汽輪機(jī)振動(dòng)故障檢測(cè)與診斷分析

摘要：隨著時(shí)代的進(jìn)步，汽輪發(fā)電機(jī)組的容量和結(jié)構(gòu)都在不斷變化，以求適應(yīng)新的工業(yè)生產(chǎn)。掌握先進(jìn)的、科學(xué)的故障檢測(cè)技術(shù)，不僅對(duì)保證機(jī)組的安全可靠運(yùn)行十分重要，同時(shí)也會(huì)影響到企業(yè)的生產(chǎn)周期、工人的工作環(huán)境安全以及企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。文章對(duì)汽輪機(jī)振動(dòng)故障檢測(cè)與診斷進(jìn)行了探索，希望能推動(dòng)汽輪機(jī)故障預(yù)測(cè)與診斷的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；發(fā)電機(jī)組；振動(dòng)故障；故障檢測(cè)；故障診斷 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TK263 文章編號(hào)：1009-2374（2015）33-0054-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.33.029

汽輪發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中占有重要地位，由于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和使用環(huán)境非常復(fù)雜，故而對(duì)其安全性的要求較為嚴(yán)格。一直以來，汽輪機(jī)的故障率居高不下，對(duì)機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)影響巨大。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，人工智能和電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)大規(guī)?？缧袠I(yè)的應(yīng)用，使工人對(duì)汽輪機(jī)組震動(dòng)故障分析自動(dòng)化提供了技術(shù)支持。本文就以獨(dú)特的視角，對(duì)如何進(jìn)行汽輪機(jī)組振動(dòng)故障分析進(jìn)行

論述。

1 汽輪機(jī)振動(dòng)故障檢測(cè)與診斷分析的目的

在當(dāng)前快節(jié)奏的生產(chǎn)中，企業(yè)已經(jīng)不能夠承擔(dān)因機(jī)組停工而造成的損失，因此，必須具有一套快速診斷方案，從而保證機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)。而汽輪機(jī)組振動(dòng)故障相對(duì)于其他故障來講，可以更快地通過先進(jìn)技術(shù)手段來進(jìn)行判斷和定位，也更容易被管理者和使用者所獲悉。所以，在檢修技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，加快對(duì)汽輪機(jī)組振動(dòng)故障快速診斷與分析技術(shù)的探索，具有極為重要的戰(zhàn)略意義。汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)異常是運(yùn)行中最常見的故障之一，汽輪機(jī)組振動(dòng)過大將使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件如葉片、葉輪等應(yīng)力超過允許值而損壞，振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)，可能導(dǎo)致自動(dòng)保護(hù)器誤動(dòng)作而發(fā)生停機(jī)事故以及軸承座松動(dòng)、基礎(chǔ)甚至廠房建筑物的共振損壞等。因此，必須使機(jī)組的振動(dòng)程度保持在規(guī)定的允許范圍內(nèi)。

2 振動(dòng)故障檢測(cè)與分析技術(shù)的步驟

2.1 振動(dòng)信號(hào)采集

對(duì)于汽輪機(jī)組的故障分析，第一步要做到的就是在機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中檢測(cè)機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)。振動(dòng)信號(hào)是660MW的汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障信息的重要載體與表現(xiàn)形式。收集到振動(dòng)信號(hào)后，才能根據(jù)機(jī)組運(yùn)行的特征從信息庫(kù)內(nèi)進(jìn)行對(duì)照與分析，從而客觀真實(shí)地分析出機(jī)組故障的部位與大體原因。

2.2 信息處理

哈爾濱660MW的汽輪發(fā)電機(jī)組屬于大功率機(jī)械設(shè)備，在運(yùn)行中必然會(huì)伴隨著大量的噪音，從而會(huì)干擾系統(tǒng)對(duì)所收集到的振動(dòng)信號(hào)正確性與準(zhǔn)確性的判斷，所以我們必須對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的降噪處理，消除噪音的非正常干擾，還原信號(hào)本源。

2.3 故障分析與診斷

這是對(duì)汽輪機(jī)組振動(dòng)故障進(jìn)行分析的核心環(huán)節(jié)，在這個(gè)環(huán)節(jié)，我們要對(duì)所收集到的信息進(jìn)行歸納與整理，通過特征值來識(shí)別機(jī)組運(yùn)行中振動(dòng)的程度是否在合理范圍之內(nèi)，如果出現(xiàn)異常，需要對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。隨后診斷機(jī)組出現(xiàn)故障的具體位置，并做出處理方案和維修建議。

2.4 故障分析設(shè)計(jì)流程圖

通過上述分析，我們可以設(shè)計(jì)出具體的故障分析處理流程（見圖1）：

圖1 故障分析設(shè)計(jì)流程圖

3 振動(dòng)故障檢測(cè)與分析措施

3.1 轉(zhuǎn)子運(yùn)行問題

對(duì)于汽輪機(jī)組的振動(dòng)異常，筆者根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集之后進(jìn)行分析得出，大部分問題是出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子工作異常上。具體問題可以從以下四個(gè)方面進(jìn)行診斷：轉(zhuǎn)子質(zhì)量是否平衡、轉(zhuǎn)子中心是否對(duì)稱、轉(zhuǎn)子是否變形、轉(zhuǎn)子是否被破壞。

3.1.1 我們要關(guān)注轉(zhuǎn)子平衡性相關(guān)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子不平衡又分為部分不平衡和部分缺失兩種狀況，如果在收集的數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)組機(jī)軸震動(dòng)較大，轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速振幅異常，高速狀態(tài)下的振動(dòng)速度異常增加，振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速相等且為正弦波，我們可診斷振動(dòng)故障的具體原因是轉(zhuǎn)子平衡性不足。

3.1.2 對(duì)于轉(zhuǎn)子中心對(duì)稱性故障的診斷，我們要關(guān)注轉(zhuǎn)子中心調(diào)整的相關(guān)數(shù)據(jù)：轉(zhuǎn)子與汽缸或靜子的同心度、軸承坐標(biāo)高度和左右長(zhǎng)度，聯(lián)軸器數(shù)據(jù)。前兩個(gè)數(shù)據(jù)異常，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)異常的氣流、電磁變化、非正常摩擦力等，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定而出現(xiàn)振動(dòng)故障，第三個(gè)數(shù)值異常會(huì)導(dǎo)致連接軸系的不同心，致使轉(zhuǎn)子承受預(yù)載荷。

3.1.3 轉(zhuǎn)子形狀也是振動(dòng)故障分析的重要診斷依據(jù)。轉(zhuǎn)子形狀問題主要有兩種，即電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲。如果電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，振動(dòng)會(huì)比正常狀態(tài)下大。這時(shí)候如果轉(zhuǎn)子冷熱交加，極容易出現(xiàn)彎曲變形，這種變形統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)子熱彎曲。如果汽輪機(jī)組在運(yùn)行中出表現(xiàn)出冷態(tài)啟動(dòng)以及通過一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，振動(dòng)無明顯異常，但是延長(zhǎng)暖機(jī)后出現(xiàn)汽輪機(jī)整體振動(dòng)大增，負(fù)荷增加變慢，振幅、相位變化激增現(xiàn)象，我們也可以分析是否存在汽輪轉(zhuǎn)子熱彎曲問題。

3.1.4 如果汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)子部位出現(xiàn)異常振動(dòng)，但是上述三個(gè)方面均沒有特別的問題，那么我們可以初步診斷是否由于轉(zhuǎn)子出現(xiàn)裂縫或者破損而導(dǎo)致的振動(dòng)故障。

3.2 轉(zhuǎn)軸摩擦問題

轉(zhuǎn)軸徑向碰磨也是汽輪機(jī)組在啟動(dòng)和正常運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)故障的主要原因之一，具體有下面兩種情況：

3.2.1 機(jī)組啟停中的轉(zhuǎn)軸碰磨。在汽輪機(jī)組啟停的過程中，我們可以根據(jù)振幅的變化來判斷轉(zhuǎn)軸碰磨的程度和時(shí)期。如果機(jī)組的振動(dòng)情況呈階段性振動(dòng)，而且隨著振動(dòng)停止，碰磨停止，轉(zhuǎn)軸徑向不再出現(xiàn)不對(duì)稱的溫差，一旦振動(dòng)增加，轉(zhuǎn)軸又恢復(fù)碰磨，那么我們可以斷定，出現(xiàn)問題的原因是機(jī)組內(nèi)部轉(zhuǎn)軸某金屬出現(xiàn)熱彎曲或者磨損嚴(yán)重導(dǎo)致變形。對(duì)于轉(zhuǎn)軸啟停中的轉(zhuǎn)軸碰磨問題，我們必須高度重視，盡量在早期完成診斷和修復(fù)處理。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)軸碰磨開始的時(shí)候，金屬部件的碰撞磨損速度低于轉(zhuǎn)子熱彎曲的彎曲變化速度，這時(shí)如果對(duì)機(jī)器進(jìn)行及時(shí)的維修，還可以控制機(jī)器碰磨程度。隨著金屬變形程度的增加，一旦轉(zhuǎn)子速度高于一階臨界轉(zhuǎn)速，就會(huì)加劇轉(zhuǎn)軸振動(dòng)幅度，出現(xiàn)振動(dòng)失控。這時(shí)即使我們強(qiáng)行關(guān)閉電源，在轉(zhuǎn)速下降期間的共振也會(huì)加劇轉(zhuǎn)軸的摩擦。

3.2.2 工作轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)軸碰磨。工作轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)軸碰磨有許多表象可以進(jìn)行判斷分析。一般來講，有以下四個(gè)特征：（1）振動(dòng)的基頻分量波動(dòng)和突變；（2）振幅波動(dòng)不穩(wěn)定；（3）汽輪機(jī)組振動(dòng)特征在第一臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)不清晰；（4）運(yùn)轉(zhuǎn)中，初期振幅以較大的速度增加，但是在接近振幅最大值時(shí)，振幅增長(zhǎng)較慢。

出現(xiàn)上述情況，我們可以對(duì)振動(dòng)故障是否是工作轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)軸碰磨做出診斷。

3.3 其他導(dǎo)致振動(dòng)故障的原因

導(dǎo)致汽輪機(jī)組振動(dòng)故障發(fā)生的原因還有很多，比如基礎(chǔ)臺(tái)板與基礎(chǔ)接觸不良、潤(rùn)滑油不足或油質(zhì)低劣、軸承工作特性較差等。如果使用之前的診斷分析無法做出正確的判斷，則需要使用專業(yè)的振動(dòng)分析設(shè)備和軟件進(jìn)行檢測(cè)，看看機(jī)組是否只存在這些原因，不能放任機(jī)組的故障。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，660MW的汽輪發(fā)電機(jī)組在工作中承受著多種應(yīng)力的作用，其中包括氣流作用力、葉片、葉輪離心力、溫差熱應(yīng)力等。因此，機(jī)組內(nèi)部或多或少會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。但是當(dāng)振動(dòng)的程度超出正常范圍之后，我們就必須提高警惕，對(duì)振動(dòng)故障進(jìn)行檢測(cè)與診斷分析，確保機(jī)組的安全運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，我們還要努力收集各種振動(dòng)數(shù)據(jù)，豐富振動(dòng)故障分析的數(shù)據(jù)庫(kù)，不斷提高對(duì)振動(dòng)故障的診斷水平，加快故障分析與定位速度，提高故障預(yù)測(cè)能力，保證汽輪機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：劉建清（1986-），男，甘肅景泰人，大唐景泰發(fā)電廠助理工程師，研究方向：火電廠集控運(yùn)行。

（責(zé)任編輯：陳 潔）