探讨从安装及运行角度谈汽轮发电机异常振动原因

2020-12-09秦辽亮

中国金属通报 2020年19期

秦辽亮

（中国电建集团河北工程有限公司，河北石家庄 050021）

汽轮发电机属于转动机械，不可避免的会出现振动，如果只是细微的振动，通常不会对机组的安全运行造成影响。可是，如果振动幅度超出了一定标准，汽轮发电机组的一些零部件就很可能因振动而遭到破坏。当零部件损坏后，零件之间也会产生异常摩擦和振动，在恶性循环中进一步危害设备性能。

1 汽轮发电机的主要结构

汽轮发电机主要由转动部分、静止部分两大结构组成，转动部分包括连轴承叶轮主轴与运动叶片；静止部分主要指的是轴承隔板汽封。在高温、高压环境下，转动部分会以较高的转速运行，这也是汽轮发电机的工作模式。汽轮发电机还包括发电机锅炉凝气装置等配套装置，是一种兼并型的重型机械设备。由于是在高温、高压下运行，因此汽轮发电机的功率要远高于传统的往复式蒸汽机。安全是设备运行的首要原则，在连续性的高速运转下，单位面积所产生的蒸汽流量极大，一旦发生运行故障，就会泄露蒸汽温度与压力，特别是大功率的汽轮发电机，产生的热效率极高，正因如此，研究汽轮发电机运行的安全性、耐用性、可靠性具有十分重要的现实价值。随着近年来科学技术的不断进步，汽轮发电机的性能已经有了极大改善，如何维护汽轮发电机的安全运行成为各大电厂日常工作中的重点内容。

2 汽轮发电机异常振动的原因分析

2.1 安装原因

安装过程中，如果操作不规范，安装流程错误，就很容易埋下安全隐患，汽轮发电机出现异常振动，一方面与安装质量有关，另一方面也与基础或者管道有关。比如转动部分的质量不平衡，机组中各转子没有很好的对中，受热部件在安装时没有预留出热膨胀的空间，轴承和轴瓦的安装间隙不合理，部分机件的配合尺寸不合乎要求，轴承座中瓦壳没有良好固定，以及轴瓦巴氏合金出现龟裂和脱层，机组基础不符合安装要求等。

2.2 轴承座的安装

除了严格按照相关规范标准安装以外，还要保证轴承座的几何中心与轴颈的承力中心相互重合。否则，汽轮发电机在运行状态下，轴承座的底面和基础面很容易贴合不紧而产生轴向振动。除此之外，还应严格参考图纸中的数据参数明确汽轮机和两端轴承的标高，合理分配负荷，以免机组发生自激振动。如果两端的轴承负荷没有合理分配，那么负荷较大的一端，轴瓦钨金温度会更高，很容易因此而产生碾瓦现象，导致机组的异常振动。

2.3 低压缸排汽口和凝汽器颈部的安装

工作人员需要把百分表设置在汽封洼窝处和低压缸的四个支撑脚部位，用来保证施工过程中不会被外力影响，避免低压缸在外力作用下而变形，最终导致机组中心偏移而发生振动。

2.4 汽缸和缸内部件的中心找正

工作人员应严格按照图纸设计与相关规范施工，保持缸体中心和隔板中心的一致、转子中心和转扳中心的一致，不然就会导致动静间隙不均匀，汽轮发电机运转过程中，蒸汽会不均匀的泄露在圆周上，导致间隙的自激振动。动静部分的中心如何严重超标，也很容易引发动静的相互摩擦，造成转子热弯曲、运动不稳定等各种问题，最终出现强迫振动现象。

2.5 轴系的安装

水平摆放转子时，可能会受到转子自重的影响而产生静挠曲，所以安装完各机组的转子后，还会把转子的重心线连接在一个光滑、连续的曲线上，从而维持各轴承的负荷一致。以此为基础来连接整个转子，才能维持转子运行的良好稳定性。明确转子扬度后，还要确定汽轮发电机的纵向水平，最后确定各个轴承的负荷、轴向力、转子受力以及转速。联轴器和轴颈要保持重心，用连接螺栓使二者对称，保证转子即使在旋转状态下，仍能避免轴系同心度、平直度不符合标准而产生的振动激振力，有效避免机组的异常振动。

2.6 轴承的安装

目前很多汽轮发电机的转子轴采用的都是可倾瓦式，不仅稳定性良好，而且还能有效防止油膜的异常振动。采用可倾瓦式的轴承安装，能够维持可倾瓦的自由摆动，既可以提高支撑柔性，又能吸收转轴的振动能量，从而达到理想的减振效果。安装轴承时，支撑轴承的轴承盖和轴瓦之间要维持合理的紧力，支撑轴承的垫块，必须要达到可以承受轴承重量的标准，同时也要具备承受转子运转时所形成的离心力的能力。安装时应保证垫块的均匀承重，避免出现强烈的异常振动。

2.7 滑销系统的间隙调整

汽轮发电机运行时，缸体会在高温高压的作用下产生热膨胀，为了避免这一现象，需要将滑销设计在缸体上，从而引导汽轮发电机组按照既定方向自由的膨胀与收缩。工作人员应严格按照规范标准安装，预留出销槽间隙，保证滑动面的光滑与平整。

2.8 空气间隙与磁力中心的安装

当电力经过发电机转子后，会产生大量热量，导致大电机的转子和定子之间出现不均匀的气隙，造成因电磁性能不良而引起的机组异常振动。

3 运行原因

汽轮发电机的错误运行操作、过度损伤和磨损都会引起异常振动，比如蒸汽轮机转子、变速器齿轮轴、联轴器上的一些转动零件出现变形、脱落、松弛、腐蚀、移动；更换回转体零件但有没有做好平衡，导致回转体重心位置发生变化，轮子原本的平衡状态被打破；启动汽轮发电机之前，没有进行均匀预热造成机壳变形，机组内部的静止部件间隙不一致；机组运行的转速太接近实际的临界转速，产生共振；管路和机组的连接不符合要求；汽缸内部的转动部件和汽封偏心，蒸汽出现自激振荡而引发异常振动。

（1）启动汽轮发电机时，如果暖机时间不足、负荷过大、升速过快，则汽缸很容易出现不均匀受热膨胀的现象，导致滑销系统的异常运行，还会造成汽缸对转子的偏斜，汽轮发电机组由此出现异常位移和振动。

（2）汽轮发电机启动的过程中，如果进入冷气、冷水，则汽缸会因为突然性的冷却而发生拱背变形，造成转子的摩擦。在高温状态下，转子一旦遇到冷水和冷气，下半部便会冷却，引起表面收缩，导致转子的弯曲和变形，汽轮发电机因此出现异常振动。

（3）如果汽轮发电机内部进入了蒸汽（水）就会产生水冲击，增加转子轴向推力以及不平衡的扭力，转子会因此产生强烈振动。

（4）如果汽轮发电机的转子、静子之间的间隙不均匀，或者出现线圈短路故障，也会引起机组的异常振动。

（5）汽轮电机组运行时如果出现真空下降，低压缸的排气温度就会上升，后承轴受热，破坏机组，因此出现异常振动。

（6）如果汽轮发电机组的进汽温度突破了设计标准，就很容易造成汽缸的严重变形，机组中心的移动也会超出设计标准，引起异常振动。

（7）如果油膜遭到破坏或者失去稳定性，则轴瓦钨金就会被烧毁，因受热而引起轴颈弯曲，导致异常振动。

4 汽轮发电机异常振动的危害性

（1）造成发电机的转子损坏，励磁机整流子出现不均匀的磨损，椭圆度太大，导致电刷冒火。

（2）转子和汽封环之间产生摩擦，造成损坏，汽封间隙变大，加重了蒸汽耗损，转子的轴向推力变大，推力轴瓦的温度迅速上升，导致损坏。如果转轴部位产生摩擦，还会导致转子热弯曲，轴与轴承的振动幅度会更大。

（3）汽轮发电机严重振动，直接影响了保护仪表，甚至还会促使保护仪表出现误动作，导致停机。

（4）滑销系统的磨损会造成机组膨胀、失常。

（5）会增大部分零件的动应力，导致零件因过度疲劳而损坏，尤其容易造成轴瓦钨金破碎。

（6）异常振动会发出很大噪音，影响工作人员的状态。

（7）发电机定子与线圈的异常振动会让铁芯温度过高而损坏，导致绕组和绕组之间出现对地短路。

正是因为汽轮发电机异常振动具有较大的危害性，所以及时排查、维修故障，保证汽轮发电机的安全运行十分重要。汽轮发电机的运转过程涉及到汽体三种状态的转变，能量先从热能转化为动能，再从动能转化为电能。零部件的体积较大、数量较多，而且结构复杂，所以异常振动产生的原因也比较复杂，像台板接触不良、轴承座松动等故障是肉眼可见的；而转子热弯曲、转子不平衡、系统共振等故障很可能多次探查也无法发现。即使是直观可见的异常振动，也未必能通过一次性的解体寻找而发现，所以故障的排查具有一定难度，只能通过演绎推理，将故障特点作为基础，结合异常振动的特点进行对比分析，或者通过逐个排除法来判断异常振动的性质、故障发生原因和故障部件。

5 汽轮发电机异常振动分类与检测方法

5.1 振动分类

每一种振源的振动特点都具有多重反映，以转子不平衡这一简单的振动故障为例，在升速过程中，转子可以产生强烈振动，也可以产生微弱振动。不同振源所引起的振动特点可以是相同的，比如转子严重不平衡，就会造成过大的基频振动。还有支撑的刚度不足、平直度偏差、轴系连接同心度等故障，同时是基频振动过强。因此，振动故障和震动特征之间并非是相互对应的关系，而是多重交叉的关系。

要想在各种各样的异常振动故障中通过振动特征来明确故障显然是不现实的，因此要探究一种振动分类方法，让振动故障源不产生交叉，振源所引起的各种振动故障也不交叉，才能更准确的辨识和诊断故障。可以根据异常振动的性质，通过振动频率或者不同频率下的振动分量可以将振动故障分为普通强迫振动、电磁振动、拍振、汽流激振、随机振动、轴瓦自激振动、参数震动、汽流激振、摩擦涡动、高次谐波共振、分谐波共振等几种性质。

每一种异常振动故障又包括两方面的故障原因：一是激振力、二是支承动刚度。在异常振动较大的情况下，怎样确认、排除故障原因，是在振动分类后进行故障诊断的首要工作。实践表明，通过检测轴承座动刚度能够快速的明确故障。