北京國電電力有限公司上灣熱電廠 劉小虎

高溫高壓蒸汽快速沖擊汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子葉片帶動葉片旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而對外做功是汽輪機(jī)的基本運行原理，從這一點上即可發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)內(nèi)部運行環(huán)境較為惡劣，尤其是一些大型汽輪機(jī)，其標(biāo)定的蒸汽壓力、蒸汽溫度以及平均運行轉(zhuǎn)速都相對較高，而且作為大型機(jī)械設(shè)備，其整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，分支零部件數(shù)量較多，因此汽輪機(jī)故障診斷是一項極為復(fù)雜的工作。就目前火電廠汽輪機(jī)整體運行情況來看，即使完全按照維保手冊落實檢修維護(hù)工作，也很難完全規(guī)避汽輪機(jī)故障，尤其是在運行年限增加設(shè)備磨損的情況下，汽輪機(jī)容易出現(xiàn)各種不同類型的振動故障。

各種類型的振動故障都會在一定程度上影響設(shè)備運行穩(wěn)定性和安全性，一旦發(fā)現(xiàn)振動故障，必須立即采取相應(yīng)的檢修措施排除故障。由于振動故障相對比較直觀，因此容易被發(fā)現(xiàn)，但能夠?qū)е抡駝庸收系囊蛩叵鄬^多，只有明確故障問題才能針對性開展相應(yīng)的維修工作，因此明確汽輪機(jī)故障原因、強(qiáng)化汽輪機(jī)故障診斷技術(shù)，是火電廠汽輪機(jī)組工作人員的重點工作內(nèi)容。本文以某火電廠汽輪機(jī)常見振動故障分析為入手點，對不同類型振動故障的診斷技術(shù)進(jìn)行研究。

1 某火電廠汽輪機(jī)常見振動故障分析

1.1 轉(zhuǎn)子與靜子碰撞振動

火電場所用汽輪機(jī)多為集成化程度較高的現(xiàn)代化汽輪機(jī)，這種設(shè)備在保證輸出功率的同時，有效控制了設(shè)備體積，其內(nèi)部構(gòu)件密集度較高，因此各部分之間的間隙距離也相對較小。

轉(zhuǎn)子和靜子是汽輪機(jī)兩大主要結(jié)構(gòu)，而轉(zhuǎn)子與靜子在正常運行情況下不會直接接觸，如果二者因某些問題發(fā)生摩擦碰撞，則會導(dǎo)致汽輪機(jī)出現(xiàn)異常振動的情況。將汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與靜子以同心圓形式置于平面直角坐標(biāo)系中，并使圓心與坐標(biāo)軸零點重合，一旦轉(zhuǎn)子因某些因素與靜止摩擦碰撞，那么此時其不僅受到法向力作用，而且也產(chǎn)生相應(yīng)的切向力[1]。

想要計算摩擦碰撞時的法向力，首先就要計算切向力，這需要了解靜子內(nèi)緣與轉(zhuǎn)子外緣的距離、轉(zhuǎn)子位移量以及靜子剛度，設(shè)F1為切向力、h1為轉(zhuǎn)子位移、h2為內(nèi)外緣間距、K為靜子剛度即可列出等式：F1=k（h1-h2），而將轉(zhuǎn)子與靜子置于平面直角坐標(biāo)系后，可根據(jù)其在縱軸和橫軸上的位移量求得轉(zhuǎn)子在系統(tǒng)中的位移量，如其在x軸上的位移量為a，y軸上的位移量為b，則轉(zhuǎn)子在系統(tǒng)中的位移量為：。

測得轉(zhuǎn)子與靜子之間摩擦系數(shù)為μ，設(shè)法向力為F2則F2=F1×μ，額外剛度量為：。在靜子與轉(zhuǎn)子接觸的瞬間將整個汽輪機(jī)視作一個系統(tǒng)，此時系統(tǒng)中增加了一個額外剛度量，因此運動中的轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)明顯的水平方向位移并造成設(shè)備異常振動[2]。

1.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均

轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均是造成汽輪機(jī)振動的重要原因，正常情況下，轉(zhuǎn)子從質(zhì)量分配到形態(tài)層面均進(jìn)行了完善設(shè)計，其在高速旋轉(zhuǎn)過程中與質(zhì)量相關(guān)的各個方向的應(yīng)力作用是平衡的，而一旦轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均則會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生明顯的離心力，由于相同周期內(nèi)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速保持相同，因此離心力作用下引發(fā)的振動也表現(xiàn)出明顯的周期性特點。根據(jù)力學(xué)原理，轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻時其高速旋轉(zhuǎn)過程中所受離心力與轉(zhuǎn)子角速度、偏心距離以及偏心質(zhì)量有關(guān)，如設(shè)轉(zhuǎn)子受到的離心力為F3、轉(zhuǎn)子角速度為ω、偏心質(zhì)量為m、偏心距離為h3則F3=m×ω×h3。

一般來講，轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均主要有以下幾方面原因：一是出廠時設(shè)備加工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，沒有在重量分配和形狀設(shè)計方面達(dá)到平衡標(biāo)準(zhǔn)；二是轉(zhuǎn)子在長期高溫高壓運作環(huán)境下出現(xiàn)形變；三是轉(zhuǎn)子上的某些零部件脫落[3]。上述原因都會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)異常離心力進(jìn)而引發(fā)設(shè)備振動。

1.3 轉(zhuǎn)子不對中

火電廠汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子呈節(jié)段性分布，正常情況下各相鄰轉(zhuǎn)子不在同一中心線之上，而一旦出現(xiàn)轉(zhuǎn)子偏移的情況，就會導(dǎo)致設(shè)備運行過程中出現(xiàn)振動現(xiàn)象，相鄰轉(zhuǎn)子偏移也分為多種情況。

一是相鄰轉(zhuǎn)子中心線橫向無位移但出現(xiàn)縱向位移，這種情況下，兩部分轉(zhuǎn)子在運作過程中都受到周期性離心力的影響；二是相鄰轉(zhuǎn)子之間無橫向位移但出現(xiàn)縱向夾角，這種情況一般稱之為角度不對中，此時雖然相鄰轉(zhuǎn)子的軸線交點發(fā)生變化，但偏一部分的轉(zhuǎn)子其軸線已與正常軸線出現(xiàn)一定夾角；三是相鄰部分轉(zhuǎn)子不僅軸線出現(xiàn)夾角，而且軸線交點位移，這種情況可以視作前兩種情況的結(jié)合，偏移的轉(zhuǎn)子軸線連接點之間既出現(xiàn)了高度差同時也出現(xiàn)了一定的軸線夾角（如圖1所示）[4]。

圖1 組合不對中示意圖

1.4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)損傷

汽輪機(jī)長期處于高溫高壓的運行狀態(tài)之下，尤其是轉(zhuǎn)子部分，轉(zhuǎn)子直接承受高溫高壓蒸氣的沖擊，且是整個系統(tǒng)中主要的動作結(jié)構(gòu)，因此轉(zhuǎn)子出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷是一種常見的故障問題，而這種結(jié)構(gòu)損傷往往會引發(fā)設(shè)備出現(xiàn)振動現(xiàn)象，不同類型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致的設(shè)備振動情況也各不相同，故障特點都較為突出。從既往工作經(jīng)驗上看，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)損傷主要有以下幾方面原因。

首先是運行啟動不科學(xué)進(jìn)而引發(fā)的金屬過疲勞損害。轉(zhuǎn)子葉片和固定結(jié)構(gòu)均為金屬材質(zhì)，因此有明顯的熱脹冷縮特性，如果汽輪機(jī)運行過程中頻繁啟停且運行過程中設(shè)備載荷變化較大，則轉(zhuǎn)子相關(guān)結(jié)構(gòu)會在過程中因溫度變化反復(fù)膨脹或收縮，這嚴(yán)重加劇了金屬疲勞，影響了轉(zhuǎn)子各結(jié)構(gòu)的運行壽命。

其次是轉(zhuǎn)子設(shè)計或安裝過程中因某些因素導(dǎo)致部分應(yīng)力集中于一處，由于受力不均衡，應(yīng)力集中點的受力參數(shù)相對較大，在持續(xù)運行的過程中此處更易受損。

最后是腐蝕損害，轉(zhuǎn)子在承受高溫高壓蒸汽沖擊的過程中，葉片和主要固定結(jié)構(gòu)均受蒸汽的直接影響，如蒸汽中存在某些腐蝕性物質(zhì)就容易在長期運行過程中導(dǎo)致轉(zhuǎn)子受損[5]。

2 某火電廠汽輪機(jī)常見振動故障診斷技術(shù)

2.1 轉(zhuǎn)子與靜子碰撞振動診斷

轉(zhuǎn)子與靜子碰撞振動故障特點較為明顯。首先，絕大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)子與靜子摩擦碰撞點是固定的，因此從振動周期上來看，這種類型的故障普遍表現(xiàn)為周期性振動；其次，如果轉(zhuǎn)子與靜子出現(xiàn)了摩擦碰撞，那么由碰撞機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來的熱能就會在故障點處聚集，因此這類故障會表現(xiàn)出明顯的局部過熱特點。在進(jìn)行檢查診斷時，首先可以使用渦流傳感器來對轉(zhuǎn)子運行情況進(jìn)行分析，通過采集轉(zhuǎn)子振幅參數(shù)來分析是否存在轉(zhuǎn)子與靜止摩擦碰撞的情況。此外，還可在設(shè)備運行狀態(tài)下，使用紅外線熱成像儀對設(shè)備整體溫度進(jìn)行分析，如振動問題明顯且有異常高溫點則可判定故障類型。

2.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均診斷

如果考慮是因轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均而造成的振動故障，則可在檢查診斷過程中檢測轉(zhuǎn)子中心軌跡，如確為此類故障則其軸心軌跡周期變化且呈橢圓形。另外，要結(jié)合振動情況檢測設(shè)備當(dāng)前振動相位角，如振動故障是由轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均造成則其振動相位角幾乎不變，而且汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速也基本保持平穩(wěn)，雖然設(shè)備振動比較明顯但汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速波動不大，檢測結(jié)果多在標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，調(diào)整轉(zhuǎn)速也不會出現(xiàn)異常問題。

要測量振幅并分析振幅與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，如果設(shè)備存在轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均的情況則轉(zhuǎn)速提升后其振幅也會提升，二者之間呈正比例變化。此外，還可通過時域波形、相位特征以及矢量區(qū)域等來分析故障問題的具體情況，根據(jù)這些參量可以區(qū)分原始不平衡、漸變不平衡和突變不平衡（見表1）。

表1 不同參量與不平衡類型的關(guān)系

2.3 轉(zhuǎn)子不對中診斷

現(xiàn)在火電廠汽輪機(jī)組普遍配有相應(yīng)的自檢監(jiān)測系統(tǒng)，如懷疑振動故障是由轉(zhuǎn)子不對中引起，首先應(yīng)重點觀察轉(zhuǎn)子頻率，分析徑向方向上的轉(zhuǎn)子頻率圖，如果一倍頻和多倍頻相對較少，而二倍頻比較多則要重點考慮是否是相鄰轉(zhuǎn)子徑向位移，振幅越大意味著偏移量越多。其次要觀察軸向轉(zhuǎn)子頻率，如果始終處于一倍頻振動則要注意觀察相鄰轉(zhuǎn)子軸向振動的差值，如果差值較大，則說明相鄰轉(zhuǎn)子存在軸向偏移角。如果以兩倍頻為主則要檢查振幅波形和軸向徑向相位差，如果波形穩(wěn)定的前提下，兩個方向的相位差相對較大則說明既存在徑向高度差也存在軸向夾角。

在診斷過程中可根據(jù)轉(zhuǎn)子振動的軸向振幅來分析轉(zhuǎn)子偏差的程度，轉(zhuǎn)子軸向振動越大說明偏移的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子中軸夾角越大，其振動幅度也越大、故障嚴(yán)重程度也越大。而且軸向振幅還可作為判斷轉(zhuǎn)子不對中類型的依據(jù)，可以動態(tài)檢查轉(zhuǎn)子軸向振幅的波形來分析轉(zhuǎn)子錯位情況。

2.4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)損傷診斷

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)受損后，相關(guān)部位出現(xiàn)裂痕，這種情況下轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中就會出現(xiàn)受力不對稱的情況，而且結(jié)構(gòu)受損還會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部分區(qū)域剛度下降，在低轉(zhuǎn)速區(qū)間時不嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子裂痕一般不會導(dǎo)致明顯的異常診斷，但當(dāng)轉(zhuǎn)速升高，設(shè)備整體負(fù)荷增加時，由于受力不均加上某些區(qū)域剛度降低，此時轉(zhuǎn)子會出現(xiàn)明顯的軸向振動，觀察轉(zhuǎn)子相關(guān)參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)前振動以二倍頻為主。

此外，從時域特征上看存在此類故障的設(shè)備有明顯的轉(zhuǎn)子熱彎曲情況，而且采取動平衡處理后這個問題無法緩解。從升速特征上看，如果轉(zhuǎn)子存在結(jié)構(gòu)損傷則其表現(xiàn)出低轉(zhuǎn)速時振幅大、高轉(zhuǎn)速時振幅小的特點，而且隨著轉(zhuǎn)速提升超過臨界轉(zhuǎn)速后振幅明顯增大，此時設(shè)備不僅表現(xiàn)出既有異常問題，而且還會出現(xiàn)共振的情況。如果存在上述特征應(yīng)重點考慮是否出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)損傷。

3 火電廠汽輪機(jī)常見的振動故障技術(shù)發(fā)展分析

從電子系統(tǒng)和在線監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展情況上看，未來火電廠汽輪機(jī)運行監(jiān)測工作將朝向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化發(fā)展。不僅要構(gòu)建以多類型傳感器為信息采集模塊的運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，同時也要根據(jù)已知故障特征形成相應(yīng)的故障預(yù)警報警系統(tǒng)。系統(tǒng)診斷單元應(yīng)與專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，依托系統(tǒng)前端的數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊來采集汽輪機(jī)當(dāng)前各類運行參數(shù)并將數(shù)據(jù)同步至專家數(shù)據(jù)庫，對比數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)以明確當(dāng)前運行狀態(tài)。

專家數(shù)據(jù)庫進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)更新，同步案例數(shù)據(jù)到系統(tǒng)之中并開展專家數(shù)據(jù)庫樣本訓(xùn)練，基于系統(tǒng)自身具備的學(xué)習(xí)成長功能，不斷提升系統(tǒng)對不同類型故障的辨析處置能力。專家數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)是實現(xiàn)汽輪機(jī)常見故障的分析診斷，在發(fā)生故障后其應(yīng)能提供詳細(xì)的故障參數(shù)以及診斷報告，便于工作人員對設(shè)備進(jìn)行維修。結(jié)合汽輪機(jī)檢修手冊和實際運行情況動態(tài)調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)值，一旦傳感器采集到的設(shè)備運行參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)不對應(yīng)，則自動分析單一異常參數(shù)或異常參數(shù)組對應(yīng)的故障問題，通過人機(jī)交互界面及時發(fā)出故障告警并向工作人員傳遞具體的故障參數(shù)。