摘要：汽輪發(fā)電機組的振動是關(guān)系到電站安全經(jīng)濟運行的重要指標，文章介紹了汽輪機振動常見故障產(chǎn)生的原因及其特征，探討了汽機振動的危害，闡述了三門核電的汽輪機監(jiān)測診斷系統(tǒng)的重要性。

關(guān)鍵詞：三門核電；汽輪機；汽機振動；振動監(jiān)測；振動診斷 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK268 文章編號：1009-2374（2015）24-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.030

隨著汽輪機向大型化方向發(fā)展，機組振動問題日益突出，劇烈的振動將威脅著機組的安全。迫切需要先進的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，尤其對于三門核電1251MWe的大型汽輪機組，振動的危害將更加巨大，所以對汽機振動的監(jiān)測和分析診斷顯得尤為重要。

1 汽機振動的常見原因及特征

1.1 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡及轉(zhuǎn)子熱彎曲振動

產(chǎn)生機理：由于轉(zhuǎn)子制造誤差、裝備誤差以及材質(zhì)不均勻等原因或由于轉(zhuǎn)子上不均勻結(jié)垢，介質(zhì)中粉塵的不均勻沉積，介質(zhì)中顆粒對葉片及葉輪的不均勻磨損以及工作介質(zhì)對轉(zhuǎn)子的腐蝕等，引起質(zhì)心偏離幾何中心，轉(zhuǎn)子在高速運行時，微小的質(zhì)子偏心也能引起較大的振動。轉(zhuǎn)子不平衡是旋轉(zhuǎn)機械最常見的故障。據(jù)不完全統(tǒng)計，有一半以上的振動故障與轉(zhuǎn)子不平衡有關(guān)。

故障特征：（1）時域波形圖：波形近似為正弦波；（2）頻譜圖：諧波能量集中于基頻并且會出現(xiàn)較小的高次諧波，使整個頻譜呈所謂的“樅樹形”；（3）振動隨轉(zhuǎn)速變化而發(fā)生較大變化；（4）軸心軌跡：軸的X、Y方向上剛度有差別導(dǎo)致轉(zhuǎn)子對平衡質(zhì)量的影響在X、Y方向振幅不同且相位差也不同，故轉(zhuǎn)子的軸心軌跡不是圓而是橢圓；（5）振動隨油溫或介質(zhì)溫度變化不顯著。

1.2 油膜振蕩

產(chǎn)生機理：當汽輪機的轉(zhuǎn)速高于兩倍轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速發(fā)生的軸瓦自激振動通常為油膜振蕩。即半速渦動的渦動速度正好與轉(zhuǎn)子的第一臨界轉(zhuǎn)速相重合，此事的半速渦動被放大，從而產(chǎn)生劇烈振動。

故障特征：（1）頻譜圖：低頻成分明顯，<0.5X頻；（2）振蕩突然增大后，即使轉(zhuǎn)速再升高，振動值也不變化。

1.3 動靜件摩擦振動

產(chǎn)生機理：由于汽機軸封、級間密封、油封間隙和葉片頂隙等間隙都比較小，較小的間隙會引起流體動力激振，也會發(fā)生轉(zhuǎn)子與靜止部件之間的摩擦。其中轉(zhuǎn)子的不平衡、轉(zhuǎn)子與靜子的熱膨脹不一致、密封力作用以及轉(zhuǎn)子對中不良等原因，都會引起動靜件摩擦振動。

故障特征：（1）時域波形圖：有單邊波峰“削波”現(xiàn)象；（2）頻譜圖：含有高次諧波；（3）摩擦局部會有溫升。

1.4 轉(zhuǎn)子不對中

產(chǎn)生機理：彎曲變形的轉(zhuǎn)子由于轉(zhuǎn)軸內(nèi)阻現(xiàn)象以及轉(zhuǎn)軸表面與旋轉(zhuǎn)體內(nèi)表面之間的摩擦而產(chǎn)生的相對滑動，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生自激旋轉(zhuǎn)振動，當主動轉(zhuǎn)子按一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，從動轉(zhuǎn)子的振動會產(chǎn)生周期性變動，每轉(zhuǎn)動一周變動兩次。

故障特征：（1）時域波形：是1X頻與2X頻疊加的波形；（2）頻譜圖：2X頻明顯偏高；（3）振動隨轉(zhuǎn)速變化而發(fā)生較大變化；（4）振動隨油溫或介質(zhì)溫度變化敏感。

2 汽機振動的危害

2.1 機組經(jīng)濟性降低

汽輪機在運行期間，良好的汽封間隙有助于提高機組的熱經(jīng)濟性，但如果振動過大，則會改變汽封間隙，從而影響機組的熱經(jīng)濟性。

2.2 使機組動靜部分及支撐部件產(chǎn)生損壞

機組由若干個不同的部件組成，如端部的軸封、葉片、圍帶、葉輪、軸瓦等，當機組產(chǎn)生強烈振動時，引起動靜摩擦，會引起部件嚴重受損。

2.3 造成電站停運

如果振動過大時，甚至會導(dǎo)致機組上的一些儀表的工作無法正常工作，發(fā)生誤動作，導(dǎo)致停機事故的發(fā)生。

3 三門核電汽機振動監(jiān)測與診斷功能

三門核電汽輪機振動監(jiān)測與診斷系統(tǒng)，主要分為汽機振動監(jiān)測系統(tǒng)TSI和汽機振動診斷系統(tǒng)TDM兩部分。

3.1 汽機振動監(jiān)測系統(tǒng)TSI

TSI提供模擬量監(jiān)測輸出和數(shù)字量跳閘輸出至汽機控制和保護系統(tǒng)，也提供泵（如給水泵和凝結(jié)水泵）振動檢測模擬量輸出和數(shù)字跳閘輸出至全廠DCS。TSI主要包括探頭、前置器、專用電纜、帶信號整定的機柜、監(jiān)視器及其他設(shè)備。TSI振動測量包括：

3.1.1 軸振監(jiān)測。軸振測量分為相對軸振測量和絕對軸振測量。相對軸振是指相對于軸瓦而言軸的振動。絕對軸振為軸相對于靜止點的振動，通過軸的相對振動和殼振的合成，可以得出軸的絕對振動。

3.1.2 瓦振監(jiān)測。瓦振即殼振、軸承振動，在軸旋轉(zhuǎn)振動的過程中，必然會引起軸承的振動，通過速度傳感器或加速度傳感器可以測量瓦振。

3.1.3 軸向位移及脹差監(jiān)測。布置兩個軸向位移傳感器，滿足冗余和表決需要。軸向位移的突變可能導(dǎo)致動靜部件的摩擦碰撞，軸向位移是很關(guān)鍵的參數(shù)。脹差是由于膨脹速度不一樣，在軸向，氣缸和轉(zhuǎn)子膨脹的差值。脹差測量通過相對測量即可得到，傳感器安裝于氣缸上，監(jiān)測軸的位置變化，輸出就是脹差。

3.1.4 殼脹、閥位監(jiān)測。通過在汽輪機機殼兩側(cè)各裝一個LVDT傳感器，監(jiān)測汽輪機熱變形。一般安裝在汽機底座上，頂端接觸到氣缸外殼，測量其相對于底座的膨脹。

3.2 汽機振動診斷系統(tǒng)TDM

TDM執(zhí)行汽輪發(fā)電機振動診斷功能。主要特點為：永久性安裝、不間斷地對機組運行狀態(tài)進行在線實時監(jiān)測；完整保留機組振動的歷史數(shù)據(jù)、起停機數(shù)據(jù)和升降負荷數(shù)據(jù)；提供豐富的專業(yè)診斷圖譜，幫助專業(yè)管理人員隨時觀察機組運行情況、并對機組狀態(tài)進行深入分析和診斷；可以長時間、大容量地保存機組的歷史診斷數(shù)據(jù)；當機組發(fā)生故障后，能方便地查詢機組的故障變化趨勢。主要包括：數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)診斷兩部分。

3.3 數(shù)據(jù)分析

3.3.1 數(shù)據(jù)獲取和分析的時間間隔。對于振動向量、電廠數(shù)據(jù)（負荷），系統(tǒng)每秒鐘獲取并分析一次；對于頻譜，系統(tǒng)每兩小時分析一次。當振動向量或負荷超過限值，或者操縱員要求時立即執(zhí)行。

3.3.2 檢查數(shù)據(jù)是否超過限值。當系統(tǒng)監(jiān)測到振動或軸承溫度超過限值時，會在LCD報警窗口上顯示一個報警信息。如果振動或軸承溫度降到限值一下，系統(tǒng)會清除報警信息并顯示一個“恢復(fù)正?！毙畔ⅰ?/p>

3.3.3 顯示。分析結(jié)果顯示包括主監(jiān)視圖、棒圖、振動表格、過程量表格、波形、頻譜、軸心軌跡、軸系仿真、軸心位置圖、波特圖、極坐標圖、級聯(lián)圖、相關(guān)趨勢圖及列表。

顯示窗口硬拷貝。

數(shù)據(jù)保存：正常工況下，系統(tǒng)最少可以保存十年的數(shù)據(jù)。

3.4 數(shù)據(jù)診斷

故障診斷是一個獨立運行的工程師幫助軟件或稱專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過人機對話方式，用于診斷機組是否正常運行、是否發(fā)生異常故障的可信度、故障發(fā)生的原因以及排除故障的措施等。由于現(xiàn)場情況的復(fù)雜性，診斷結(jié)果只能供有關(guān)人員進行決策時起參考作用。故障診斷軟件系統(tǒng)由三個庫和六個功能模塊組成。三個庫是指機組數(shù)據(jù)庫、征兆事實庫和診斷知識庫；六個功能模塊是指信號分析、征兆獲取、自動診斷推理、診斷解釋、故障處理和對話診斷。系統(tǒng)自動診斷出的原因舉例如下：軸不平衡、軸裂縫、軸承磨損、轉(zhuǎn)子未對中、油膜振蕩/渦動、轉(zhuǎn)子彎曲、摩擦、轉(zhuǎn)動部件松動、發(fā)電機熱彎曲、聯(lián)軸器不耦合、轉(zhuǎn)子不對稱。

4 結(jié)語

對汽輪機進行在線振動監(jiān)測，并及時準確地分析和診斷，對于指導(dǎo)機組安全穩(wěn)定運行，防止機組發(fā)生重大事故，及時進行故障診斷和處理具有重要意義。利用在線振動監(jiān)測和診斷系統(tǒng)，可準確預(yù)測設(shè)備性能和潛在的事故趨勢，為電廠實時狀態(tài)檢修提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

參考文獻

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作者簡介：陶佳林（1986-），男，浙江嘉興人，中核集團三門核電有限公司助理工程師，研究方向：振動監(jiān)測。

（責任編輯：陳 倩）