浅谈火电厂汽轮机振动故障排查及分析

孟新峰

摘 要：汽轮机组的异常振动是汽轮机常见故障中较为复杂的一种故障，由于机组的振动往往受多方面的影响，只要跟机本体有关的任何一个设备或介质都会是机组振动的原因。本文从进汽参数、疏水、油温、油质、等方面进行了分析研究，提出了火电厂汽轮机的常见振动故障的排查及分析方法。

关键词：汽轮机 振动故障 排查处理

1 、火电厂汽轮机发展概述

火力发电是现代社会电力发展的主力军，火力发电站是将热能转换为电力的发电厂，主要设备为汽轮机，汽轮机由是蒸汽驱动的、水被加热、变成蒸汽来旋转驱动发电机的蒸汽汽轮机。在通过汽轮机之后，蒸汽在冷凝器中冷凝并且再循环到其被加热的地方，这被称为朗肯循环。火力发电站设计的最大特点是化石燃料在这里占主导地位，某些火力发电厂还被设计为产生用于工业目的的热能，以用于区域供热或水的脱盐以及产生电力。化石能源经常在燃气轮机以及锅炉中燃烧，来自燃气汽轮机的废热以热废气的形式可以用于通过使该气体通过热回收蒸汽发生器（HRSG）来产生蒸汽，然后蒸汽被用于在联合循环中驱动蒸汽汽轮机提高整体效率。电站通常大规模构造并且设计用于连续操作，几乎所有的电力发电厂都使用三相发电机来产生频率为50Hz或60Hz的交流电（AC）电力。大公司或机构可能有自己的发电厂为他们的设施供热或供电，特别是如果蒸汽用于其他目的。蒸汽驱动的汽轮机驱动发电机，该发电机为用于推进的电动机提供动力。通常称为联合发电厂的联合热电厂产生用于过程热或空间加热的电功率和热量。传统火力发电站的能源效率，被认为可销售能源产生的燃料消耗的热值的百分比通常为33%至48%。与所有热力发动机一样，它们的效率有限，并受热力学定律支配。在功率生产中未使用的热量的能量必须以对于环境的热的形式离开设备。这种废热可以通过冷凝器并与冷却水一起或在冷却塔中处理。如果废热用于区域供热，则称为热电联产。正在研究的一些先进反应器设计，例如非常高温的反应器，先进的气冷反应器和超临界水反应器，将在类似于当前煤厂的温度和压力下操作，产生相当高的热力学效率。

火电厂汽轮机控制系统在生产过程中的作用非常重要，但是其在运行中往往会出现一些故障，对其进行应急处理，并做好预防措施就显得非常重要。通过对火电厂汽轮机控制系统中比较常见的一些故障进行分析，总结提出了一些故障的处理方法和预防措施，以供相关电厂来作为提高汽轮机控制系统稳定性、安全性和可靠性的参考。

2、 火电厂汽轮机的振动故障

2.1 油膜振荡

通常情况下，油膜振荡多发生在发电机组启动提速阶段，而该振动故障产生的原因是轴承油膜上发动机转子在进行高速旋转，在旋转过程中转子会受到一定的载荷作用，并对其运行的稳定性造成一定的破坏。在正常情况下，轴承油膜上的发动机转子是一直处于稳定运行的，且转轴以轴线为中心进行高速旋转，一旦其稳定性遭到破坏，那么轴颈转速也会随之增加。由于蒸汽回路和所用材料中使用的高压，蒸汽汽轮机及其壳体具有高的热惯性。当预热蒸汽汽轮机以供使用时，主蒸汽停止阀（在锅炉之后）具有旁路管线，以允许过热蒸汽缓慢地旁通阀门，并且与蒸汽汽轮机一起继续加热系统中的管线。此外，当没有蒸汽时，接合转动齿轮以使汽轮机缓慢旋转，以确保均匀加热，从而防止不均匀膨胀。在首先通过旋转齿轮旋转汽轮机之后，允许转子采取直线平面的时间，然后旋转齿轮脱离接合，并且蒸汽进入汽轮机，首先到达后退叶片，然后缓慢地到达前叶片以10-15RPM旋转汽轮机以使汽轮机缓慢加热，大型蒸汽轮机的预热程序可能超过十小时。这样一来，会使得轴承和转子之间的摩擦耗能增加，使得轴系临界转速减慢，油膜压力增加，最终导致汽轮机油膜振荡故障产生，并对整个发动机机组运行稳定性造成影响。

2.2 气流激振

一般情况下，汽轮机组中的高中压转子是发生汽流激振的主要部件。其原因是汽轮机内流中的蒸汽会发生一定程度的膨胀，这样一来，一方面会使高中压转子产生切向力转矩，另一方面还会产生一个从高压端到低压端的轴向力。过热蒸汽或饱和蒸汽在高温和高压下离开锅炉，在进入汽轮机时，蒸汽通过喷嘴和脉冲式汽轮机中的固定喷嘴或反应式汽轮机中的固定叶片获得动能。当蒸汽离开喷嘴时，其以高速朝向涡轮转子的叶片移动。由于叶片上的蒸气的压力导致叶片移动，因此在叶片上产生力。发电机或其他这样的装置可以放置在轴上，并且可以存储和使用在蒸汽中的能量。涡轮机的内部包括若干组叶片或轮叶， 一组固定叶片连接到壳体，一组旋转叶片连接到轴。该组与某些最小间隙相互啮合，其中尺寸和构造变化以有效地利用每个阶段的蒸汽膨胀。蒸汽作为饱和蒸气以比其进入的温度和压力低的温度离开汽轮机，并且被送到冷凝器以被冷却。在这两种作用下高中压转子的叶片会在不均匀汽流的冲击作用下使汽轮机转子发生汽流激振这一故障，工作状况如表1.

2.3 摩擦振动

在长时间运行状态下，汽轮机转动部分如叶栅、叶轮主轴等会在外力和高温条件等作用下产生一定的热弯曲故障，进而对转动部分原来的稳定状态造成一定的破坏，最终产生摩擦振动故障。在正常操作期间，转子不平衡可能导致振动，由于高旋转速度，这可能导致叶片从转子和通過壳体脱离。为了降低这种风险，需要大量的时间来平衡汽轮机。此外，汽轮机使用高质量蒸汽运行，包括过热蒸汽或饱和蒸汽，这防止了当冷凝水喷射到叶片上时发生的叶片的快速冲击和侵蚀。此外，进入叶片的液态水可能损坏汽轮机轴的推力轴承。为了防止这种情况，连同锅炉中的控制器和挡板以确保高质量的蒸汽，冷凝物排出管安装在通向汽轮机的蒸汽管道中。为了最大化涡轮机效率，蒸汽在多个阶段中膨胀做功。这些阶段的特征在于如何从它们中提取能量，并且被称为脉冲摩擦涡轮机。大多数蒸汽轮机使用反应和冲击设计的混合，整个涡轮机结合使用两者。在这种情况下，汽轮机振动信号仍保持在工频状态，但是在转子以及其他因素的作用下会经常发生分频、倍频以及高频分量的现象，甚至有时还会有波形削顶这一异常现象的发生。另外，汽轮机转子产生摩擦振动故障情况下，其振动频率和幅值存在波动的基本特征，一旦这种故障存在时间过长，那么将会导致涡动现象的发生。

3 、振动故障的影响因素及排查

3.1 影响因素

3.1.1 燃料设备

燃料准备系统用于将煤输送到发电厂的输送系统在燃煤发电站中，来自储煤区的原料煤首先被压碎成小块，然后输送到锅炉，接着将煤粉碎成非常细的粉末。减速齿轮减速机是用于在停机后以非常低的速度旋转涡轮发电机轴的机构，当其完全停止时，如果允许涡轮轴保持在一个位置过长，则存在涡轮轴偏转或弯曲的趋势。这是因为汽轮机壳体内部的热倾向于集中在壳体的上半部分中，使得轴的上半部分比下半部分更热。油系统辅助油系统泵用于在蒸汽涡轮发电机的启动时供应油，它提供蒸汽轮机主进汽阀、控制控制阀、轴承和密封油系统，相关液压继电器等机械所需的液压油系统。在启动期间汽轮机的预设速度下，由汽轮机主轴驱动的泵接管辅助系统的功能。使用在油密封的壳体中的氢气冷却，因为它具有任何气体的最高已知传热系数和其低粘度，这降低了风阻损失。发电机高压系统现代实用连接发电机的发电机电压范围从较小单位11 kV到较大单位30 kV。发电机高压引线通常是大型铝通道，因为与用于较小机器中的电缆相比它们的电流高。它们被封装在良好接地的铝母线管道中并且被支撑在合适的绝缘体上。发电机高压引线连接到升压变压器，用于连接到高压变电站，以便由本地电网进一步传输。高压导线包括必要的保护和计量装置。因此，蒸汽涡轮发电机和变压器形成一個单元。较小的单元可以共享具有单独的断路器的公共发电机升压变压器，以将发电机连接到公共总线，主要需要考虑的设备参数如图2.

3.1.2 电力设备

汽轮发电机转子是一个高速旋转的机械，如果转子的质心与旋转中心不重合则会因为转子的不平衡而产生一个离心力，这个离心力会对轴承产生一个激振力而使之引起机组振动，如果这个离心力过大，则机组的振动就会异常。所以，汽轮发电机转子在装配时每装配一级叶片都应该对该级叶片进行动平衡试验，整个转子装配完成后在出厂之前还应该对整个转子进行低速和高速动平衡，以确保转子的不平衡量在一个合格的范围内。当机组的膨胀不充分时，极易引起机组的动静碰磨而产生振动。润滑油在轴瓦内形成的油膜如何又是影响转子稳定性的一个重要影响因素，油膜的形成除了与轴承乌金有关外，还有一个重要因素就是润滑油油温，润滑油油温应该在一个合理的范围内，过高过低都对油膜的形成不利。

具有调速器的汽轮机的控制是必要的，因为汽轮机需要缓慢地运转以防止损坏，并且一些应用（例如产生交流电）需要精确的速度控制。涡轮转子的不受控速度可导致超速跳闸，这导致控制到涡轮的蒸汽流的调节器和节流阀关闭。如果这些阀失效，则汽轮机可以继续加速，直到其分裂，通常有是灾难性的后果。汽轮机制造昂贵，需要精密制造和特殊质量的材料。在与电网同步的正常操作期间，发电厂需要实现智能控制，这意味着满载速度为100%，空载速度为105%。这是网络的稳定操作所需的，而不需要发电厂的过载运行。通常速度的变化很小，通过增加离心调速器上的弹簧压力来缓慢地升高曲线来进行功率输出的调节，这是所有电厂的基本系统要求，因为电厂必须响应于频率的瞬时变化而兼容，而不依赖于外部通信。

3.2 排查方法

转子质量不平衡的一般特征：最关键的特征是稳定的工频振动在整个信号中占主要成分。汽轮发电机组转子的质量不平衡产生的原因有三个：原始不平衡；转动过程中的部件飞脱、松动；转子的热弯曲。其中原始不平衡是主要原因。 在汽轮机中，转子叶片本身布置成形成会聚喷嘴 这种类型的涡轮利用当蒸汽通过由转子形成的喷嘴加速时产生的反作用力。蒸汽通过定子的固定叶片被引导到转子上。 其作为填充转子的整个圆周的射流离开定子。 然后蒸汽改变方向并相对于叶片的速度增加其速度。压降发生在定子和转子两者上，蒸汽通过定子加速并且通过转子减速，没有跨过级的蒸汽速度的净变化，但是压力和温度两者都减小，反映了在驱动转子的能力上。

转子热弯曲引起的质量不平衡的主要特征是工频振动随时间的变化。转子热弯曲产生的原因：新机转子的热弯曲一般来自材质热应力。只要没有使转子发生永久塑性变形，这类热弯曲都是可以恢复的，引起热弯曲的根源消除后，工频振动大的现象也会随之自行消失。汽轮机具有固定的喷嘴，其将蒸汽流定向成高速喷射。这些射流包含显着的动能，当蒸汽射流改变方向时，这些动能通过桶状形状的转子叶片转换成轴旋转。压降仅在固定叶片上发生，跨过载物台的蒸汽速度净增加。 当蒸汽流过喷嘴时，其压力从入口压力下降到出口压力，由于这种高的蒸汽膨胀比，蒸汽以非常高的速度离开喷嘴，离开动叶片的蒸汽在离开喷嘴时具有蒸汽的最大速度的大部分。

在传统火电设备的监测与维护中，程序较为复杂，需要定期进行停电校验，通过较大的整定工作量来修改远方参数。传统火电站的二次设备较多且较为笨重难以移动，组件复杂，调压能力较差，对自动装置的整定工作控制力较差。采用固定的模式进行传统火电站配置，灵活度较低，二次设备通过较多的电缆和空触点来进行连接。系统功能较为单一，主要包括监视和保护，通过模拟信号来交换通讯信息，模拟信号占用空间较大，造成信息控制困难、效率低下，同时安全性也大打折扣。另外，成本较高，改变接线困难度高，小部分改动就可能引起大规模的接线修改。随着现代机组动静间隙变小，碰摩的可能性随之增加。碰摩的诊断是目前具有一定难度的主要振动故障。每年全国都会有几台大机组发生动静碰摩而出现大振动，但在处理过程中却往往要走弯路。需要进行多次开机，平衡加重或支撑加固，为此延误数周已是常事。最终开缸检查，方发现汽封或通流部分已严重摩擦。碰摩原因：转轴振动过大。

4、 总结与展望

人民生活离不开高效的电力生产，本文建立在火电厂汽轮机维护基础上的故障分析方案，通过对汽轮机维护的定义和一般故障特征的分析，将火电厂汽轮机维护与故障排查处理方案进行了综述与阐明，将其应用进行了讨论与分析说明。随着火电厂汽轮机维护技术的发展，我国火力发电也将不断进步。由此也可以看出，传统的火力发电模式已经不再适合大功率电力的提供与建设。优化活力发电方案是火力发电企业顺利建设和正常运作的一项极为关键的组成部分，在确保且提升总体运作效果与工作效能方面，具备极为重要的推动作用。火力发电的高效与智能化是一条光明而曲折的路，在这条路上会出现很多难题与挑战，这个任务长期而又艰巨，需要结合实际生产经验，不断地进行总结归纳。为实现自身的长远发展而进行大胆革新，利用创新思维进行现代化建设，大踏步地走向高效安全的火力发电目标。

参考文献

[1]安浩然.发电厂风机常见振动故障及处理[J]. 黑龙江科技信息. 2016（27）

[2]应光耀，吴斌.发电厂风机常见振动故障及处理[J].浙江电力. 2013（02）

[3]尚龙.汽轮机常见振动故障和诊断方法探析[J]. 科技创新与应用. 2013（25）