尤國林 黃令

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000）

0 研究背景及意義

在熱不平衡作用下， 轉(zhuǎn)子會形成熱彎曲， 這是當(dāng)前汽輪發(fā)電機(jī)組較為常見的一種振動故障[1]。學(xué)者們通過構(gòu)建模型的方式對轉(zhuǎn)子熱彎曲的形成機(jī)制及其振動特性等方面的研究較多， 對于轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲故障的反向求解研究較少， 本文基于工程實(shí)際， 探究面向一般電廠工程技術(shù)人員， 可適用于電廠汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲振動故障的診斷方法。

1 汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲振動診斷思路

基于現(xiàn)場機(jī)組啟動能耗費(fèi)用、 振動安全以及工程周期等考慮， 在電廠機(jī)組沖轉(zhuǎn)次數(shù)有限的情況下盡可能收集最多故障參數(shù)， 根據(jù)監(jiān)測到的相關(guān)振動特征或現(xiàn)象去逆向比對轉(zhuǎn)子熱彎曲的特征數(shù)據(jù)庫， 對機(jī)組的熱彎曲故障類型進(jìn)行最大可能匹配和定性， 然后基于某一類故障或某類誘因而展開的故障樹， 通過特定的條件響應(yīng)試驗(yàn)去正向地進(jìn)一步排除和精確查找故障因素， 最后制定和實(shí)施相關(guān)處理方案并進(jìn)行最終效果驗(yàn)證。 該故障診斷思路流程見圖1。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲振動的診斷思路流程

根據(jù)故障診斷流程圖， 需提前對汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲故障進(jìn)行振動特性的提煉， 構(gòu)建特征數(shù)據(jù)庫， 并對各類轉(zhuǎn)子熱彎曲的誘因繪制完整的故障樹， 以及總結(jié)一些常用的條件試驗(yàn)方法。

2 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動特征庫的構(gòu)建

2.1 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動的特征量選取

根據(jù)轉(zhuǎn)子熱彎曲振動的特性[2-3]，結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)際參數(shù)收集的可操作性， 確定汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動的13 個特征量： 頻譜特性、 相位穩(wěn)定性、 軸心軌跡特性、 冷態(tài)與熱態(tài)啟動的對比特性、 振幅與提高蒸汽溫度相關(guān)度、 振幅與升速相關(guān)度、 振幅與定速相關(guān)度、 振幅與升負(fù)荷相關(guān)度、 振幅與定負(fù)荷相關(guān)度、 降速振幅與升速振幅對比度、 停機(jī)偏心值、 振動與勵磁電流的相關(guān)度、 振動與電機(jī)冷卻介質(zhì)溫升的相關(guān)度等。

此13 個特征量， 組成一組向量， 定義為A，即A=（a1、a2、a3、a4……a13）。

2.2 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動特征量的數(shù)值化規(guī)則

根據(jù)工程案例或經(jīng)驗(yàn)， 對13 個振動特征量的不同狀態(tài)或者與相關(guān)物理量的敏感狀態(tài)程度予以標(biāo)記， 并從0 開始進(jìn)行整數(shù)賦值， 得出轉(zhuǎn)子熱彎曲振動特征量賦值規(guī)則表， 見表1。

表1 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲特征量賦值規(guī)則

續(xù)表1

2.3 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動特征數(shù)值庫

根據(jù)誘因類別， 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲振動故障可分動靜碰磨、 轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均勻、 轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力過大、 轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油、冷水（汽）沖擊、 加熱不均勻、 轉(zhuǎn)子平衡面不當(dāng)致柔性蠕變彎曲、 轉(zhuǎn)子熱態(tài)靜置彎曲、 發(fā)電機(jī)匝間短路、 發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)故障、 發(fā)電機(jī)氣隙不均勻等。 按前述的振動特征量賦值規(guī)則， 對各類轉(zhuǎn)子熱彎曲進(jìn)行賦值后，得到轉(zhuǎn)子熱彎曲振動特征庫數(shù)值庫， 見表2。

表2 汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲振動特征數(shù)值庫

3 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動的故障樹繪制

汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)子熱彎曲故障數(shù)的繪制遵循從上而下， 層層細(xì)分的原則，根據(jù)相關(guān)理論的故障誘因列舉所有可能， 繪制故障樹如圖2～4 所示， 其中圖2 是故障樹主層， 圖3～4 是對主層中的徑向碰摩、 軸承標(biāo)高變化的支層拓展， 主層中的真空低、 上下缸溫差大等仍可繼續(xù)進(jìn)行支層拓展， 因篇幅所限不再一一列舉。

圖2 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動分析故障樹

圖3 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動故障樹拓展1

圖4 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動故障樹拓展2

4 基于故障樹的條件試驗(yàn)方法歸納

在汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組某一確定類型的轉(zhuǎn)子熱彎曲正向精確診斷中， 基于故障樹中特定類型分支，可針對性的設(shè)定輸入條件， 根據(jù)響應(yīng)特點(diǎn)逐一對應(yīng)驗(yàn)證故障要因， 以便確定整治方案。

常用的條件試驗(yàn)方法歸納如下：

（1）定速暖機(jī)或低負(fù)荷暖機(jī)

定速暖機(jī)或低負(fù)荷暖機(jī)主要是觀測振動與時間的相關(guān)性， 確認(rèn)振動是否穩(wěn)定。 此時一般保持蒸汽參數(shù)、 轉(zhuǎn)速、 負(fù)荷、 油溫、 真空等參數(shù)均不變的情況下， 觀測振動的振幅、 頻率、 相位、 軸心軌跡等變化情況， 區(qū)分出疑似轉(zhuǎn)子熱彎曲的質(zhì)量不平衡故障等。 圖5 是輕微碰摩情況下， 機(jī)組在特定負(fù)荷下維持25 h 的振幅觀測趨勢。

圖5 定負(fù)荷條件下觀測振幅隨時間變化趨勢

（2）變負(fù)荷試驗(yàn)

變負(fù)荷試驗(yàn)適用于判定聯(lián)軸器是否松動、 汽缸和轉(zhuǎn)子的相對脹差變化對軸向碰摩的影響、 通流徑向間隙的變化對徑向碰摩的影響等。

（3）變進(jìn)汽參數(shù)試驗(yàn)

變進(jìn)汽參數(shù)， 可以檢驗(yàn)汽輪機(jī)組在不同壓力、溫度、 流量下的軸向推力、 汽缸和轉(zhuǎn)子的相對脹差變化對軸向碰摩的影響、 通流部分徑向間隙的變化對徑向碰摩的影響。

（4）變真空試驗(yàn)

真空大小會影響缸體變形、 軸承座的標(biāo)高、通流部分徑向間隙。 通過改變真空可以測試缸體垂直向上的絕對位移以及軸頸在軸承中的靜態(tài)位置， 通過實(shí)驗(yàn)可協(xié)助進(jìn)行多項故障的分析和判斷。

（5）變發(fā)電機(jī)電氣參數(shù)試驗(yàn)

通過變勵磁電流試驗(yàn)， 改變有功無功功率、發(fā)電機(jī)冷卻介質(zhì)等實(shí)驗(yàn)， 可以很好驗(yàn)證由于匝間短路、 電磁振蕩以及由此導(dǎo)致的轉(zhuǎn)子熱彎曲。

（6）結(jié)構(gòu)變更的專項試驗(yàn)

根據(jù)需要， 實(shí)施局部試探性試驗(yàn)， 如優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)、 優(yōu)化支撐剛度試驗(yàn)、 優(yōu)化支撐剛度激振試驗(yàn)、 優(yōu)化軸承標(biāo)高試驗(yàn)等。

5 逆向定性-正向精診的診斷實(shí)施

根據(jù)前述汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲的診斷思路構(gòu)建該類型振動的特征數(shù)值庫、 故障樹及二次正向精診的試驗(yàn)方法， 分別建立圖6～7 所示的逆向定性和正向精診的診斷流程圖。

圖6 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動逆向定性診斷流程

圖7 轉(zhuǎn)子熱彎曲振動正向精確診斷流程

6 轉(zhuǎn)子熱彎曲診斷的工程實(shí)例應(yīng)用

某電廠擴(kuò)建350 MW 工程5#新機(jī)首次并網(wǎng)帶負(fù)荷時反復(fù)存在6#軸振超標(biāo)問題而被迫停運(yùn)， 該機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)見圖8， 以下基于特征庫和故障樹的逆-正結(jié)合方法進(jìn)行診斷。

圖8 電廠5#機(jī)軸系結(jié)構(gòu)示意圖

6.1 振動特征提煉及故障逆向定性

針對機(jī)組振動情況， 調(diào)取調(diào)試期間各軸振的振幅歷史數(shù)據(jù)， 分析振動故障存在的特點(diǎn)：

（1）隨著汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的升高， 5X、 5Y、 6X、 6Y振幅不斷上升， 見表3 所示。

表3 升速過程中5～6 號軸振幅值情況

（2）降速時5X、 5Y、 6X、 6Y 振動明顯比升速同一轉(zhuǎn)速振動大， 升降速振動不可逆， 見表4。

表4 降速過程中5～6 號軸振幅值情況

（3）隨著負(fù)荷升高， 5X、 5Y、 6X、 6Y 測點(diǎn)振幅都升高， 負(fù)荷穩(wěn)定時， 5X、 5Y 振動幅值逐漸降低， 而6X 振幅一直上升至157 被迫停機(jī)， 見表5。

表5 帶負(fù)荷時每小時監(jiān)測5～6 號軸振幅值情況

（4）軸振平穩(wěn)， 熱膨脹、 脹差、 軸位移、瓦溫、真空、 主汽參數(shù)、 軸封參數(shù)、 真空等均無異常。

根據(jù)上述癥狀分析， 按振動特征量的賦值規(guī)則進(jìn)行賦值， 得：

對比轉(zhuǎn)子熱彎曲振動的特征數(shù)據(jù)庫， 確認(rèn)動靜剛性碰摩特征與之吻合， 因此將故障類型定性為轉(zhuǎn)子熱彎曲， 誘因?yàn)槠麢C(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生持續(xù)性碰摩。

6.2 正向條件試驗(yàn)分析和精診定論

鑒于碰撞強(qiáng)迫振動與碰摩熱彎曲強(qiáng)迫振動存在相似性， 制定的條件實(shí)驗(yàn)方案為： 架設(shè)本特利監(jiān)測儀器， 再次沖轉(zhuǎn)、 定速、 帶負(fù)荷， 監(jiān)測軸系各軸承振幅、 分頻、 相位， 觀察波特圖、 時域圖、瀑布圖等， 監(jiān)測結(jié)果及分析見表6～8， 圖9～11。

表6 定速3 000 r/min 時5～6#軸振μm

表7 定速3 000 r/min， 40 min 后4， 6#軸振μm

表8 250 MW 負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時5～6#軸振μm

圖9 升速過程中6X 軸振趨勢圖

圖10 帶負(fù)荷過程6X 軸振趨勢圖

圖11 帶負(fù)荷過程6X 軸振瀑布圖

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)， 分析： 機(jī)組定速3 000 r/min穩(wěn)定運(yùn)行后各軸振都在優(yōu)良范圍內(nèi)， 5 X、 5Y 軸振工頻相位反映工頻振動曾反向渦動； 機(jī)組帶負(fù)荷后， 6X 基頻振動幅值增大最多， 在機(jī)組帶270 MW 負(fù)荷時達(dá)104 μm； 帶負(fù)荷后主要是6X 軸振超標(biāo)較多， 需要處理。 機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定一段時間后，6X 軸振工頻分量變化較小， 可以采用動平衡措施進(jìn)行補(bǔ)償， 減小工頻振動幅值。

6.3 方案實(shí)施和效果驗(yàn)證

機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定一段時間后， 6X 軸振工頻分量變化較小， 相位也比較穩(wěn)定， 采用現(xiàn)場熱態(tài)動平衡補(bǔ)償來減小工頻振動幅值： 6#低壓平衡槽75°加重400 g， 5#低壓平衡槽255°， 加重質(zhì)量400。

經(jīng)處理后， 再次監(jiān)測6X 升速軸振趨勢圖、 升速及帶負(fù)荷軸振瀑布圖， 見圖12～13。 可見， 升速壓軸振6X 從2 100 r/min 開始隨著轉(zhuǎn)速升高的同時， 工頻振動大小逐漸減小， 帶負(fù)荷過程工頻振動降低， 最終機(jī)組總通頻振幅控制在合格范圍內(nèi)， 處理的效果較好。

圖12 帶負(fù)荷過程的6X 軸振瀑布圖

圖13 帶負(fù)荷過程的6X 軸振瀑布圖

7 結(jié)論

基于工程實(shí)際需要， 探究汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲振動故障診斷中所運(yùn)用的一種先逆向定性后正向精診的診斷方法， 該方法運(yùn)用于某電廠擴(kuò)建的1 臺350 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組振動故障分析，驗(yàn)證了工程指導(dǎo)可行性， 同時該探究過程中得到幾方面的分析成果：

（1）確定了轉(zhuǎn)子熱彎曲逆向定性診斷及正向精診的診斷流程。

（2）提煉出汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子熱彎曲故障的系列振動特征物理量， 并建立特征量的賦值規(guī)則。

（3）構(gòu)建了轉(zhuǎn)子熱彎曲振動的特征數(shù)值庫。

（4）繪制了轉(zhuǎn)子熱彎曲振動故障樹，細(xì)化誘因。

（5）歸納出基于故障樹的常用正向精診實(shí)驗(yàn)。

（6）工程實(shí)例運(yùn)用成功解決了轉(zhuǎn)子熱彎曲故障。