發(fā)電機振動故障及狀態(tài)監(jiān)測

詹普元

(三峽大學電氣與新能源學院高電壓與絕緣技術，湖北 宜昌 443002)

1 引言

計算機技術和測量技術、傳感器技術的發(fā)展為保證這些旋轉機械的安全運行提供了可能。采用計算機對電力設備實施在線狀態(tài)監(jiān)測，不僅能及時了解設備當前的工作狀況，進行報警監(jiān)測，還可將設備各種工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)、信息進行存儲、管理和分析，實現(xiàn)故障預報和早期診斷，并視情指導和安排維修計劃，提高設備利用率，增加產(chǎn)值，減少人力物力的浪費。對于發(fā)電機組來說，振動故障原因及其狀態(tài)的在線監(jiān)測對于其正常運行意義重大。

2 發(fā)電機組不正常振動的危害

發(fā)電機組不正常振動會嚴重威脅發(fā)電機的運行，其危害有［1］:

(1)使機組各連接部件松動，各轉動部件與靜止部件之間產(chǎn)生摩擦甚至產(chǎn)生“掃膛”而造成部件損壞，機組高速轉動部分的相互磨損，會讓軸承燒毀;

(2)導致機組各部件金屬和焊縫疲勞破壞區(qū)的形成，振動劇烈時會導致調速系統(tǒng)油管路接頭部分松動脫落，使機組無法正常運行，縮短了機組的使用壽命;

(3)使機組各部位緊密連接部件松動，不僅會導致緊固零件本身的斷裂，而且會加劇被其連接部分的振動;

(4)當其振動頻率與發(fā)電機或電力系統(tǒng)的自振頻率接近時，將發(fā)生共振，引起機組出力不正常波動，可能會造成機組從電力系統(tǒng)中解列，造成嚴重經(jīng)濟損失。

3 發(fā)電機組振動故障分類

對發(fā)電機機組振動狀態(tài)進行狀態(tài)監(jiān)測極其重要，而發(fā)電機組振動故障的正確分類是機組振動故障的識別與診斷的第一步。根據(jù)其發(fā)生的原因不同可分為:機械振動故障和電磁振動故障。

3.1 機械振動故障原因

(1)轉子不平衡。由于轉子本身的制造誤差、裝配誤差、材質不均勻等各種原因引起的。另一方面可能由于轉子在運行中由于腐蝕、介質、磨損以及受疲勞力的作用，使轉子的零部件局部損壞、脫落而造成的不平衡［3］。

(2)轉子彎曲。由于制造誤差大、轉軸結構不合理、長期運行后自然彎曲等方面的原因?；蛘呤怯捎陂_機時暖機不足、轉子的轉軸有較大預負荷、轉軸變形不均勻等造成［4］。

(3)轉子支撐系統(tǒng)松動。轉子支撐系統(tǒng)松動是指配合過盈量不足或支承系統(tǒng)配合間隙誤差大，或是配合面的聯(lián)接螺栓緊固不牢產(chǎn)生的異常振動。

(4)轉子不對中。由于機器的安裝誤差、機器基礎的沉降不均以及承載后的變形等，使機器工作時各轉子軸線之間產(chǎn)生角度位移、平行位移或綜合位移等對中變化誤差［5］。

(5)油膜振蕩。主要由軸潤滑油不良、承間隙不當、油溫和油壓不當?shù)仍蛞穑?］。

(6)碰摩。由于軸承間隙小、密封間隙等原因而引起的發(fā)電機組轉動部件與靜止部件之間的摩擦碰撞。

表1 7種機械振動故障的特征量［7］

3.2 電磁振動故障原因

(1)轉子繞組匝間短路。由內(nèi)冷轉子繞組局部過熱導致匝間絕緣燒毀、繞組銅線蠕變留下的殘余塑性變形而導致的匝間絕緣損傷等。

(2)定轉子之間氣隙不均。定轉子之間氣隙不均有轉子鐵心不圓、定子中心和轉子中心不重合等原因。

(3)定子繞組端部振動。由于定子繞組所承受的電動力在兩導體之間的作用和電流的平方成正比，如果固定不好，短期就可能使絕緣磨損甚至擊穿的程度。

(4)轉子中心位置偏移。由于轉子中心位置偏移引起的磁通分布不均勻，嚴重時將導致軸承油膜擊穿，并使軸振動加劇，形成軸電流而燒傷軸瓦［8］。

(5)不對稱負荷。當定子各相電流的對稱度被破壞時，出現(xiàn)負序磁場，產(chǎn)生負序電流，由于負序磁場與正序旋轉磁場之間相互作用而產(chǎn)生兩倍基頻的附加振動。嚴重不對稱時，振動可能影響發(fā)電機組的正常運行［9］。

(6)電磁諧振。電磁諧振是當其他振源的振動頻率與發(fā)電機本身的固有振動頻率相接近甚至重合時而發(fā)生的振幅增大現(xiàn)象。

表2 7種電磁振動故障的特征量［7］

4 振動參數(shù)

為了正確對發(fā)電機振動故障進行診斷，必須對其振動參數(shù)進行監(jiān)測，這些參數(shù)包括描寫設備振動狀態(tài)的動態(tài)參數(shù)，描寫位置的靜態(tài)參數(shù)和其它參數(shù)。

4.1 動態(tài)參數(shù)

(1)振幅:振幅是表示機組振動嚴重程度或烈度的一個重要指標，根據(jù)對振幅的監(jiān)測，可以判斷機組是否在平穩(wěn)地運轉。通常高頻取加速度，中等頻率的振動取速度，對于頻率比較低的振動取位移或速度為測定的參數(shù)［9］。

(2)頻率:由于不同的振動源，振動頻率不同，因此頻率常作為分析振動原因的重要依據(jù)。旋轉機械的振動頻率，通常用機械運行轉速的倍數(shù)或分數(shù)來表示。

(3)相角:相角測量可用來描述某一特定時刻轉子的位置，一個好的相角測量系統(tǒng)能夠確定每一傳感器信號上對應的機器轉子的“高點”相對于轉子上某一固定點的位置。機器轉子的平衡狀態(tài)改變將引起高點的變化，這種變化能通過相角變化顯示出來。

(4)振動形式:通過對振動形式的觀測，能直觀地了解某機器的運行狀態(tài)。振動形式是顯示在示波器上的原始振動波形。振動形式無論對預防性維修和預測性維修都是最基本的參數(shù)。

(5)振型:所謂振型是轉軸在一定轉速下，沿軸向的一種變形。

4.2 靜態(tài)參數(shù)

(1)偏心位置:偏心是測量軸承磨損，預加負荷狀態(tài)的一種指示。定期測量偏心位置是絕對必要的，另外在機器的啟動期間，也應該密切注意偏心位置。

(2)軸向位置:軸向位置測量可用來描述止推盤和止推軸承之間的相對位置。對于蒸汽透平或離心壓縮機來說，軸向位置可能是最重要的測量參量。

(3)差脹:對大型蒸汽透平等機組，要求啟動時機殼與轉子必須以同樣的比率受熱膨脹。如果機殼與轉子受熱膨脹的比率不同，就可能發(fā)生軸向摩擦造成振動而使機器受到損害［10］。

(4)機殼膨脹:對某些大型機組，除了監(jiān)視差脹外，還要監(jiān)視機殼膨脹。知道了機殼膨脹和差脹，就可以確定轉子和機殼的膨脹率。如果機殼膨脹不正常，機殼的“滑腳”就會被卡住。

(5)對中:在壓縮機組和燃氣輪機驅動泵機組的安裝過程中常會出現(xiàn)這種故障。通常利用機組中各種不同機器的膨脹資料，并經(jīng)過計算畫出一份安裝對中圖紙，作為一種粗略的參考，最后還要用儀器來確定機組的熱運轉狀態(tài)［11］。

4.3 其他參數(shù)

(1)轉速:轉速即為每分鐘轉軸的轉數(shù)，單位r/min。大多數(shù)機組都要求連續(xù)顯示其轉速在對機組運行狀態(tài)分析中找出振動和轉速之間的關系是很重要的。

(2)溫度:溫度也是分析機器某些特定部件狀態(tài)的重要參數(shù)，尤其是軸向和徑向軸承中巴氏合金襯套的溫度要長期監(jiān)測。同時分析溫度和振動、位置參數(shù)關系，有助于我們發(fā)現(xiàn)機器可能存在的故障。

(3)相關性:在對運行中機器進行全面系統(tǒng)分析時，弄清溫度、壓力、流量和其他一些可能影響機器運行狀態(tài)的外部參量之間的相互關系是非常重要的。它有助于最終確定某一特定機器的運行狀態(tài)，并制訂一個較好的預測維修方案。

5 測點設置和參數(shù)獲取

5.1 測點設置

容量小于30MW的發(fā)電機組一般只設軸徑向振動測點，在各導軸承處設置兩個傳感器，進行相對值測量。

容量為30～100MW的發(fā)電機組固定部件測點設置:對裝有帶推力軸承的支架安置一個垂直振動傳感器，裝有導軸承的支架安置一個水平振動傳感器。固定部件的測點全部進行絕對值測量。

軸徑向振動在各導軸承處設置兩個傳感器，進行相對值測量。

容量為100～300MW的發(fā)電機組軸徑向振動在各導軸承處安置兩個傳感器，進行相對值測量。固定部件測點設置:水輪機頂蓋安置一個垂直振動傳感器;對裝有導軸承的支架安置一個水平振動傳感器;定子鐵心或機座安置垂直、水平振動各一個傳感器;裝有帶推力軸承的支架安置一個垂直振動傳感器。固定部件的測點全部進行絕對值測量。

容量大于300MW的機組軸徑向振動在各導軸承處設置兩個傳感器，進行相對值測量。固定部件測點設置:對裝有帶推力軸承的支架設置兩個垂直振動傳感器;裝有導軸承的支架設置兩個水平振動傳感器;定子鐵心或機座設置垂直、水平振動各兩個傳感器;水輪機頂蓋設兩個垂直振動傳感器。固定部件的測點全部進行絕對值測量，互為備用。

圖1 風力發(fā)電機振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器安裝布置圖

圖1表示的是風力發(fā)電機振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)傳感器安裝布置圖，其中編號為①表示速度傳感器;編號為②的是加速度傳感器;編號為③的是轉速傳感器?？筛鶕?jù)各傳感器測得的數(shù)據(jù)分析機組的運行狀態(tài)。

5.2 參數(shù)獲取

振幅:由于傳感器技術的發(fā)展，人們已經(jīng)開始采用非接觸式的電渦流傳感器直接測量轉軸的振動狀態(tài)，以得到有關轉軸振動幅度的更精確數(shù)據(jù)，從而得到機組運行狀態(tài)的確切信息。

相角:目前測量相角的最準確可靠的方法是利用非接觸式或光電式傳感器(鍵相器)，感受固定在軸上的鍵或槽產(chǎn)生的每轉一次的脈沖信號，作為相位測量的基準信號，此時相角的定義可修正為鍵相器脈沖和振動的第一正峰(相應于機器轉子的高點位置)之間的角度差［12］。

軸向位置:監(jiān)視軸向位置至少要安裝一個電渦流傳感器，最好是兩個，以便提供可靠的信息。測量軸向位置的電渦流傳感器還能同時測量軸向振動，在分析某些機械故障狀態(tài)時，軸向振動是一個很有意義的參數(shù)。

偏心位置:偏心位置的測量是通過安裝在軸承處的監(jiān)測徑向振動的同一傳感器進行的，其輸出信號的直流成分即代表偏心位置(徑向間隙)。偏心度:偏心度一般由安裝在遠離軸承處的傳感器來測量。

差脹:測量差脹時要把電渦流傳感器安裝在機器末端與止推軸承相反的一側。

振型:測量振型的方法是沿轉軸的軸向每一固定間距放置一組互成90度的X－Y傳感器，分別測得相應轉軸截面的中心線振動情況，綜合所測量的這些數(shù)據(jù)便能得到轉軸的振型。

機殼膨脹:機殼膨脹的監(jiān)測通常由安裝在機殼外部，以地基為參考基準的線性可變差動變壓器(LVDT)來完成的。

對中:在熱對中測量技術方面，可以利用類似于大地測量用的光學儀器或激光技術來測量不同機殼的轉軸之間的相對位置的變化。

加速度:加速度傳感器可以將振動的加速度轉換成電信號輸出的傳感器，其輸出量與輸入的振動加速度成正比。

轉速:轉速的測量可以通過轉子的旋轉引起的周期信號的頻率進行測量，如下圖所示，通過公式計算出轉子的轉速:

i:測速盤上的小孔數(shù);

t:采樣時間，單位為s;

m:t時間內(nèi)檢測到的信號數(shù);

n=轉子的轉速。

圖2 轉速測量系統(tǒng)結構示意

6 結束語

發(fā)電機組的振動狀態(tài)監(jiān)測正處在一個高速發(fā)展的時期，隨著傳感器技術的發(fā)展，一些耐高溫、高壓的傳感器得到了應用，能夠更加精確的測得各種參數(shù)，同時，計算機技術的發(fā)展為數(shù)據(jù)分析提供了一個良好的基礎，使得故障前的預防和故障后的檢修更加精確、便利。另一方面，振動參數(shù)的測點設置、傳感器的選擇也是影響所獲取的參數(shù)是否正確的重要因素，而且也是對故障原因的分析和診斷檢修的重要依據(jù)。由于個人水平有限，本文在技術層面不夠深入，有待改進。

［1］孟云.汽輪發(fā)電機組運行中的異常振動事故處理及預防措施［J］.科技技術應用，2012.

［2］陳珊珊，楊躍.大型風機振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷［J］.鞍鋼技術，2003.

［3］劉文藝.風電機組振動監(jiān)測與故障診斷研究［D］.重慶大學.

［4］時軼.風力發(fā)電機組振動測試技術研究［D］.新疆農(nóng)業(yè)大學，2007.

［5］唐新安.600kW風力發(fā)電機組故障診斷［D］.新疆大學，2006.

［6］祝振敏.兆瓦級風電機組振動分析及保護［D］.蘭州理工大學，2008.

［7］張彼德.汽輪發(fā)電機組振動多故障診斷模型及方法研究［D］.重慶大學.

［8］李虎.大型風電機組振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)［D］.華北電力大學，2009.

［9］王煌，姜德政.水電廠推行狀態(tài)檢修工作的思考［J］.水電廠自動化，2007，3:43 －46.

［10］李友平.水電機組振動監(jiān)測分析系統(tǒng)［C］//南瑞集團公司水電廠自動化論文選集，2003，4:237 －239.

［11］馬元奎.汽輪發(fā)電機組振動信號處理及智能診斷方法研究［D］.南京:東南大學，2001.

［12］王衛(wèi)東.165MW汽輪發(fā)電機組軸瓦振動問題的分析［J］.工業(yè)技術，2013.