淺談火電廠汽輪機(jī)振動故障排查及分析

孟新峰

摘 要：汽輪機(jī)組的異常振動是汽輪機(jī)常見故障中較為復(fù)雜的一種故障，由于機(jī)組的振動往往受多方面的影響，只要跟機(jī)本體有關(guān)的任何一個設(shè)備或介質(zhì)都會是機(jī)組振動的原因。本文從進(jìn)汽參數(shù)、疏水、油溫、油質(zhì)、等方面進(jìn)行了分析研究，提出了火電廠汽輪機(jī)的常見振動故障的排查及分析方法。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī) 振動故障 排查處理

1 、火電廠汽輪機(jī)發(fā)展概述

火力發(fā)電是現(xiàn)代社會電力發(fā)展的主力軍，火力發(fā)電站是將熱能轉(zhuǎn)換為電力的發(fā)電廠，主要設(shè)備為汽輪機(jī)，汽輪機(jī)由是蒸汽驅(qū)動的、水被加熱、變成蒸汽來旋轉(zhuǎn)驅(qū)動發(fā)電機(jī)的蒸汽汽輪機(jī)。在通過汽輪機(jī)之后，蒸汽在冷凝器中冷凝并且再循環(huán)到其被加熱的地方，這被稱為朗肯循環(huán)?；鹆Πl(fā)電站設(shè)計的最大特點(diǎn)是化石燃料在這里占主導(dǎo)地位，某些火力發(fā)電廠還被設(shè)計為產(chǎn)生用于工業(yè)目的的熱能，以用于區(qū)域供熱或水的脫鹽以及產(chǎn)生電力。化石能源經(jīng)常在燃?xì)廨啓C(jī)以及鍋爐中燃燒，來自燃?xì)馄啓C(jī)的廢熱以熱廢氣的形式可以用于通過使該氣體通過熱回收蒸汽發(fā)生器（HRSG）來產(chǎn)生蒸汽，然后蒸汽被用于在聯(lián)合循環(huán)中驅(qū)動蒸汽汽輪機(jī)提高整體效率。電站通常大規(guī)模構(gòu)造并且設(shè)計用于連續(xù)操作，幾乎所有的電力發(fā)電廠都使用三相發(fā)電機(jī)來產(chǎn)生頻率為50Hz或60Hz的交流電（AC）電力。大公司或機(jī)構(gòu)可能有自己的發(fā)電廠為他們的設(shè)施供熱或供電，特別是如果蒸汽用于其他目的。蒸汽驅(qū)動的汽輪機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)為用于推進(jìn)的電動機(jī)提供動力。通常稱為聯(lián)合發(fā)電廠的聯(lián)合熱電廠產(chǎn)生用于過程熱或空間加熱的電功率和熱量。傳統(tǒng)火力發(fā)電站的能源效率，被認(rèn)為可銷售能源產(chǎn)生的燃料消耗的熱值的百分比通常為33%至48%。與所有熱力發(fā)動機(jī)一樣，它們的效率有限，并受熱力學(xué)定律支配。在功率生產(chǎn)中未使用的熱量的能量必須以對于環(huán)境的熱的形式離開設(shè)備。這種廢熱可以通過冷凝器并與冷卻水一起或在冷卻塔中處理。如果廢熱用于區(qū)域供熱，則稱為熱電聯(lián)產(chǎn)。正在研究的一些先進(jìn)反應(yīng)器設(shè)計，例如非常高溫的反應(yīng)器，先進(jìn)的氣冷反應(yīng)器和超臨界水反應(yīng)器，將在類似于當(dāng)前煤廠的溫度和壓力下操作，產(chǎn)生相當(dāng)高的熱力學(xué)效率。

火電廠汽輪機(jī)控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中的作用非常重要，但是其在運(yùn)行中往往會出現(xiàn)一些故障，對其進(jìn)行應(yīng)急處理，并做好預(yù)防措施就顯得非常重要。通過對火電廠汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中比較常見的一些故障進(jìn)行分析，總結(jié)提出了一些故障的處理方法和預(yù)防措施，以供相關(guān)電廠來作為提高汽輪機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和可靠性的參考。

2、 火電廠汽輪機(jī)的振動故障

2.1 油膜振蕩

通常情況下，油膜振蕩多發(fā)生在發(fā)電機(jī)組啟動提速階段，而該振動故障產(chǎn)生的原因是軸承油膜上發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子在進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)子會受到一定的載荷作用，并對其運(yùn)行的穩(wěn)定性造成一定的破壞。在正常情況下，軸承油膜上的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子是一直處于穩(wěn)定運(yùn)行的，且轉(zhuǎn)軸以軸線為中心進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，一旦其穩(wěn)定性遭到破壞，那么軸頸轉(zhuǎn)速也會隨之增加。由于蒸汽回路和所用材料中使用的高壓，蒸汽汽輪機(jī)及其殼體具有高的熱慣性。當(dāng)預(yù)熱蒸汽汽輪機(jī)以供使用時，主蒸汽停止閥（在鍋爐之后）具有旁路管線，以允許過熱蒸汽緩慢地旁通閥門，并且與蒸汽汽輪機(jī)一起繼續(xù)加熱系統(tǒng)中的管線。此外，當(dāng)沒有蒸汽時，接合轉(zhuǎn)動齒輪以使汽輪機(jī)緩慢旋轉(zhuǎn)，以確保均勻加熱，從而防止不均勻膨脹。在首先通過旋轉(zhuǎn)齒輪旋轉(zhuǎn)汽輪機(jī)之后，允許轉(zhuǎn)子采取直線平面的時間，然后旋轉(zhuǎn)齒輪脫離接合，并且蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，首先到達(dá)后退葉片，然后緩慢地到達(dá)前葉片以10-15RPM旋轉(zhuǎn)汽輪機(jī)以使汽輪機(jī)緩慢加熱，大型蒸汽輪機(jī)的預(yù)熱程序可能超過十小時。這樣一來，會使得軸承和轉(zhuǎn)子之間的摩擦耗能增加，使得軸系臨界轉(zhuǎn)速減慢，油膜壓力增加，最終導(dǎo)致汽輪機(jī)油膜振蕩故障產(chǎn)生，并對整個發(fā)動機(jī)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性造成影響。

2.2 氣流激振

一般情況下，汽輪機(jī)組中的高中壓轉(zhuǎn)子是發(fā)生汽流激振的主要部件。其原因是汽輪機(jī)內(nèi)流中的蒸汽會發(fā)生一定程度的膨脹，這樣一來，一方面會使高中壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生切向力轉(zhuǎn)矩，另一方面還會產(chǎn)生一個從高壓端到低壓端的軸向力。過熱蒸汽或飽和蒸汽在高溫和高壓下離開鍋爐，在進(jìn)入汽輪機(jī)時，蒸汽通過噴嘴和脈沖式汽輪機(jī)中的固定噴嘴或反應(yīng)式汽輪機(jī)中的固定葉片獲得動能。當(dāng)蒸汽離開噴嘴時，其以高速朝向渦輪轉(zhuǎn)子的葉片移動。由于葉片上的蒸氣的壓力導(dǎo)致葉片移動，因此在葉片上產(chǎn)生力。發(fā)電機(jī)或其他這樣的裝置可以放置在軸上，并且可以存儲和使用在蒸汽中的能量。渦輪機(jī)的內(nèi)部包括若干組葉片或輪葉， 一組固定葉片連接到殼體，一組旋轉(zhuǎn)葉片連接到軸。該組與某些最小間隙相互嚙合，其中尺寸和構(gòu)造變化以有效地利用每個階段的蒸汽膨脹。蒸汽作為飽和蒸氣以比其進(jìn)入的溫度和壓力低的溫度離開汽輪機(jī)，并且被送到冷凝器以被冷卻。在這兩種作用下高中壓轉(zhuǎn)子的葉片會在不均勻汽流的沖擊作用下使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生汽流激振這一故障，工作狀況如表1.

2.3 摩擦振動

在長時間運(yùn)行狀態(tài)下，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動部分如葉柵、葉輪主軸等會在外力和高溫條件等作用下產(chǎn)生一定的熱彎曲故障，進(jìn)而對轉(zhuǎn)動部分原來的穩(wěn)定狀態(tài)造成一定的破壞，最終產(chǎn)生摩擦振動故障。在正常操作期間，轉(zhuǎn)子不平衡可能導(dǎo)致振動，由于高旋轉(zhuǎn)速度，這可能導(dǎo)致葉片從轉(zhuǎn)子和通過殼體脫離。為了降低這種風(fēng)險，需要大量的時間來平衡汽輪機(jī)。此外，汽輪機(jī)使用高質(zhì)量蒸汽運(yùn)行，包括過熱蒸汽或飽和蒸汽，這防止了當(dāng)冷凝水噴射到葉片上時發(fā)生的葉片的快速沖擊和侵蝕。此外，進(jìn)入葉片的液態(tài)水可能損壞汽輪機(jī)軸的推力軸承。為了防止這種情況，連同鍋爐中的控制器和擋板以確保高質(zhì)量的蒸汽，冷凝物排出管安裝在通向汽輪機(jī)的蒸汽管道中。為了最大化渦輪機(jī)效率，蒸汽在多個階段中膨脹做功。這些階段的特征在于如何從它們中提取能量，并且被稱為脈沖摩擦渦輪機(jī)。大多數(shù)蒸汽輪機(jī)使用反應(yīng)和沖擊設(shè)計的混合，整個渦輪機(jī)結(jié)合使用兩者。在這種情況下，汽輪機(jī)振動信號仍保持在工頻狀態(tài)，但是在轉(zhuǎn)子以及其他因素的作用下會經(jīng)常發(fā)生分頻、倍頻以及高頻分量的現(xiàn)象，甚至有時還會有波形削頂這一異?，F(xiàn)象的發(fā)生。另外，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦振動故障情況下，其振動頻率和幅值存在波動的基本特征，一旦這種故障存在時間過長，那么將會導(dǎo)致渦動現(xiàn)象的發(fā)生。

3 、振動故障的影響因素及排查

3.1 影響因素

3.1.1 燃料設(shè)備

燃料準(zhǔn)備系統(tǒng)用于將煤輸送到發(fā)電廠的輸送系統(tǒng)在燃煤發(fā)電站中，來自儲煤區(qū)的原料煤首先被壓碎成小塊，然后輸送到鍋爐，接著將煤粉碎成非常細(xì)的粉末。減速齒輪減速機(jī)是用于在停機(jī)后以非常低的速度旋轉(zhuǎn)渦輪發(fā)電機(jī)軸的機(jī)構(gòu)，當(dāng)其完全停止時，如果允許渦輪軸保持在一個位置過長，則存在渦輪軸偏轉(zhuǎn)或彎曲的趨勢。這是因?yàn)槠啓C(jī)殼體內(nèi)部的熱傾向于集中在殼體的上半部分中，使得軸的上半部分比下半部分更熱。油系統(tǒng)輔助油系統(tǒng)泵用于在蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)的啟動時供應(yīng)油，它提供蒸汽輪機(jī)主進(jìn)汽閥、控制控制閥、軸承和密封油系統(tǒng)，相關(guān)液壓繼電器等機(jī)械所需的液壓油系統(tǒng)。在啟動期間汽輪機(jī)的預(yù)設(shè)速度下，由汽輪機(jī)主軸驅(qū)動的泵接管輔助系統(tǒng)的功能。使用在油密封的殼體中的氫氣冷卻，因?yàn)樗哂腥魏螝怏w的最高已知傳熱系數(shù)和其低粘度，這降低了風(fēng)阻損失。發(fā)電機(jī)高壓系統(tǒng)現(xiàn)代實(shí)用連接發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)電壓范圍從較小單位11 kV到較大單位30 kV。發(fā)電機(jī)高壓引線通常是大型鋁通道，因?yàn)榕c用于較小機(jī)器中的電纜相比它們的電流高。它們被封裝在良好接地的鋁母線管道中并且被支撐在合適的絕緣體上。發(fā)電機(jī)高壓引線連接到升壓變壓器，用于連接到高壓變電站，以便由本地電網(wǎng)進(jìn)一步傳輸。高壓導(dǎo)線包括必要的保護(hù)和計量裝置。因此，蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)和變壓器形成一個單元。較小的單元可以共享具有單獨(dú)的斷路器的公共發(fā)電機(jī)升壓變壓器，以將發(fā)電機(jī)連接到公共總線，主要需要考慮的設(shè)備參數(shù)如圖2.

3.1.2 電力設(shè)備

汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是一個高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，如果轉(zhuǎn)子的質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)中心不重合則會因?yàn)檗D(zhuǎn)子的不平衡而產(chǎn)生一個離心力，這個離心力會對軸承產(chǎn)生一個激振力而使之引起機(jī)組振動，如果這個離心力過大，則機(jī)組的振動就會異常。所以，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在裝配時每裝配一級葉片都應(yīng)該對該級葉片進(jìn)行動平衡試驗(yàn)，整個轉(zhuǎn)子裝配完成后在出廠之前還應(yīng)該對整個轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速和高速動平衡，以確保轉(zhuǎn)子的不平衡量在一個合格的范圍內(nèi)。當(dāng)機(jī)組的膨脹不充分時，極易引起機(jī)組的動靜碰磨而產(chǎn)生振動。潤滑油在軸瓦內(nèi)形成的油膜如何又是影響轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性的一個重要影響因素，油膜的形成除了與軸承烏金有關(guān)外，還有一個重要因素就是潤滑油油溫，潤滑油油溫應(yīng)該在一個合理的范圍內(nèi)，過高過低都對油膜的形成不利。

具有調(diào)速器的汽輪機(jī)的控制是必要的，因?yàn)槠啓C(jī)需要緩慢地運(yùn)轉(zhuǎn)以防止損壞，并且一些應(yīng)用（例如產(chǎn)生交流電）需要精確的速度控制。渦輪轉(zhuǎn)子的不受控速度可導(dǎo)致超速跳閘，這導(dǎo)致控制到渦輪的蒸汽流的調(diào)節(jié)器和節(jié)流閥關(guān)閉。如果這些閥失效，則汽輪機(jī)可以繼續(xù)加速，直到其分裂，通常有是災(zāi)難性的后果。汽輪機(jī)制造昂貴，需要精密制造和特殊質(zhì)量的材料。在與電網(wǎng)同步的正常操作期間，發(fā)電廠需要實(shí)現(xiàn)智能控制，這意味著滿載速度為100%，空載速度為105%。這是網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定操作所需的，而不需要發(fā)電廠的過載運(yùn)行。通常速度的變化很小，通過增加離心調(diào)速器上的彈簧壓力來緩慢地升高曲線來進(jìn)行功率輸出的調(diào)節(jié)，這是所有電廠的基本系統(tǒng)要求，因?yàn)殡姀S必須響應(yīng)于頻率的瞬時變化而兼容，而不依賴于外部通信。

3.2 排查方法

轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的一般特征：最關(guān)鍵的特征是穩(wěn)定的工頻振動在整個信號中占主要成分。汽輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的原因有三個：原始不平衡；轉(zhuǎn)動過程中的部件飛脫、松動；轉(zhuǎn)子的熱彎曲。其中原始不平衡是主要原因。 在汽輪機(jī)中，轉(zhuǎn)子葉片本身布置成形成會聚噴嘴 這種類型的渦輪利用當(dāng)蒸汽通過由轉(zhuǎn)子形成的噴嘴加速時產(chǎn)生的反作用力。蒸汽通過定子的固定葉片被引導(dǎo)到轉(zhuǎn)子上。 其作為填充轉(zhuǎn)子的整個圓周的射流離開定子。 然后蒸汽改變方向并相對于葉片的速度增加其速度。壓降發(fā)生在定子和轉(zhuǎn)子兩者上，蒸汽通過定子加速并且通過轉(zhuǎn)子減速，沒有跨過級的蒸汽速度的凈變化，但是壓力和溫度兩者都減小，反映了在驅(qū)動轉(zhuǎn)子的能力上。

轉(zhuǎn)子熱彎曲引起的質(zhì)量不平衡的主要特征是工頻振動隨時間的變化。轉(zhuǎn)子熱彎曲產(chǎn)生的原因：新機(jī)轉(zhuǎn)子的熱彎曲一般來自材質(zhì)熱應(yīng)力。只要沒有使轉(zhuǎn)子發(fā)生永久塑性變形，這類熱彎曲都是可以恢復(fù)的，引起熱彎曲的根源消除后，工頻振動大的現(xiàn)象也會隨之自行消失。汽輪機(jī)具有固定的噴嘴，其將蒸汽流定向成高速噴射。這些射流包含顯著的動能，當(dāng)蒸汽射流改變方向時，這些動能通過桶狀形狀的轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)換成軸旋轉(zhuǎn)。壓降僅在固定葉片上發(fā)生，跨過載物臺的蒸汽速度凈增加。 當(dāng)蒸汽流過噴嘴時，其壓力從入口壓力下降到出口壓力，由于這種高的蒸汽膨脹比，蒸汽以非常高的速度離開噴嘴，離開動葉片的蒸汽在離開噴嘴時具有蒸汽的最大速度的大部分。

在傳統(tǒng)火電設(shè)備的監(jiān)測與維護(hù)中，程序較為復(fù)雜，需要定期進(jìn)行停電校驗(yàn)，通過較大的整定工作量來修改遠(yuǎn)方參數(shù)。傳統(tǒng)火電站的二次設(shè)備較多且較為笨重難以移動，組件復(fù)雜，調(diào)壓能力較差，對自動裝置的整定工作控制力較差。采用固定的模式進(jìn)行傳統(tǒng)火電站配置，靈活度較低，二次設(shè)備通過較多的電纜和空觸點(diǎn)來進(jìn)行連接。系統(tǒng)功能較為單一，主要包括監(jiān)視和保護(hù)，通過模擬信號來交換通訊信息，模擬信號占用空間較大，造成信息控制困難、效率低下，同時安全性也大打折扣。另外，成本較高，改變接線困難度高，小部分改動就可能引起大規(guī)模的接線修改。隨著現(xiàn)代機(jī)組動靜間隙變小，碰摩的可能性隨之增加。碰摩的診斷是目前具有一定難度的主要振動故障。每年全國都會有幾臺大機(jī)組發(fā)生動靜碰摩而出現(xiàn)大振動，但在處理過程中卻往往要走彎路。需要進(jìn)行多次開機(jī)，平衡加重或支撐加固，為此延誤數(shù)周已是常事。最終開缸檢查，方發(fā)現(xiàn)汽封或通流部分已嚴(yán)重摩擦。碰摩原因：轉(zhuǎn)軸振動過大。

4、 總結(jié)與展望

人民生活離不開高效的電力生產(chǎn)，本文建立在火電廠汽輪機(jī)維護(hù)基礎(chǔ)上的故障分析方案，通過對汽輪機(jī)維護(hù)的定義和一般故障特征的分析，將火電廠汽輪機(jī)維護(hù)與故障排查處理方案進(jìn)行了綜述與闡明，將其應(yīng)用進(jìn)行了討論與分析說明。隨著火電廠汽輪機(jī)維護(hù)技術(shù)的發(fā)展，我國火力發(fā)電也將不斷進(jìn)步。由此也可以看出，傳統(tǒng)的火力發(fā)電模式已經(jīng)不再適合大功率電力的提供與建設(shè)。優(yōu)化活力發(fā)電方案是火力發(fā)電企業(yè)順利建設(shè)和正常運(yùn)作的一項極為關(guān)鍵的組成部分，在確保且提升總體運(yùn)作效果與工作效能方面，具備極為重要的推動作用。火力發(fā)電的高效與智能化是一條光明而曲折的路，在這條路上會出現(xiàn)很多難題與挑戰(zhàn)，這個任務(wù)長期而又艱巨，需要結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，不斷地進(jìn)行總結(jié)歸納。為實(shí)現(xiàn)自身的長遠(yuǎn)發(fā)展而進(jìn)行大膽革新，利用創(chuàng)新思維進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)，大踏步地走向高效安全的火力發(fā)電目標(biāo)。

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