汽轮机运行中的故障诊断

刘贞慧

唐山华润热电有限公司,河北唐山 063004

0 引言

汽轮机是一种高速旋转机械，其主要的构造部件包括转子、转子轴承、汽缸以及联轴器等。由于在加工或者安装过程中存在缺陷，将导致汽轮机在运行的过程中出现振动。根据振动的类型可以将振动分为横向振动、轴向振动以及扭转振动三种。而根据导致振动的激励方式，又可以将振动分为基频振动和二倍频振动。其中，导致汽轮机运行不稳定或者是破坏的主要原因是由横向振动或者是基频振动而导致的。

1 某汽轮机发电机组的具体运行情况

该汽轮机属于凝汽单抽汽式汽轮机，该机组包括汽轮机、发电机以及励磁机三个转子。各个转子都采用绞支孔螺栓来进行连接，各个转子都采用两对双列轴承进行支撑。其中，第一支撑轴承位于汽轮机的进汽侧；第二支撑轴承位于汽轮机的排汽侧；第三支撑轴承位于发电机机组的始端；销轴轴承座位于发电机的末端；第五支撑轴承位于励磁机组的末端。该机组从投入生产以来一直存在着振动偏高的问题，之前机组的振动报警值设置为75μm，停机值设置为120μm。但是由于振动情况处于不正常的范围之内，经常导致机组报警、停车，因此需要对报警值和停车值进行调校。当前的报警值为120μm，停车值为160μm。调整之后，虽然汽轮机工作正常，但是这种调整没有任何的理论依据，属于一种比较盲目的调整方式，且调整之后并没有从本质上减小汽轮机的振动，使得机组存在着较大的安全隐患。因此，有必要对该汽轮机的工作状态进行监测和分析，通过振动测试以及频谱分析等方法，找到导致振动的根本原因，提出针对性的改进策略。

2 汽轮机组振动频谱分析结果

在现场对各个测试单的振动情况进行测试，并采用频谱分析之后，发现如下问题：

其一，汽轮机组的整体振动会随着选择的振动标准而出现一定的矛盾，从使用的标准来看，采用IS03954的振动标准能够更加合理的来描述振动情况。且这种振动标准能很好的与现场测试条件吻合。在采用IS03945标准之后，发现该机组的整体振动情况尚处于一个良好的稳定状态，只是局部测速点的振动值偏高，但是还尚处于ISO3954标准的控制范围之内。

其二，机组当前存在的位移振动超标问题并非一定能够真实的反映出机组的真实振动情况，可能是由于各种虚假的信号而导致的。通常，在采用电涡流位移传感器对振动进行测量时，存在的虚假信号主要包括：

1）与测试点位置相对应的转子轴的周径上可能存在一定的椭圆度；2）与测试点位置相对应的转子轴的表面受到了非均匀的磁化作用；3）测试点设置的位移传感器固定不牢固。这时，由于位移传感器是设置在机组壳体上的，而机壳在工作过程中也存在振动，随着测试时间的延长可能导致传感器出现松动。或者是由于与传感器相连的导线出现松动，随着旋转轴随着时间发生的一系列振动，会出现随着实践间隔而变化的脉冲信号。该信号将与正常的振动信号叠加在一起，使得振动幅值增加，造成振动幅值超标的错误现象；4）从对各个测试点的振动进行频谱分析，可以发现导致机组振动的各主要激振频率包括：50Hz、100Hz、150Hz以及350Hz。其中，最主要的激励频率是50Hz导致的基频振动。

从机组的整体振动情况来看，当前机组尚处于正常运行的状态，不必对之进行检修，但是需要进行实时监测。

3 汽轮机组振动原因及控制策略

3.1 转子不平衡导致的振动

由于转子质量存在偏心，当转子转动一周时，将使得转子受到周期性的由于不平衡质量而带来的离心惯性力的激励。该周期性的冲击将导致转子产生一种异常的强迫振动，其振动频率即为转子的转动频率。在进行频谱分析的过程中，将会发现其中存在一倍频振动的成分，具体表现为：

其一，当转子为刚性时，由于质量不平衡而导致的离心力将和转子转速的平方成正比。当在轴承座上设置测试点时，还会发现振动会随着转子转速的增加而迅速增大，当这时并不一定与转速的平方成正比，这时主要表现的是一种非线性关系。其二，在转子的临界转速附近，振动幅值会出现一个与临界转速相差1800的最高点。

3.2 热不平衡导致的振动

从现场的振动数据来看，基频振动是导致机制振动的主要振动。而导致径向基频振动的主要原因是转子的热弯曲以及质量不平衡。为了能够有效的区别基频振动到底是由质量不平衡造成的还是由热弯曲(热不平衡)而导致的。可以将机组的发电功率降低，在两种不同的工况下进行振动情况的分析与对比进行诊断。

3.3 转子质量不平衡导致的振动

导致质量不平衡的主要原因包括：其一，由于结构设计缺陷儿导致结合尺寸存在偏差，结构不同心、旋转中心与几何中心相分离；其二，加工安装过程中存在误差；其三，制造转子的材料存在不均匀的问题；其四，转子在投入生产前就存在初始弯曲；其五，汽轮机的工作介质中的杂质在转子上不均匀的分布和沉积；其六，转子上的零部件出现松动、脱落等问题；其七，在使用的过中，由于受到腐蚀、磨损或者是损坏而导致质量不平衡。

从上面的原因来看，除了第二种情况需要在安装过程中予以注意之外，其他问题在运行现场是难以克服的。其中，转子存在初始弯曲的问题主要和转子的运输以及储存等情况相关，在实际的工程中应该加以考虑。根据汽轮机的现场运行情况来看，第五种原因一般不会出现，而第六和第七种原因是现场运行检测的重点。在进行检修时，应该对各个零部件的松动及脱落情况进行检查，尤其是转子叶轮上各个叶片、叶片周围以及叶片和轮毂的连接处，应该进行重点检查。

另外，现场微小的冲击都会对汽轮机造成一定的损坏，尤其是汽轮机这种高速旋转的机械，任何细小的振动都将导致较大的振动。同时，在对叶片进行修复和更换时，应该注意叶轮的调频频率以及叶片的基频，以避开基频以及基频的倍频。

[1]张淼.凝汽单抽汽式汽轮机振动原因分析和故障诊断[D].西安石油大学，2008，10.

[2]张业明.汽轮机加热器数学建模和运行故障诊断[D].浙江工业大学，2011.