振动瞬间增大引发跳机问题。针对这一故障对机组的高压调速汽门进汽顺序进行调整，解决了此振动故障对机组实际运行的影响，提高机组运行的安全稳定性。

1 案例机组及振动现象

1.1 案例机组轴系概况

案例机组轴系高中压侧布置如图1所示。冲转时，4个高调阀对应于4组喷嘴同时同开度进汽，2个中压联合汽阀从汽缸下半右、左两侧分别进入中压缸。调节阀在流量30%以下时起调节作用，以维持再热器内必要的最低压力，调节阀在超过30%总流量指令时保持全开，仅由高压调节阀调节负荷。

1.2 故障现象描述

机组大修起机冲转时，突然出现轴振突增故障而引发跳机，如图2和图3所示，轴系各处的轴振都明显变大，其中高中压缸处的轴振变化最大#2瓦x向振动最大至290 μm多，#1瓦x向振动大致170 mm且y向振动大致190 mm；并且，实际观察各轴瓦处的瓦振也随着轴振的增大而增大，并且瓦振与轴振的趋势是一致的。

2 问题的原因确定及处理措施

2.1 故障数据分析

机组轴振故障原因很多，并且他们之间互相关联、相互影响，要解决故障必须综合分析故障原因[5-6]。首先，首次冷态启动冲转过程中，机组高中压缸各轴承的振动没有异常。这可以说明：一是轴系平衡较好；二是轴承座支承动刚度正常。也就是说，故障发生前，机组的轴系以及配汽等控制系统本身是良好的，因此，需要首先排查有无其他非轴系本身因素引发这次故障。另外，#3瓦轴振基本没有变化。所以，对机组进行#1瓦、#2瓦轴振的频谱分析，分别如图3～6所示。

2.2 振动原因分析

通过频谱分析可以看出：故障部分主要是高频成分，与碰磨故障特征非常接近。此外，故障发生时轴系正处于临界转速区域，此时的轴系振动对于外界的扰动比较敏感，极易引发轴系的振动突增放大问题。此外，通过实际调研发现，此类问题在其他电厂中也存在过。这对于大功率汽轮发电机组的安全高效运行影响极大，因此，妥善解决非常重要。

3 故障的判定及解决

从上面的分析，基本可以看出：此次轴系故障很大程度上是由于动静叶片或者轴瓦碰磨引起的；并且，机组冲转起机而未并网发电时很可能存在汽缸膨胀不畅的问题；同时，由于冲转过程中刚好达到临界转速区域，两者相互耦合相互影响导致振动瞬间增大。所以，机组正常运行后也出现了碰磨现象，如图7所示，#1、#2瓦轴振处于不稳定状态，尤其是在快速升负荷阶段，机组采用第三阀进行负荷调节，升负荷速率过快导致转子瞬间偏移量过大，故还会发生碰磨故障。所以，实际碰磨故障的特征比较明显；并且，文献[7]在介绍汽轮机动静碰磨的机理和振动信号特征的基础上，归纳总结引起该类故障的主要因素，并提出相应诊断与处理对策。文献[8]指出了滑动轴承油膜厚度对汽轮机振动的影响，这与文献[4]给出的机理分析是一致的。因此，根据文献[4]提到的方法，对机组进行进汽顺序调整，#1、#2瓦轴振的突变问题得到了解决。从实际角度来讲，此次振动故障基本解决。

4 结论及展望

针对电厂中一台机组大修后的起机冲转过程出现的轴振故障进行分析研究，结果发现由于检修机组膨胀不畅出现碰磨而引起振动；同时，临界转速区域，两者相互耦合相互影响导致振动瞬间增大。对机组在实际运行中的轴系振动故障具有一定的借鉴意义：第一，机组在出现故障时首先要就地逐一排查，检查各硬件设施是否有机械故障；第二，在排查完机械问题后再对控制系统等软件设施进行检查，做到细致全面；第三，新检修机组起机时需要密切关注机组膨胀问题，避免由于机组缸体等的不畅问题引发其他严重故障；第四，汽轮机冲转至临界转速区域时，要时刻关注机组的运行状况，此区域机组轴系振动对外界扰动比较敏感，极易由外界的一个小扰动引发轴系的振动故障。

此外，由于此次故障处理得当基本没有造成损失。因此，在后面的机组实际运行中，还需加强这方面振动的监视，因为这时不能够完全排除其他故障原因的存在。文章仅写了一个从实际角度解决的振动问题。今后，还需从振动故障诊断系统监测到的数据中，对此次振动故障的表现（如基频振幅、相位随运行时间和运行工况的变化而变化的特征）进行细致分析，同时利用汽轮发电机组振动分类方法最终确定振动故障原因。

参考文献

[1]赵永刚.汽轮机轴瓦振动故障特征提取研究[J].电站系统工程，2013（4）：59-60.

[2]万杰，马国林，苏鹏宇，等.基于生成型深信度网络的回归算法鲁棒性分析[J].科学技术与工程，2015（22）：47-52.

[3]关海平，焦晓亮，乔增熙，等.600MW汽轮发电机组运行状况的调研分析[J].节能技术，2011，29（1）：57-60.

[4]于达仁，刘占生，李强，等.汽轮机配汽设计的优化[J].动力工程学报，2007（1）：1-5.

[5]刘贤东，刘建东，乔增熙，等.超临界机组顺序阀优化改造研究[J].节能技术，2011，29（2）：153-158.

[6]顾伟飞，吴华强.轴系调整实现汽轮机顺序阀方式投运[J].电力科学与工程，2008，24（7）：46-48.

[7]张文斌，唐贵基，王维珍，等.大型汽轮机动静碰磨故障的诊断和处理综述[J].煤矿机械，2005（1）：131-133.

[8]张艾萍，谢媚娜，林圣强.椭圆滑动轴承油膜厚度对汽轮机振动的影响[J].动力工程学报，2013，33（9）：677-681.