汽輪發(fā)電機(jī)組低頻振動(dòng)故障分析

陳松平

(蘇州熱工研究院有限公司,江蘇蘇州215004)

汽輪發(fā)電機(jī)組低頻振動(dòng)故障分析

陳松平

(蘇州熱工研究院有限公司,江蘇蘇州215004)

大型汽輪發(fā)電機(jī)組易突發(fā)低頻振動(dòng)故障,威脅機(jī)組安全運(yùn)行。通過(guò)對(duì)近年來(lái)我國(guó)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組軸系低頻振動(dòng)案例整理總結(jié),歸納分析了低頻振動(dòng)故障原因、振動(dòng)特征及變化趨勢(shì)。根據(jù)分析結(jié)果,提出低頻失穩(wěn)故障診斷的依據(jù)和預(yù)防措施,為今后同類(lèi)故障的診斷及處理提供技術(shù)參考。

汽輪發(fā)電機(jī)組；低頻振動(dòng)；故障原因；振動(dòng)特征

近年來(lái),隨著汽輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)、容量的迅速發(fā)展,突發(fā)低頻振動(dòng)事故也隨之增多,影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。低頻振動(dòng)故障機(jī)理及原因復(fù)雜,涉及設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行等各方面,增加了故障處理的難度,如張家口2號(hào)、楊柳青5號(hào)等機(jī)組多次突發(fā)大的低頻振動(dòng),采取各種措施后仍未徹底解決振動(dòng)問(wèn)題［1-2］。通過(guò)總結(jié)分析過(guò)去我國(guó)汽輪發(fā)電機(jī)組低頻振動(dòng)事故的典型案例,分析故障的原因特點(diǎn),可以指導(dǎo)今后的故障處理工作。

1 低頻振動(dòng)案例

表1匯總近年來(lái)國(guó)內(nèi)發(fā)生一些典型低頻振動(dòng)故障案例,總結(jié)歸納事故發(fā)生的原因及處理方法。分析發(fā)現(xiàn)油膜失穩(wěn)及汽流激振引起的自激振動(dòng)是低頻振動(dòng)最主要的原因；此外,分?jǐn)?shù)諧波、大不平衡、動(dòng)靜碰摩及隨機(jī)振動(dòng)也會(huì)引起低頻振動(dòng)。

表1 汽輪發(fā)電機(jī)組低頻振動(dòng)事故分析

表1 (續(xù))

2 低頻振動(dòng)原因分析

總結(jié)分析低頻振動(dòng)事故案例,常見(jiàn)的故障原因?yàn)檩S瓦穩(wěn)定性差、軸頸擾動(dòng)過(guò)大及汽流激振力過(guò)大等,見(jiàn)圖1。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組低頻振動(dòng)故障原因分析

2.1 軸瓦穩(wěn)定性差

軸瓦穩(wěn)定性下降將使系統(tǒng)阻尼減小,降低激發(fā)低頻失穩(wěn)的門(mén)檻,造成振動(dòng)突發(fā),是引發(fā)低頻失穩(wěn)最重要的原因。軸瓦穩(wěn)定性差的主要原因有：

(1)軸瓦型式。不同軸承的穩(wěn)定性裕度不同,如可傾瓦高于橢圓瓦,橢圓瓦高于圓筒瓦,穩(wěn)定性最差為三油楔瓦。

(2)軸瓦頂隙過(guò)大。頂隙過(guò)大會(huì)減小軸瓦的偏心率,使軸瓦穩(wěn)定性降低。

(3)軸承座標(biāo)高變化。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中由于機(jī)組熱態(tài)中心變化,以及真空度、氫壓、地基不均勻沉降等因素影響,容易導(dǎo)致標(biāo)高變化。標(biāo)高變化會(huì)影響軸承載荷分配,使某些軸承輕載而導(dǎo)致失穩(wěn)發(fā)生。

(4)軸瓦損傷。軸承油膜對(duì)軸瓦和軸頸的型線和光潔度要求非常高,如果軸瓦運(yùn)行中造成損傷,不能形成正常的油膜,將大大降低油膜阻尼,無(wú)法起到遏制失穩(wěn)的作用。

(5)軸承比壓低,長(zhǎng)徑比大。軸承比壓是軸瓦單位工作面積上所承受的載荷,比壓高的軸承,軸頸偏心率也大,油膜穩(wěn)定性更高。減小軸瓦長(zhǎng)徑比能提高比壓,并使下瓦油膜力減小,增加軸瓦穩(wěn)定性。

(6)潤(rùn)滑油黏度不合理。潤(rùn)滑油粘度過(guò)高,會(huì)降低軸頸在軸承中的偏心率,不利于軸頸穩(wěn)定；油黏度過(guò)低將減少油膜的阻尼,對(duì)抑制油膜振蕩不利。

2.2 軸頸擾動(dòng)過(guò)大

軸頸擾動(dòng)過(guò)大是引起油膜失穩(wěn)的重要原因之一,也是引起汽流激振、分?jǐn)?shù)諧波振動(dòng)等低頻振動(dòng)的重要誘因。引起軸頸擾動(dòng)過(guò)大的原因有不平衡、轉(zhuǎn)子熱彎曲、不對(duì)中等。這些強(qiáng)迫振動(dòng)故障引起的劇烈振動(dòng)會(huì)使軸承工作條件惡化,成為導(dǎo)致油膜失穩(wěn)的誘因。另外,軸承座剛度過(guò)大也會(huì)加劇擾動(dòng)。

2.3 蒸汽激振力

隨著蒸汽參數(shù)提高,作用在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子上的激振力也會(huì)增大,降低軸系振動(dòng)穩(wěn)定性,誘發(fā)轉(zhuǎn)子失穩(wěn)。蒸汽激振力包括葉頂間隙激振力、密封蒸汽激振力和不對(duì)稱(chēng)蒸汽力及力矩,其中由調(diào)節(jié)閥進(jìn)汽方式不對(duì)稱(chēng)引起的蒸汽力和力矩是引起汽流激振最常見(jiàn)的原因。

2.4 動(dòng)靜碰摩

當(dāng)機(jī)組發(fā)生周向動(dòng)靜碰摩時(shí),會(huì)提高或降低轉(zhuǎn)子一階固有頻率,并為0.5X頻率,并使軸系在不平衡力的激勵(lì)下產(chǎn)生低頻振動(dòng)。

2.5 大不平衡

常見(jiàn)的大不平衡包括轉(zhuǎn)子部件脫落或松動(dòng)、葉片斷裂等。研究發(fā)現(xiàn),大不平衡實(shí)質(zhì)上總是伴隨著動(dòng)靜碰摩發(fā)生［3］。軸系振動(dòng)響應(yīng)表現(xiàn)出強(qiáng)非線性特性,頻譜含有豐富的分頻、倍頻響應(yīng)成分。如果大不平衡發(fā)生在靠近失穩(wěn)轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行的轉(zhuǎn)子上,振動(dòng)響應(yīng)頻譜除基頻分量外,主要表現(xiàn)為對(duì)應(yīng)一階臨界轉(zhuǎn)速的低頻振動(dòng)分量［2］。

2.6 隨機(jī)振動(dòng)

隨機(jī)振動(dòng)屬于強(qiáng)迫振動(dòng),由激振力頻率決定振動(dòng)頻率。隨機(jī)振動(dòng)會(huì)使振幅測(cè)量失真。機(jī)組容量增大會(huì)使隨機(jī)振動(dòng)振幅顯著增大。引起隨機(jī)振動(dòng)的原因有：流體直接沖擊轉(zhuǎn)子、管道的隨機(jī)振動(dòng)傳至軸承座或汽缸、松動(dòng)的大部件和軸頸對(duì)軸瓦不穩(wěn)定沖擊等。由于激振力頻帶較寬,易誘發(fā)周?chē)考舱?產(chǎn)生明顯有害振動(dòng)。

2.7 分?jǐn)?shù)諧波振動(dòng)

引起分?jǐn)?shù)諧波振動(dòng)的原因主要有：轉(zhuǎn)子固有頻率接近工作轉(zhuǎn)速的整數(shù)分之一,引起分?jǐn)?shù)諧波共振；軸承阻尼較低；大的振動(dòng)如不平衡等激發(fā)分?jǐn)?shù)諧波振動(dòng)。

通過(guò)對(duì)事故案例統(tǒng)計(jì)分析,得出低頻振動(dòng)故障原因的比率,見(jiàn)圖2。

圖2 引起低頻振動(dòng)原因分析

3 低頻振動(dòng)故障特征

當(dāng)發(fā)生低頻振動(dòng)故障時(shí),機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)會(huì)迅速發(fā)生變化。通過(guò)分析振動(dòng)數(shù)據(jù),掌握低頻振動(dòng)特征,有助于判斷故障原因,采取相應(yīng)措施,避免事故發(fā)生。

3.1 頻率特征

低頻振動(dòng)中油膜渦動(dòng)頻率為0.5X,油膜振蕩頻率為轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)頻,汽流激振低頻成分以接近0.5X為主,嚴(yán)重時(shí)為轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)頻［4-5］。機(jī)組發(fā)生動(dòng)靜碰摩、大不平衡及隨機(jī)振動(dòng)引起強(qiáng)烈的非線性振動(dòng),也會(huì)產(chǎn)生明顯低頻成分［6-8］。實(shí)際機(jī)組中,因軸頸表面相對(duì)軸瓦表面光滑及軸承潤(rùn)滑油存在端泄,油膜平均渦動(dòng)頻率會(huì)略低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一半,使低頻成分低于0.5X。分?jǐn)?shù)諧波共振由轉(zhuǎn)子固有頻率決定,為工頻的整數(shù)分之一(1/2、1/3、1/4…)。

3.2 時(shí)變特征

低頻失穩(wěn)振動(dòng)的典型特征為突發(fā)性,在故障發(fā)生前振動(dòng)很穩(wěn)定,當(dāng)工況變化或擾動(dòng)增大時(shí)突然發(fā)生。振動(dòng)突增前后變化成分主要為低頻成分,且油膜振蕩及汽流激振低頻成分較油膜渦動(dòng)更明顯。油膜振蕩和汽流激振穩(wěn)定性差,而發(fā)生油膜渦動(dòng)時(shí)振動(dòng)則相對(duì)穩(wěn)定。低頻失穩(wěn)另一個(gè)重要特征是再現(xiàn)性,即在相同工況附近會(huì)多次重復(fù)發(fā)生。由于振動(dòng)與擾動(dòng)相關(guān),因此每次故障工況可能不同,如海門(mén)電廠1 000 MW機(jī)組調(diào)試過(guò)程中發(fā)生的兩次油膜渦動(dòng)故障,分別在定速后5 min和升速過(guò)程中突發(fā)［9］。

機(jī)組發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)時(shí)由于振幅測(cè)量失真,振幅指示會(huì)出現(xiàn)忽大忽小,波動(dòng)不定,通頻與基頻振幅相差懸殊,大軸偏心值增大且不穩(wěn)定；出現(xiàn)大不平衡故障會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)短時(shí)間內(nèi)明顯增大的趨勢(shì)(如部件松動(dòng)),或瞬間急劇增大(如葉片斷裂)；發(fā)生分?jǐn)?shù)諧波振動(dòng)會(huì)急劇增大或減小,極不穩(wěn)定。

圖3、圖4分別為機(jī)組油膜失穩(wěn)、汽流激振的振動(dòng)突變圖［10-11］。

圖3 某390 MW機(jī)組油膜振蕩振動(dòng)趨勢(shì)

圖4 某600 MW 機(jī)組突發(fā)汽流激振

3.3 其他特征

其他特征包括：

(1)發(fā)生工況。油膜渦動(dòng)常在升速或運(yùn)行受擾動(dòng)時(shí)突發(fā),當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2倍一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí),發(fā)展成油膜振蕩。汽流激振總是在某一門(mén)檻負(fù)荷附近突發(fā),隨負(fù)荷變化明顯；而油膜失穩(wěn)有時(shí)敏感于負(fù)荷,如因機(jī)組熱狀態(tài)變化導(dǎo)致軸承參數(shù)改變,進(jìn)而引起低頻振動(dòng),但沒(méi)有明顯規(guī)律性,見(jiàn)圖5［12-14］。

圖5 某300 MW機(jī)組汽流激振F低頻分量隨負(fù)荷變化

由圖5可知：低頻分量振幅與機(jī)組負(fù)荷變化有明顯的相關(guān)性。機(jī)組在接近滿負(fù)荷時(shí),振動(dòng)突增,降負(fù)荷后,振動(dòng)也隨之下降,當(dāng)負(fù)荷降至某個(gè)點(diǎn)時(shí),低頻分量迅速下降。

(2)振動(dòng)傳遞性。油膜失穩(wěn)具有傳遞性,即振動(dòng)首先在某一軸承上出現(xiàn),然后迅速傳遞到相鄰軸承。

(3)軸心軌跡。軸系發(fā)生失穩(wěn)時(shí),軸心軌跡不再保持規(guī)則的橢圓形,其中油膜失穩(wěn)保持雙橢圓狀,油膜振蕩及汽流激振呈擴(kuò)散不規(guī)則狀,見(jiàn)圖6［12-14］。

圖6 低頻振動(dòng)軸心軌跡

由圖6可知：油膜振蕩和汽流激振是非常不規(guī)則的劇烈振動(dòng),軸心軌跡沒(méi)有規(guī)律可循,而油膜失穩(wěn)則相對(duì)溫和,處理起來(lái)也較為容易。

(4)高發(fā)部位。油膜振蕩在2倍臨界轉(zhuǎn)速以上發(fā)生,所以常發(fā)生在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子,有時(shí)也發(fā)生在穩(wěn)定性很差的軸承上。汽流激振則常發(fā)生在大功率機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子上,因?yàn)樵撎幊惺苷羝ふ窳ψ畲蟆?/p>

(5)雜音。油膜振蕩時(shí)潤(rùn)滑油在軸承間隙內(nèi)劇烈抖動(dòng),軸承箱會(huì)發(fā)出異常聲音。

4 低頻失穩(wěn)故障處理

通過(guò)常見(jiàn)低頻振動(dòng)故障原因,分析總結(jié)出常見(jiàn)處理措施為：

(1)降低軸頸振動(dòng)。對(duì)油膜失穩(wěn)故障,首先確定軸頸振動(dòng)是否過(guò)大,當(dāng)擾動(dòng)過(guò)大時(shí)應(yīng)先降低擾動(dòng)。軸頸擾動(dòng)由強(qiáng)迫振動(dòng)引起,應(yīng)根據(jù)故障原因采取相應(yīng)措施,如動(dòng)平衡、調(diào)整中心等方式降低振動(dòng)。消除轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰摩及管道設(shè)計(jì)不合理帶來(lái)的隨機(jī)擾動(dòng)。

(2)降低汽流激振力。當(dāng)發(fā)生汽流激振所引起的低頻失穩(wěn)振動(dòng)時(shí),應(yīng)降低汽輪激振力,可以采用改變調(diào)節(jié)閥開(kāi)啟順序或重疊度,降低不平衡力和力矩；調(diào)整轉(zhuǎn)子動(dòng)葉圍帶汽封、隔板汽封及軸封的汽封間隙,防止周向間隙偏差過(guò)大；在葉頂和端部汽封等處安裝止渦裝置等。

(3)提高軸瓦穩(wěn)定性。軸瓦穩(wěn)定性提高,系統(tǒng)阻尼增大,能增強(qiáng)對(duì)激振力擾動(dòng)的抑制,降低發(fā)生汽流激振的可能性?？梢圆捎锰岣邼?rùn)滑油溫；更換穩(wěn)定性更高軸承型式；調(diào)整軸瓦頂隙及軸承座標(biāo)高；消除軸瓦自身缺陷；防止軸封漏氣,導(dǎo)致軸承座受熱不均而標(biāo)高變化；減少軸瓦長(zhǎng)徑比,提高軸承比壓等。

(4)緊固轉(zhuǎn)子活動(dòng)部件及聯(lián)軸器螺栓,防止聯(lián)軸器螺栓及轉(zhuǎn)子平衡塊、轉(zhuǎn)子線圈墊塊松動(dòng),防止中心孔堵頭脫落及低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片斷裂飛脫等。

5 故障預(yù)防措施

通過(guò)整理分析,預(yù)防故障的主要措施有：

(1)設(shè)計(jì)階段。采用提高汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速,改進(jìn)汽封結(jié)構(gòu)間隙,在汽封處安裝止渦裝置,選用穩(wěn)定性更高的軸承,改變軸系布置等方式提高軸系穩(wěn)定性。

(2)安裝或檢修時(shí)。嚴(yán)格按規(guī)程控制軸瓦頂隙、汽封、葉頂間隙,合理調(diào)整軸承座標(biāo)高,提高軸承比壓,檢查轉(zhuǎn)子對(duì)中狀態(tài)等避免軸瓦穩(wěn)定性下降或使擾動(dòng)增大。緊固轉(zhuǎn)子活動(dòng)部件及聯(lián)軸器螺栓。

(3)運(yùn)行中。控制振動(dòng)水平,防止軸頸擾動(dòng)過(guò)大和汽流激振力過(guò)大,選擇最佳調(diào)節(jié)閥運(yùn)行方式。當(dāng)機(jī)組存在碰摩、熱彎曲、不對(duì)中等強(qiáng)迫振動(dòng)故障時(shí),應(yīng)立即處理。對(duì)易發(fā)生汽流激振的機(jī)組,采用節(jié)流調(diào)節(jié)全周進(jìn)汽和變壓運(yùn)行。提高潤(rùn)滑油溫,降低潤(rùn)滑油黏度。防止高負(fù)荷時(shí)軸承標(biāo)高在熱態(tài)下發(fā)生改變。

6 結(jié)語(yǔ)

筆者通過(guò)汽輪發(fā)電機(jī)組低頻振動(dòng)案例,總結(jié)分析了故障原因、振動(dòng)特征及有效的處理措施。當(dāng)機(jī)組突發(fā)低頻振動(dòng)故障時(shí),應(yīng)首先辨明故障原因,隨后采取相應(yīng)的解決措施,以確保機(jī)組安全運(yùn)行。

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Cause Analysis of Low-frequency Vibration in Turbo-Generator Sets

Chen Songping
(Suzhou Nuclear Power Research Institute,Suzhou 215004,Jiangsu Province,China)

Low-frequency vibration is a common vibration fault in large turbo-generator sets, threatening the safe operation of the units.By analyzing the low-frequency vibration cases of domestic turbo-generator sets in recent years,the reasons,features and variation tendency of low-frequency vibration faults are summarized,and subsequently corresponding diagnosis criteria and preventative measures are suggested,which may serve as a reference for diagnosis and treatment of similar faults.

turbo-generator set；low-frequency vibration；fault cause；vibration feature

TK268.1

A

1671-086X(2015)03-0200-05

2014-07-14

陳松平(1986-),男,工程師,主要從事電站設(shè)備管理與工程改造工作。

E-mail：songping08@163.com