山西國錦煤電有限公司 王 鵬

1 引言

汽輪機(jī)發(fā)生故障會對發(fā)電站帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。隨著汽輪機(jī)組容量不斷增大，實施汽輪機(jī)組故障診斷非常重要。轉(zhuǎn)動機(jī)械會發(fā)生微小振動，異常振動是機(jī)組運轉(zhuǎn)中振幅增大到超過允許標(biāo)準(zhǔn)。異常振動是汽輪機(jī)隱患的綜合反映，新安裝設(shè)備機(jī)組必須經(jīng)過試運行測試軸承振動方可投入運行。汽輪機(jī)擔(dān)負(fù)火電廠發(fā)電任務(wù)的重點，出現(xiàn)故障影響機(jī)組的正常運行，機(jī)組振動故障診斷需要掌握科學(xué)分析能力，不能盲目采用現(xiàn)場高速平衡方法，要提出正確的根治措施[1]。

2 汽輪機(jī)振動故障與診斷技術(shù)

隨著科技的進(jìn)步，生產(chǎn)使用機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。設(shè)備組成部件相互關(guān)聯(lián)緊密耦合，機(jī)械設(shè)備與操作運行中發(fā)生高中故障降低預(yù)期功能。汽輪機(jī)運行中處于復(fù)雜的環(huán)境，機(jī)組出現(xiàn)振動過大造成運行中的故障，汽輪機(jī)組具有自動故障頻率高的特點，汽輪機(jī)振動故障嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。隨著節(jié)能環(huán)保管理力度加大對電廠設(shè)備可靠性提出新的要求，需要系統(tǒng)研究汽輪機(jī)振動故障形式，采取有效的診斷方法[2]。

2.1 汽輪機(jī)振動故障形式

汽輪機(jī)工作原理是利用渦輪式機(jī)械裝置將水蒸氣熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，汽輪機(jī)組具有單機(jī)功率大及使用壽命長等特點，長時間使用出現(xiàn)一些故障，需要根據(jù)出現(xiàn)異常振動制定針對性排查維修措施。振動是反映汽輪機(jī)組狀態(tài)常見的外部表現(xiàn)形式，汽輪機(jī)組大部分振動是與轉(zhuǎn)速同步振動信號。振動故障類型有多種，需要了解汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與動態(tài)性能，汽輪機(jī)振動按頻率分為基頻與倍頻振動，依據(jù)振幅方位分為橫軸向與扭轉(zhuǎn)振動；根據(jù)原因分為轉(zhuǎn)子軸系與機(jī)器零部件松動引起振動等。動靜摩擦的類型如圖1所示。

圖1 動靜摩擦的類型

汽輪機(jī)發(fā)生較大振動對設(shè)備與人身造成危害，對設(shè)備危害表現(xiàn)為動靜部件疲勞損壞，加速某些部件磨損，動靜部分發(fā)生摩擦降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。汽輪機(jī)組振動原因復(fù)雜，按照理論分析包括轉(zhuǎn)子動靜不平衡是制造質(zhì)量問題，轉(zhuǎn)子熱變形及磨損部件損壞造成等。汽輪機(jī)常見異常振動故障包括氣流激振、轉(zhuǎn)子熱彎曲與油膜振蕩等，汽輪機(jī)產(chǎn)生氣流激振主要部位是高中壓轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生由于高壓端向低壓端的軸向力，導(dǎo)致汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生氣流激振故障。

目前汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲故障大部分發(fā)生在冷態(tài)起機(jī)定速后帶負(fù)荷運轉(zhuǎn)階段，葉輪葉片受離心力產(chǎn)生的巨大應(yīng)力易發(fā)生彎曲變形，發(fā)生熱彎曲會引起摩擦振動等安全隱患。汽輪機(jī)摩擦是由于轉(zhuǎn)動部分葉珊等部件長期運行中受到發(fā)生熱彎曲破壞初始平衡專題產(chǎn)生異常，轉(zhuǎn)子受到?jīng)_擊影響出現(xiàn)分頻倍頻及高頻分量，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生摩擦振動頻率和幅值具有波動特性引發(fā)渦動現(xiàn)象[3]。

2.2 汽輪機(jī)振動故障影響因素

汽輪發(fā)電機(jī)組振動異常原因有多種，包括設(shè)計制造與安裝檢修等方面。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心不重合因不平衡產(chǎn)生離心力對軸承產(chǎn)生激振力引起機(jī)組振動，裝配后出廠前對轉(zhuǎn)子進(jìn)行高低速動平衡。產(chǎn)生汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡主要原因是機(jī)械加工精度不夠，機(jī)組設(shè)計不當(dāng)引起機(jī)組振動，如軸承選擇不當(dāng)因穩(wěn)定性較差汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡引起較大機(jī)組振動。汽輪機(jī)組安裝檢修中在軸承自身特性，機(jī)組中心與動靜間隙等方面影響機(jī)組振動。

機(jī)組大修中需要對汽輪機(jī)葉片結(jié)垢清理，轉(zhuǎn)子污垢會導(dǎo)致產(chǎn)生新的質(zhì)量不平衡?，F(xiàn)代汽輪機(jī)大軸留有中心孔兩端用封頭封堵，汽輪機(jī)組運行中潤滑油溫與機(jī)組膨脹導(dǎo)致發(fā)生振動，潤滑油在軸瓦內(nèi)形成油膜是影響轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的重要因素。潤滑油溫應(yīng)控制在合理范圍。汽輪機(jī)安裝檢修中受到軸承標(biāo)高特性與動靜間隙等因素的影響導(dǎo)致振動故障，運行中機(jī)組膨脹與潤滑油溫影響振動故障。機(jī)組的膨脹受滑銷系統(tǒng)的制約，運行人員操作不當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)膨脹不暢問題。

2.3 汽輪機(jī)振動故障診斷方法

設(shè)備故障診斷為了解運行狀態(tài)預(yù)測變化發(fā)現(xiàn)隱患，提出維修建議決策意見[4]。研究汽輪機(jī)故障機(jī)理是確保機(jī)組安全運行的前提，需要從汽輪機(jī)發(fā)生故障前相關(guān)征兆與客觀規(guī)律方面入手，汽輪機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)運行機(jī)理是科學(xué)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，通過開發(fā)計算機(jī)仿真軟件可以對典型常見汽輪機(jī)故障作出數(shù)學(xué)仿真，國內(nèi)外有許多分析汽輪機(jī)故障方法，頻譜分析法主要識別振源的位置，需要確定發(fā)生故障部位逐步分析高中低頻段頻譜，從工頻等方面分析確定轉(zhuǎn)子故障發(fā)生位置。碰摩故障時振動時域波形如圖2所示。

圖2 碰摩故障時振動時域波形

汽輪機(jī)組故障診斷是根據(jù)相關(guān)信號數(shù)據(jù)對故障定性，確定對應(yīng)解決辦法及實施處理方案。確定故障原因?qū)υ斐晒收蠙C(jī)理分析存在分歧，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子故障類型有多種，對典型故障準(zhǔn)確判斷可以滿足生產(chǎn)實際的需要。診斷方法是大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷常用的，通過測量機(jī)械外部振動判斷內(nèi)部故障，是對運行機(jī)械直接進(jìn)行振動測量對測得信號分析處理，根據(jù)比較結(jié)果判斷機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否破壞磨損等故障。

通過機(jī)械振動信號在頻域信號分析處理進(jìn)行機(jī)械故障診斷。目前汽輪機(jī)振動信號處理常用方法包括時域頻域分析法、瞬態(tài)信號分析法與數(shù)字濾波等。振動信號時域處理是對波形分析，提取有用的信息對時域內(nèi)信號進(jìn)行濾波放大等處理，確定實測波形最大幅值求取信號波形在不同時刻相似性，消除實測濾波的畸變狀況，確定波形與物理現(xiàn)象的聯(lián)系情況，對實測波形進(jìn)行相關(guān)分析。加窗傅里葉變換利用固定時間窗進(jìn)行時域局部傅里葉變換，小波變換保持高頻率信號具有較高的分辨率。

2.4 火電廠汽輪機(jī)組常見故障原因

火電廠發(fā)展可以滿足人們的用電安全性，加強(qiáng)汽輪機(jī)組設(shè)備管理對火電廠生產(chǎn)效益具有重要作用?；痣姀S汽輪機(jī)在長期高溫高壓環(huán)境下容易產(chǎn)生各種故障，汽輪機(jī)運行中各部件受到較大磨損出現(xiàn)變形問題導(dǎo)致異常振動影響發(fā)電機(jī)組的運行，機(jī)組異常振動主要原因包括進(jìn)氣壓力溫度過高，轉(zhuǎn)子不對稱與質(zhì)量不平衡等。設(shè)備檢修人員熟悉汽輪機(jī)常見故障發(fā)生原因才能準(zhǔn)確診斷故障?；痣姀S汽輪機(jī)組故障診斷需要重點加強(qiáng)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲與動靜摩擦等常見故障原因分析。

轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是汽輪機(jī)組常見振動故障，隨著電廠檢修質(zhì)量的提高故障率逐漸減少，但仍是目前機(jī)組振動主要故障。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡原因包括轉(zhuǎn)動中部件飛脫松動與轉(zhuǎn)子熱彎曲。轉(zhuǎn)子熱彎曲引起質(zhì)量不平衡主要特征是隨著機(jī)組參數(shù)提高工頻振動幅度逐漸增大，需要試驗觀察轉(zhuǎn)子溫度高情況下降速中的幅頻特性。新機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲通常來自材質(zhì)熱應(yīng)力，汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)動與靜止部件碰撞是運行中常見故障，碰撞使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生復(fù)雜的振動。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子中心孔進(jìn)油在現(xiàn)場時有發(fā)生，由于中心孔探傷后油未及時清理干凈，運轉(zhuǎn)后由于孔內(nèi)外差壓使得潤滑油被吸入孔內(nèi)。汽輪機(jī)組軸系中出現(xiàn)截面剛度不對稱是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，臨界轉(zhuǎn)速的一半有響應(yīng)峰，轉(zhuǎn)子剛度不對稱使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1周中靜撓曲線改變產(chǎn)生激振力。

2.5 火電廠汽輪機(jī)振動故障檢測與維修技術(shù)

我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展帶動電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，要保證汽輪機(jī)運行安全積極性，當(dāng)前汽輪機(jī)向大型自動化方向發(fā)展，鍋爐蒸汽壓力溫度不斷提高，使汽輪機(jī)工作環(huán)境更加嚴(yán)峻，導(dǎo)致發(fā)生故障引起經(jīng)濟(jì)損失加大，汽輪機(jī)發(fā)生故障會對電網(wǎng)造成重大沖擊。汽輪機(jī)組振動故障診斷是根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)對故障完成定性分析，確定解決措施和實施處理方案。分析汽輪機(jī)異常振動原因采取針對性維護(hù)方式是保證機(jī)組安全運行的關(guān)鍵，需要研究常見異常振動故障排查維修措施。

汽輪機(jī)長期在高溫高速條件下運行易產(chǎn)生故障問題，需要根據(jù)汽輪機(jī)運轉(zhuǎn)狀況制定高效的檢修方法，常見檢修方式包括接觸式與非接觸式方法，監(jiān)測裝置包括傳感器與處理系統(tǒng)，利用相關(guān)規(guī)范可以獲取數(shù)據(jù)了解汽輪機(jī)運行狀態(tài)。

接觸式檢測主要利用傳感器檢測汽輪機(jī)運動信息轉(zhuǎn)化為電信號，接觸式檢測技術(shù)具有設(shè)備操作簡單、工作效率高等優(yōu)點，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動時傳感器可以檢測到運轉(zhuǎn)應(yīng)力，接觸式檢測法影響汽輪機(jī)的工作效率，汽輪機(jī)運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生較大熱量使工作環(huán)境溫度升高，應(yīng)用接觸式檢測裝置要做好安裝工作。非接觸式檢測裝置相比接觸式檢測裝置檢測范圍廣，受到周圍環(huán)境影響小。主要利用聲光檢測可以獲取汽輪機(jī)的運行參數(shù)，非接觸式檢測法采用多普勒原理利用電磁波探測。轉(zhuǎn)子裂痕故障特征如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子裂痕故障特征

火電廠汽輪機(jī)振動故障檢測主要包括熱變形、溫度等，故障檢測時要關(guān)注氣缸壁溫度與金屬固有溫度差值，汽缸壁溫度與金屬固有溫度差值過大動靜間隙降低，軸承和軸瓦溫度達(dá)到報警值說明汽輪機(jī)軸瓦間潤滑系統(tǒng)故障需要及時檢修。汽輪機(jī)內(nèi)部設(shè)有嚴(yán)密的滑銷系統(tǒng)確保按預(yù)設(shè)方向膨脹，汽輪機(jī)檢修中要關(guān)注熱變形數(shù)據(jù)。要通過采取科學(xué)合理的保溫措施確保汽缸各部分溫差在合理范圍內(nèi)。軸承軸瓦高溫原因包括周圍進(jìn)油量過小等。要重視汽輪機(jī)設(shè)備的維護(hù)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時處理。要做好汽輪機(jī)的監(jiān)管工作，采用現(xiàn)代化管理模式保證汽輪機(jī)使用規(guī)范化。使用中記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)異常及時報告避免出現(xiàn)重大事故。

3 結(jié)語

汽輪機(jī)組異常振動故障發(fā)生原因復(fù)雜，汽輪機(jī)運行中長期在高壓高溫條件下運轉(zhuǎn)部件出現(xiàn)受損問題，要熟悉汽輪機(jī)振動故障常見原因，及時采取維修措施確保汽輪機(jī)穩(wěn)定運行。汽輪機(jī)異常振動故障可以采用接觸式或非接觸式檢測法，選擇適合的故障排查技術(shù)確保電廠安全運行。