汽轮机运行中的振动及防止措施探讨

摘要：汽轮机、锅炉、发电机被称为火力发电的三大主机，但是在实际应用中，汽轮机经常因为振动而发生严重的故障。文章结合实际运行中的故障，对汽轮机振动进行了分析，探讨了在汽轮机的运行中如何减少振动情况的发生，保障电厂的稳定生产和老百姓的用电安全。

关键词：汽轮机运行；汽轮机振动；火力发电；锅炉；发电机；用电安全 文献标识码：A

中图分类号：TK26 文章编号：1009-2374（2015）36-0053-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.025

汽轮机的振动原因是多种多样的，而振动又是汽轮机的主要故障原因，解决这一问题将对我国的电力生产产生极大的推动作用。目前，我国的电厂一线工人和专家学者也对这一问题进行了研究，并且取得了相当程度的进展。火力发电作为我国的主要发电方式，必须保证其安全稳定地运行。在此基础上，任何投入都是不过分的。

1 汽轮机振动的危害

振动是指物体偏离原有的平衡位置，发生了动能和位能的连续相互转换作用，因此产生振动。在机械运转过程中，微小的振动是不可能预防的，只要振动的幅度不超过一定的范围都是可以接受的，汽轮机的运行过程中，振动也是不可避免的，在一般规定水平下振动是没有危害的，但是往往因为各种原因，汽轮机在运行工作中振动就会超过一定的范围，对汽轮机造成了损害。

我们所说的是汽轮机运行中振动超过了一定频率的和幅度的异常振动，比如轴系中心变化、发电机转子内冷水路局部堵塞、膨胀受阻、轴承磨损或者是轴座松动等，这些强烈的振动会导致整个机组零部件的松动或者是损害，还会加剧汽轮机内部的动静摩擦，进一步对汽轮机造成磨损，从而形成了恶性的循环，加速了汽轮机的衰老过程。振动往往不是因为一个原因造成的，而是多个原因共同作用的结果，所以新安装的汽轮机或者是刚刚检修完的汽轮机都需要对其振动程度进行检验，以保证其振动幅度在国家规定的范围之内。我国现行规定，汽轮机组的振动双振幅值在0.05mm以下才算合格。

2 汽轮机振动的原因分析

对于汽轮机组的超幅振动原因进行分析与判定至关重要，因为在工作状态中，处理问题主要还是安装工艺和零件的替换以及运行参数的调整等，而找到问题的原因才是解决问题的关键。汽轮机的振动原因是多种多样的，要求我们逐一进行分析，下面详细介绍一下汽轮机的振动故障原因和判定方法：

2.1 油膜失稳

汽轮机发生油膜失稳主要有两种形式，半速涡动和油膜振荡。半速涡动一般发生在转子的转速小于两倍第一临界转速的时候，在提高转速的过程中，从某一个较低的转速开始出现，通常情况下，这种振动会一直持续到最高转速，也可能在转子的转速达到某一个数值时就会消失。当转子转速发生变化的时候，涡动的频率也会随之发生变化，但是转度的半频关系始终不变。半速涡动最有效的识别办法是级联图，在级联图上，半频振峰的频率点连线表现为一条斜率为2的直线。除此之外，在波形图上或者是轴心轨迹途中也能看到以低频为主的特征。

2.2 气流振动

气流振荡发生的形式也是多种多样的，原因也是各有不同：

首先是顶隙激振，由于对汽轮机效率和性能的追求，热机设计人员采用了提高工作转速和增加级数的方法，级数的变化使转子的跨距变长，临界转速降低，而转速的提高又造成工作转速与临界转速比变大，这就造成了轴系统的稳定性下降。由于转子的弯曲是通流部分的径向间隙被改变了，一侧的间隙变小，另一侧的间隙扩大，变小一端的热效率增加，变大一方的热效率减小，就会造成切向力作用在轴颈上，使轴颈沿转动方向做正向的涡动。

其次是叶轮流通部分的相互作用力。叶轮的围带和壳体之间的缝隙很大，只要转速超过了基频的2.5倍，就会产生失稳现象。叶轮带可以产生相当大的失稳力，当沿叶轮带的泄流量守恒时，就会进入磨损环，活塞式的密封环流动就会发生非常高的切向力，而磨损造成的出口密封间隙增加又会使进入密封的流动切向力进一步加大，造成严重的振动。这时，叶轮围带力本身对汽轮机的转子动力稳定性起到了重大作用，磨损环、平衡活塞式密封环入口处、叶轮围带径向泄流量会产生非常大的切向速度。气流激振一般只发生在参数较高的高压转子上。通常，涡动的进动方向都是向前的，轨迹呈椭圆形或者是圆形，振荡时，随振幅逐渐接近大偏心率，而自激振动的频率接近于转子横向振动的固有频率。流体激振失稳状态时，转子做自激振动呈现的模态，最大振幅一般不会出现在轴承的传感器处。对这一现象进行判断要求我们安装振型测试探头，观察转子振动的幅度。

2.3 膨胀不均

膨化不均引起的振动主要是由于汽缸膨胀受阻或者是加热的不均匀引起的，这时汽轮机轴承的位置和标高就会发生改变，造成转子的中心产生位移，减弱轴承的刚度，引起机械振动。这一振动主要由两种原因造成：一种是机组在启动的时候疏水不畅，在暖管或者是暖机的过程中，部分疏水寄存在主汽管道或者是汽轮机本体某一部分，金属由于受汽水影响，产生受热变形或者是膨胀不均，造成在运行过程中摩擦振动；另一种原因是冲转或者是运行过程中，主热汽温、再热汽温、压力与金属汽缸的温度不匹配，转子受热不均，产生弯曲或者是变形，造成润滑油的油温、油压远超正常的运行参数，使转子与气缸的膨胀不一致，引起振动。

2.4 动静摩擦

由于近年来，对于汽轮机的工作效率要求不断增加，动静的间隙不断的缩小，碰摩的可能性就随之增大。动静摩擦轻的会使汽轮机产生强烈的振动，严重的就会使转轴永久性的弯曲，整个轴系统都会遭到损坏，造成重大的经济损失。发生动静摩擦的原因有以下四种：（1）转轴振动过大，质量不平衡、转子弯曲、轴系失稳等都会造成这一现象；（2）转子偏斜；（3）动静间隙过小；（4）缸体跑偏，变形。

除了以上四种现象和原因，还有自激振动、结构共振、转子损害等原因会造成汽轮机的振动。

3 汽轮机振动的防止措施

在分析了汽轮机振动的现象和原因以及判定方法后还需要对以下问题进行预防：

3.1 神经网络的汽轮机振动诊断系统

前文已经提到过，对于振动的解决措施无非进行保养、设备更换、参数调整这三种措施，防止汽轮机振动应首先建立一种汽轮机振动诊断检测系统，及时发现问题原因，进行问题的解决。

神经网络的汽轮机振动诊断系统是近年来最新的研究成果，是一种计算机信息处理系统，对人脑神经系统的数学模拟，模仿人类的信息处理方式。这一系统是根据汽轮机振动信号分析原理方法和故障特征提取方法，通过神经网络和Matlab软件的信号处理相结合以及GUI界面编程构建汽轮机振动故障的识别系统。这一系统主要是收集汽轮机的振动信号，并进行一系列的数据处理，最终给出振动类别的判断。

首先安装信号采集系统，在汽轮机头、各个振动点安装机械箱和吸纳红采集装置，然后对信号进行采集，并把数据保存在特定文件里，方便进行观测与处理。并将信号进行消除多项趋势以及小波的降噪，进行基于小波能量的提取并保存。

这样就可以对其进行故障特征向量的提取并进行小波包重构信号特征的向量处理。将经过处理的特征向量作为测试诊断的样本。

由上可知，这一系统具有相当程度的准确性、方便性、快速性。通过这一系统，我们可以快速地判断汽轮机振动原因，在造成较大事故之前，就能及时发现其故障趋势，及时进行调整与维修。要注意这一系统需要进行大量的实验，并对实验数据进行收集，实验数据越多，参数越多，效果越好。

3.2 油膜失稳和油膜振荡的防止措施

在汽轮机的设计阶段，我们就应该提高轴系的稳定裕度和系统阻尼，在现场运行和检修的过程中，要注意避免降低轴系的稳定性的操作和检查工艺。对于轴承的维护是防止油膜失稳的有效手段，因为油膜失稳的根源就是滑动轴承。轴承的无量钢承载系数如下：

式中：P是比压，是转速。消除油膜失稳首先可以增大轴承的负载W或者是增大比压P，这要求减少轴承的宽度L。但是也要注意这些会造成瓦温和油温的升高；其次可以增加间隙比，但是也会造成轴颈在轴承中的定位问题；最后是减少润滑油的动力黏度，提高油温能，增大承载系数。但是这种方法会减少最小油膜厚度，润滑油保持在高温的状态下长期工作，容易使油质发生老化。

3.3 气流激荡的防止措施

气流激荡在我国发生得比较少，但我们也不能因此就放松警惕。在这一方面，首先可以利用反漩涡技术干扰流体的周向运动，逆向注入流体，提高失稳的界限转速。这种技术可以衍生出大量有效的主动控制手段，不会对汽轮机造成损害；其次，可以通过增加轴颈在轴承中的偏心率，减少振动发生的情况；最后，可以改变轴承的几何形状，扰乱周向旋流，减少它的切向力强度，提高转子的稳定性。

3.4 其他原因造成的振动防止措施

膨胀不均主要是受热或者是加热受阻引起的，解决方法就是在启动前，检查一遍汽轮机，查看管道是否通畅，运行时是否有积水没有排泄干净，并且要注意疏水时有没有疏水寄存在主管道或者是机体之中，如果有的话需要清理干净。主热汽温压力与金属汽缸配置不协调的原因是运行参数设置不正确或者是机械使用时间过长，造成一定程度的运转失灵，这时需要仔细检查各项机械有没有变形情况发生，及时进行故障设备的更换，调整运行参数。动静摩擦主要是由于设计的不合理和机械设备的损害造成的，我们只需要降低一些对于汽轮机效率的要求，更换损毁的零件就能有效预防动静摩擦，或者也可以增加油脂，加强动静间的润滑。

自激振动主要是因为运行参数设计的不合理，这需要在运行中调整运行参数，并对机械进行有效的保养。转子损坏就需要对机械进行维修与更换，并在平时维修、保养时给予注意。

4 结语

汽轮机的安全运行是电厂工作的核心，无论是从零件、机械的选购还是安装和平时的维护，都需要我们引起注意。目前，由于对于机械效率要求的提高，在汽轮机稳定运行的方面要求有所降低。但是，我们一定要注意两者的平衡，保障发电厂安全生产，稳定供电。

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作者简介：姜微（1988-），男，黑龙江双鸭山人，供职于神华国能宝清煤电化有限公司，研究方向：火电厂集控运行、电气工程及其自动化。

（责任编辑：陈 洁）