基于发电厂汽轮机组振动故障实验的研究探讨

华北水利水电大学 李 雪

洛阳市公共交通集团有限公司 陈雪瑞 陈 浩

河南省计量科学研究院 李海滨

基于发电厂汽轮机组振动故障实验的研究探讨

华北水利水电大学 李 雪

洛阳市公共交通集团有限公司 陈雪瑞 陈 浩

河南省计量科学研究院 李海滨

本文根据我国火力发电机组在实际应用的过程当中出现的振动情况，通过模拟试验台模拟现实发电机组的转子不平衡故障和不对中故障等实际发电厂中常见的故障状态。通过数据收集和不同大小故障的对比，通过大量数据收集为后续发电厂汽轮机组振动故障的在线监测研究打下实验基础。

振动故障；转子不平衡故障；不对中故障；在线监测

1.前言

随着我国工业体系的不断完善，经济水平发展的不断提高，电力工业作为经济发展的重要保障，在我国经济发展中起着举足轻重的地位，是一切经济发展的基础。由于我国能源分布不均衡，水利资源广泛分布于西南欠发达地区且水利资源的利用率还有待进一步提升，虽然近些年来新能源也在国家政策支持下迎来了蓬勃的发展，但是同样占我国发电总量的份额较少。依旧依靠火力发电为主导地位占到70%左右。由于我国火力发电厂建设的年限较长，许多发电机组较为老化且蒸汽机组利用率不高、安全隐患较大。成为影响火电厂经济效益的主要绊脚石。其中，整个发电机组的各种振动量将大大影响整个机组运行过程中的安全。据统计从上世纪八十年代至今，由于振动造成的重大事故多达几十起，由于振动带来的隐患造成的停机损失也不可估计。所以加快汽轮机组故障诊断并及时作出相应措施来解决问题越来越受到国家的重视，如何提前预判振动故障，避免突发振动故障，将是避免实际运行中安全事故的重要课题。

2.国内外研究现状

我国电力工业的发展，特别是上世纪八九十年代，为了满足电力供应的需求，大量建立了火力发电厂，随着时间的推移大量机组都处于老化状态，由于资金方面的制约，在保障机组能够安全运行的前提下，延长机组的使用寿命是当务之急。目前国内对于大型火力发电机组的振动故障诊断还停留在采购国外厂家如：美国、德国等国家的振动检测系统，但也就提供一些幅值检测功能，在故障诊断分析过程中受经验和技术方面的制约较多，得出的结论也无法令人满意。

现代振动故障诊断技术伴随着我国经济在不断发展，但由于大型发电机组往往结构庞大，系统安装复杂且精度要求高，各机组间的轴承连接，使得在轴承监测其运行的过程当中，不得不大量运用传感器同时对系统振动情况进行采集。如此之多的采集信号，如何进行对比分析并得出准确的结论，往往需要具有丰富的实践经验的专家进行分析诊断，即使如此也无法很好的得出准确的结论，从而影响机组的正常运行，从而需要付出较多的时间和经济成本。本文将针对汽轮机组振动故障的分析的方法进行探讨，从而希望能够得到一种较快地诊断振动故障的方法。

3.转子振动故障的模拟实验

为了获得振动故障的实验数据，必须在大量故障数据的基础上，本次模拟实验主要利用转子实验台来模拟转子故障，如下图1-1转子试验台模拟图所示，本转子试验台利用华北水利水电大学动力馆中的火力发电转子实验台改造而来，其中电机采用调速性能较好的直流电机，转速输出范围为(0-12000)rpm。具体结构示意图1-1所示：

图1-1 转子试验台模拟图

图1-2 不对称、不对中故障模拟试验台

4.故障的设置

为了便于实验与实践应用相结合，现将在实际当中最常见的故障形式为主要研究对象，分别为：转子不平衡故障和不对中故障（如下图1-2所示的不对称、不对中故障模拟试验台），图1-2所示的试验台左侧跨接3个轮盘A盘、B盘和C盘，右侧跨接两个轮盘D盘和E盘，同时沿轴向均匀布置涡流传感器#1、#2、#3和#4，其中#2传感器垂直安装，其余则水平安装。

（1）转子不平衡故障实验：主要由于转子松动、叶片掉块以及转子安装过程中结构设计不合理材质不匀称等多种因素都会导致转子在旋转过程中产生偏心距，进而危害整个发电机组的安全，本实验通过在模拟试验台对C盘加重配块，进行模拟转子不平衡故障具体实验。实验情况如下表1所示。

表1 转子不平衡实验情况表

（2）不对中故障实验：主要由于大型电机组在组装过程中安装精度达不到设计水平导致轴心偏移量加大，或者在运行过程中受热不均匀导致轴向位移。如果无法及时发现轴向位移，将导致系统在运行过程中使轴承损坏，轴弯曲变形等严重后果。本次模拟不对中故障主要采用轴承底座增加垫片的方法进行转子模拟不对中如图1-2所示，在模拟装置最右端底座IV处增加垫片来增加不对中度。具体实验情况如表2所示。

表2 不对中实验情况表

5.数据采集

数据采集主要运用传感器的模拟信号转换为数字信号在通过数字滤波器和放大器，放大后的信号通过显示器显示出来。如下图1-3所示，本采集系统将传感器采集到的模拟信号转变为电信号后，通过电信号的变化量来确定，振动量的大小.（电信号输入范围为4mA—20 mA或0V-10V）。

图1-3 数据采集系统示意图

图1-4 不平衡故障波形及频谱图

图1-5 不对中故障波形及频谱图

6.故障分析

为了获得更理想的数据，根据数据采集器采集到的数据，通过频谱分析采样得到特征较为明显的频谱图如图1-4和图1-5所示的频谱图。

（1）对于不平衡故障的波形及频谱可知图1-4，时域波形为较为规则的正弦波，并且得到的2X以上的高次谐波较小，幅值低于5故符合不平衡故障特征。

（2）对于不对中故障的波形和频谱可知图1-5，时域波形为叠加的正弦波形并且当不对中振动越严重，2X幅值所占越大，当轴向不对中越严重，2X振动幅值就越大,符合不对中故障典型特征。

实验结果证明，对汽轮发电机的模拟实验是非常理想的，为后续的故障信号算法分析和远程监控系统的组建打下了基础。

7.结束语

本文根据国内火电厂发电机组的实际情况，并结合我国振动检测的实际情况和遇到的问题，通过设计振动模拟故障实验，来分析振动原因，达到预期效果。但本文只对模拟实验和故障设置做了相关研究，但是对后续的实验数据处理方法以及其他可能出现的故障问题还需融合在一起进行整体处理和研究。

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[2]张正松．旋转机械振动监测及故障诊断[M]．北京： 机械工业出版社,1991．

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[4]杨涛,黄树红,高伟等．网络化汽轮机组远程监测及故障诊断系统的研究[J]．动力工程． 2004,24(6)： 840-844．

李雪（1986—），女，河南郑州人，华北水利水电大学电力学院教师，助教，硕士研究生。