火电厂汽轮机振动故障和诊断技术

山西国锦煤电有限公司 王 鹏

1 引言

汽轮机发生故障会对发电站带来巨大经济损失。随着汽轮机组容量不断增大，实施汽轮机组故障诊断非常重要。转动机械会发生微小振动，异常振动是机组运转中振幅增大到超过允许标准。异常振动是汽轮机隐患的综合反映，新安装设备机组必须经过试运行测试轴承振动方可投入运行。汽轮机担负火电厂发电任务的重点，出现故障影响机组的正常运行，机组振动故障诊断需要掌握科学分析能力，不能盲目采用现场高速平衡方法，要提出正确的根治措施[1]。

2 汽轮机振动故障与诊断技术

随着科技的进步，生产使用机械设备结构日趋复杂。设备组成部件相互关联紧密耦合，机械设备与操作运行中发生高中故障降低预期功能。汽轮机运行中处于复杂的环境，机组出现振动过大造成运行中的故障，汽轮机组具有自动故障频率高的特点，汽轮机振动故障严重影响机组的安全稳定运行。随着节能环保管理力度加大对电厂设备可靠性提出新的要求，需要系统研究汽轮机振动故障形式，采取有效的诊断方法[2]。

2.1 汽轮机振动故障形式

汽轮机工作原理是利用涡轮式机械装置将水蒸气热能转换为机械能带动发电机发电，汽轮机组具有单机功率大及使用寿命长等特点，长时间使用出现一些故障，需要根据出现异常振动制定针对性排查维修措施。振动是反映汽轮机组状态常见的外部表现形式，汽轮机组大部分振动是与转速同步振动信号。振动故障类型有多种，需要了解汽轮机结构设计与动态性能，汽轮机振动按频率分为基频与倍频振动，依据振幅方位分为横轴向与扭转振动；根据原因分为转子轴系与机器零部件松动引起振动等。动静摩擦的类型如图1所示。

图1 动静摩擦的类型

汽轮机发生较大振动对设备与人身造成危害，对设备危害表现为动静部件疲劳损坏，加速某些部件磨损，动静部分发生摩擦降低机组经济性。汽轮机组振动原因复杂，按照理论分析包括转子动静不平衡是制造质量问题，转子热变形及磨损部件损坏造成等。汽轮机常见异常振动故障包括气流激振、转子热弯曲与油膜振荡等，汽轮机产生气流激振主要部位是高中压转子，产生由于高压端向低压端的轴向力，导致汽轮机转子产生气流激振故障。

目前汽轮机转子热弯曲故障大部分发生在冷态起机定速后带负荷运转阶段，叶轮叶片受离心力产生的巨大应力易发生弯曲变形，发生热弯曲会引起摩擦振动等安全隐患。汽轮机摩擦是由于转动部分叶珊等部件长期运行中受到发生热弯曲破坏初始平衡专题产生异常，转子受到冲击影响出现分频倍频及高频分量，汽轮机转子发生摩擦振动频率和幅值具有波动特性引发涡动现象[3]。

2.2 汽轮机振动故障影响因素

汽轮发电机组振动异常原因有多种，包括设计制造与安装检修等方面。汽轮机转子机械质心与旋转中心不重合因不平衡产生离心力对轴承产生激振力引起机组振动，装配后出厂前对转子进行高低速动平衡。产生汽轮机转子不平衡主要原因是机械加工精度不够，机组设计不当引起机组振动，如轴承选择不当因稳定性较差汽轮机转子不平衡引起较大机组振动。汽轮机组安装检修中在轴承自身特性，机组中心与动静间隙等方面影响机组振动。

机组大修中需要对汽轮机叶片结垢清理，转子污垢会导致产生新的质量不平衡。现代汽轮机大轴留有中心孔两端用封头封堵，汽轮机组运行中润滑油温与机组膨胀导致发生振动，润滑油在轴瓦内形成油膜是影响转子稳定的重要因素。润滑油温应控制在合理范围。汽轮机安装检修中受到轴承标高特性与动静间隙等因素的影响导致振动故障，运行中机组膨胀与润滑油温影响振动故障。机组的膨胀受滑销系统的制约，运行人员操作不当机组出现膨胀不畅问题。

2.3 汽轮机振动故障诊断方法

设备故障诊断为了解运行状态预测变化发现隐患，提出维修建议决策意见[4]。研究汽轮机故障机理是确保机组安全运行的前提，需要从汽轮机发生故障前相关征兆与客观规律方面入手，汽轮机内部结构运行机理是科学准确的数学模型，通过开发计算机仿真软件可以对典型常见汽轮机故障作出数学仿真，国内外有许多分析汽轮机故障方法，频谱分析法主要识别振源的位置，需要确定发生故障部位逐步分析高中低频段频谱，从工频等方面分析确定转子故障发生位置。碰摩故障时振动时域波形如图2所示。

图2 碰摩故障时振动时域波形

汽轮机组故障诊断是根据相关信号数据对故障定性，确定对应解决办法及实施处理方案。确定故障原因对造成故障机理分析存在分歧，汽轮机转子故障类型有多种，对典型故障准确判断可以满足生产实际的需要。诊断方法是大型旋转机械故障诊断常用的，通过测量机械外部振动判断内部故障，是对运行机械直接进行振动测量对测得信号分析处理，根据比较结果判断机械内部结构是否破坏磨损等故障。

通过机械振动信号在频域信号分析处理进行机械故障诊断。目前汽轮机振动信号处理常用方法包括时域频域分析法、瞬态信号分析法与数字滤波等。振动信号时域处理是对波形分析，提取有用的信息对时域内信号进行滤波放大等处理，确定实测波形最大幅值求取信号波形在不同时刻相似性，消除实测滤波的畸变状况，确定波形与物理现象的联系情况，对实测波形进行相关分析。加窗傅里叶变换利用固定时间窗进行时域局部傅里叶变换，小波变换保持高频率信号具有较高的分辨率。

2.4 火电厂汽轮机组常见故障原因

火电厂发展可以满足人们的用电安全性，加强汽轮机组设备管理对火电厂生产效益具有重要作用。火电厂汽轮机在长期高温高压环境下容易产生各种故障，汽轮机运行中各部件受到较大磨损出现变形问题导致异常振动影响发电机组的运行，机组异常振动主要原因包括进气压力温度过高，转子不对称与质量不平衡等。设备检修人员熟悉汽轮机常见故障发生原因才能准确诊断故障。火电厂汽轮机组故障诊断需要重点加强转子质量不平衡、转子弯曲与动静摩擦等常见故障原因分析。

转子质量不平衡是汽轮机组常见振动故障，随着电厂检修质量的提高故障率逐渐减少，但仍是目前机组振动主要故障。汽轮机转子质量不平衡原因包括转动中部件飞脱松动与转子热弯曲。转子热弯曲引起质量不平衡主要特征是随着机组参数提高工频振动幅度逐渐增大，需要试验观察转子温度高情况下降速中的幅频特性。新机转子热弯曲通常来自材质热应力，汽轮机组转动与静止部件碰撞是运行中常见故障，碰撞使转子产生复杂的振动。汽轮机转子中心孔进油在现场时有发生，由于中心孔探伤后油未及时清理干净，运转后由于孔内外差压使得润滑油被吸入孔内。汽轮机组轴系中出现截面刚度不对称是发电机转子，临界转速的一半有响应峰，转子刚度不对称使转子旋转1周中静挠曲线改变产生激振力。

2.5 火电厂汽轮机振动故障检测与维修技术

我国经济快速发展带动电力产业的发展，要保证汽轮机运行安全积极性，当前汽轮机向大型自动化方向发展，锅炉蒸汽压力温度不断提高，使汽轮机工作环境更加严峻，导致发生故障引起经济损失加大，汽轮机发生故障会对电网造成重大冲击。汽轮机组振动故障诊断是根据相关数据对故障完成定性分析，确定解决措施和实施处理方案。分析汽轮机异常振动原因采取针对性维护方式是保证机组安全运行的关键，需要研究常见异常振动故障排查维修措施。

汽轮机长期在高温高速条件下运行易产生故障问题，需要根据汽轮机运转状况制定高效的检修方法，常见检修方式包括接触式与非接触式方法，监测装置包括传感器与处理系统，利用相关规范可以获取数据了解汽轮机运行状态。

接触式检测主要利用传感器检测汽轮机运动信息转化为电信号，接触式检测技术具有设备操作简单、工作效率高等优点，汽轮机转动时传感器可以检测到运转应力，接触式检测法影响汽轮机的工作效率，汽轮机运转中产生较大热量使工作环境温度升高，应用接触式检测装置要做好安装工作。非接触式检测装置相比接触式检测装置检测范围广，受到周围环境影响小。主要利用声光检测可以获取汽轮机的运行参数，非接触式检测法采用多普勒原理利用电磁波探测。转子裂痕故障特征如图3所示。

图3 转子裂痕故障特征

火电厂汽轮机振动故障检测主要包括热变形、温度等，故障检测时要关注气缸壁温度与金属固有温度差值，汽缸壁温度与金属固有温度差值过大动静间隙降低，轴承和轴瓦温度达到报警值说明汽轮机轴瓦间润滑系统故障需要及时检修。汽轮机内部设有严密的滑销系统确保按预设方向膨胀，汽轮机检修中要关注热变形数据。要通过采取科学合理的保温措施确保汽缸各部分温差在合理范围内。轴承轴瓦高温原因包括周围进油量过小等。要重视汽轮机设备的维护，发现异常情况及时处理。要做好汽轮机的监管工作，采用现代化管理模式保证汽轮机使用规范化。使用中记录数据发现异常及时报告避免出现重大事故。

3 结语

汽轮机组异常振动故障发生原因复杂，汽轮机运行中长期在高压高温条件下运转部件出现受损问题，要熟悉汽轮机振动故障常见原因，及时采取维修措施确保汽轮机稳定运行。汽轮机异常振动故障可以采用接触式或非接触式检测法，选择适合的故障排查技术确保电厂安全运行。