关于电厂汽轮机振动故障的具体分析

刘志超

摘 要：汽轮机作为发电系统的重要组成部分，其故障率的减少对于整个系统都有着重要的意义。其肩负着发电任务。由于汽轮机一般都处于长时间运转，从而很容易造成重要零部件出现磨损，一旦磨损情况严重时，便会引起机组振动，甚至会影响汽轮机的正常运行。振动是汽轮机常见故障，造成汽轮机振动的原因较多也相对比较复杂。为确保机组的安全、可靠运行，必须针对振动产生的原因采取相应的对策予以解决。笔者根据多年的工作经验，主要针对电厂汽轮机振动故障进行分析和讨论。

关键词：电厂汽轮机；振动故障；具体分析；

一、电厂汽轮机的工作原理

汽轮机的主要元件是由喷嘴（也称静叶）与动叶（也称叶片）两个部件组成。喷嘴 固定在机壳或隔板上，动叶固定在轮盘上。蒸汽通过喷嘴时，压力下降，体积膨胀形成高速汽流，推动叶轮旋转而作功。如果蒸汽在葉片中压力不再降低，也就是蒸汽在叶片通道中的流速（即相对速度）不变化，只是依靠汽流对叶片的冲击力量而推动转子转动，这类汽轮机称为冲动式，也称压力级，在工业中应用广泛。如果蒸汽在叶片中继续膨胀（简称相对速度）比进口时要大，这种汽轮机的作功不仅由于蒸汽对叶片的冲击力，而且还有由于蒸汽相对速度的变化而产生的巨大的反作用力，因此这类汽轮机称为反动式汽轮机。只有一列喷嘴和一列动叶片组成的汽轮机叫单级汽轮机。由几个单级串联起来叫多级汽轮机。由于高压蒸汽一次降压后汽流速度极高，因而叶轮转速极高，将超过目前材料允许的强度。因此采用压力分级法，每次在喷嘴中压力降都不大，因而汽流速度也不高，高压蒸汽经多级叶轮后能量既充分得到利用而叶轮转速也不超过材料强度许可范围。这就是采用多级汽轮机的原因。如果由于蒸汽离开每一级叶片的流速仍高，为了充分利用汽流的动能，可用导向叶片将汽流引入第二排叶片中（每一个叶轮可安装二排叶片）进一步推动转轴做功，这称为速度分级，简称速度级（又称复速级）。速度级常用于小型汽轮机，或汽轮机的第一级。蒸汽机在实质上是一种原动机，可以转化不同性质的各种能量。它一般通过旋转来进行能量之间的转换，主要用于发电厂的原动机，但同时也可作为发动机来驱动压缩机或是风机等，还能为我们的生活和生产提供热能。电厂汽轮机的工作原理其实并不复杂，简单点说就是利用物体在不同的作用力下进行做功。其中，这些作用力可以是冲动力也可以是反作用力。前者利用物体受到冲动力作用而改变了速度，来做机械功。而后者则利用物体受到反作用力而改变运动状态来做功。这两种就是电厂汽轮机的主要工作原理。

二、汽轮机常见异常振动故障

1、轴承的轴向振动

在测量机组振动过程中，常发现轴承的轴向振动过大，其振动频率与转速相同。引起轴承轴向振动过大的原因有如下几点。

（1）弯曲的转子在旋转时，轴颈产生偏转，轴颈在轴瓦内的油膜承力中心沿轴向随转速发生周期性变化，从而引起轴承座的轴向振动。

（2）轴瓦受力中心跟轴承座几何中心不重合。

（3）轴承座不稳固。挠曲的转子在旋转时，将力图使轴瓦及轴承座作相应的偏转，但轴承无法追随轴颈的偏转只能形成轴向振动。轴向振动的幅值同转子的挠曲程度成正比，而各轴承振动的相位则取决于转子挠曲弹性线的形状。在一阶临界转速附近转子两个轴承的轴向振动相位相反。而在二阶临界转速附近转子两个轴承的轴向振动相位则相同。

2、汽流激振

汽流激振有两个主要特征：一是应该出现较大量值的低频分量；二是振动的增大受运行参数的影响明显，如负荷，且增大应该呈突发性。其原因主要是由于叶片受不均衡的气体来流冲击就会发生汽流激振；对于大型机组，由于末级较长，气体在叶片膨胀末端产生流道紊乱也可能发生汽流激振现象；轴封也可能发生汽流激振现象。针对汽轮机组汽流激振的特征，其故障分析要通过长时间（一年以上）记录每次机组振动的数据，连同机组满负荷时的数据记录，做出成组曲线，观察曲线的变化趋势和范围。通过改变升降负荷速率，从5T/h到50/h的给水量逐一变化的过程，观察曲线变化情况。通过改变汽轮机不同负荷时高压调速汽门重调特性，消除气流激振。简单的说就是确定机组产生汽流激振的工作状态，采用减低负荷变化率和避开产生汽流激振的负荷范围的方式来避免汽流激振的产生。

3、转子热变形

转子热变形引发的振动特征是一倍频振幅的增加与转子温度和蒸汽参数有密切关系，大都发生在机组冷态启机定速后带负荷阶段，此时转子温度逐渐升高，材质内应力释放引起转子热变形，一倍频振动增大，同时可能伴随相位变化。由于引起了转子弯曲变形而导致机组异常振动。转子永久性弯曲和临时性弯曲是两种不同的故障，但其故障机理相同，都与转子质量偏心类似，因而都会产生与质量偏心类似的旋转矢量激振力。与质心偏离不同之处在于轴弯曲会使两端产生锥形运动，因而在轴向还会产生较大的工频振动。另外，转轴弯曲时，由于弯曲产生的弹力和转子不平衡所产生的离心力相位不同，两者之间相互作用会有所抵消，转轴的振幅在某个转速下会有所减小，即在某个转速上，转轴的振幅会产生一个“凹谷”，这点与不平衡转子动力特性有所不同。当弯曲的作用小于不衡量时，振幅的减少发生在临界转速以下；当弯曲作用大于不平衡量时，振幅的减少就发生在临界转速以上。针对转子热变形的故障处理就是更换新的转子以减低机组异常振动。没有了振动力的产生机组也就不会出现异常振动。

三、振动故障处理措施

振动问题直接影响汽轮机组的正常工作，其复杂度不容忽视。针对工作现场汽轮机可能产生的振动故障问题，提出了如下应对措施：

首先，刚度检测是重中之重。技术人员对汽轮机数据采集，及时数据处理，并与标准数据进行对照做出判断。掌握工作刚度范围、共振条件和刚度极值点。做到技术人员不离机组，实时监测，防患于未然。

其次，机组带负荷和空载试运行必不可少。为确保汽轮机顺利工作，发生异常振动的几率降低，新安装或检修后的机组应经过带负荷和空载试运行，测试密封、汽封、滑销系统等均达到合格标准，才可以投入生产。

再次，设置智能化监测装置。设计并安装智能化监测装置是汽轮机发生振动异常的有效措施。对正常监测困难点安装各种传感器设施，监测振动情况，及时报告工作异常点。同时，有序地安排技术人员，及时处理发出报警部位机组，杜绝扩大损坏，以免造成事故。

最后，安装振动保护装置。当智能化监测装置监测出异常振动点后，会发出报警信号，通过自动控制装置命令振动保护装置自动切断电路，关闭主汽门，紧急停机。于此同时，技术人员采取拯救办法，保护机组设备安全。

凝汽式汽轮机支撑国家能源环保事业的快速发展，随着机组容量的增大，汽轮机安全、稳定运行显得更加重要。对不可避免的振动问题应采取有效地解决措施，以免造成重大的安全事故。同时对汽轮机设置智能化监测、保护装置必不可少。

四、结束语

热电厂汽轮机振动是无法完全消除的，但却可以通过各种相应的措施将振动值控制在一定的范围内。为尽可能避免振动情况的不断增大，要求机组运行人员应严格遵守操作规程，并对机组进行严密的监视，这样能够及时发现问题。同时检修人员应做好检修工作，尽量避免在检修过程中发生马虎、大意等情况，以此来确保检修质量，进而保障汽轮机安全、可靠运行。

参考文献：

[1]刘峻华，陆继东.汽轮机故障诊断技术的发展与展望[J].汽轮机技术，2004（05）

[2]高日亮.浅谈汽轮发电机组的振动与平衡[J]. 山西焦煤科技， 2008（11）