關(guān)于電廠汽輪機(jī)振動(dòng)故障的具體分析

劉志超

摘 要：汽輪機(jī)作為發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其故障率的減少對于整個(gè)系統(tǒng)都有著重要的意義。其肩負(fù)著發(fā)電任務(wù)。由于汽輪機(jī)一般都處于長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，從而很容易造成重要零部件出現(xiàn)磨損，一旦磨損情況嚴(yán)重時(shí)，便會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)，甚至?xí)绊懫啓C(jī)的正常運(yùn)行。振動(dòng)是汽輪機(jī)常見故障，造成汽輪機(jī)振動(dòng)的原因較多也相對比較復(fù)雜。為確保機(jī)組的安全、可靠運(yùn)行，必須針對振動(dòng)產(chǎn)生的原因采取相應(yīng)的對策予以解決。筆者根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，主要針對電廠汽輪機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行分析和討論。

關(guān)鍵詞：電廠汽輪機(jī)；振動(dòng)故障；具體分析；

一、電廠汽輪機(jī)的工作原理

汽輪機(jī)的主要元件是由噴嘴（也稱靜葉）與動(dòng)葉（也稱葉片）兩個(gè)部件組成。噴嘴 固定在機(jī)殼或隔板上，動(dòng)葉固定在輪盤上。蒸汽通過噴嘴時(shí)，壓力下降，體積膨脹形成高速汽流，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)而作功。如果蒸汽在葉片中壓力不再降低，也就是蒸汽在葉片通道中的流速（即相對速度）不變化，只是依靠汽流對葉片的沖擊力量而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，這類汽輪機(jī)稱為沖動(dòng)式，也稱壓力級，在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。如果蒸汽在葉片中繼續(xù)膨脹（簡稱相對速度）比進(jìn)口時(shí)要大，這種汽輪機(jī)的作功不僅由于蒸汽對葉片的沖擊力，而且還有由于蒸汽相對速度的變化而產(chǎn)生的巨大的反作用力，因此這類汽輪機(jī)稱為反動(dòng)式汽輪機(jī)。只有一列噴嘴和一列動(dòng)葉片組成的汽輪機(jī)叫單級汽輪機(jī)。由幾個(gè)單級串聯(lián)起來叫多級汽輪機(jī)。由于高壓蒸汽一次降壓后汽流速度極高，因而葉輪轉(zhuǎn)速極高，將超過目前材料允許的強(qiáng)度。因此采用壓力分級法，每次在噴嘴中壓力降都不大，因而汽流速度也不高，高壓蒸汽經(jīng)多級葉輪后能量既充分得到利用而葉輪轉(zhuǎn)速也不超過材料強(qiáng)度許可范圍。這就是采用多級汽輪機(jī)的原因。如果由于蒸汽離開每一級葉片的流速仍高，為了充分利用汽流的動(dòng)能，可用導(dǎo)向葉片將汽流引入第二排葉片中（每一個(gè)葉輪可安裝二排葉片）進(jìn)一步推動(dòng)轉(zhuǎn)軸做功，這稱為速度分級，簡稱速度級（又稱復(fù)速級）。速度級常用于小型汽輪機(jī)，或汽輪機(jī)的第一級。蒸汽機(jī)在實(shí)質(zhì)上是一種原動(dòng)機(jī)，可以轉(zhuǎn)化不同性質(zhì)的各種能量。它一般通過旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行能量之間的轉(zhuǎn)換，主要用于發(fā)電廠的原動(dòng)機(jī)，但同時(shí)也可作為發(fā)動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或是風(fēng)機(jī)等，還能為我們的生活和生產(chǎn)提供熱能。電廠汽輪機(jī)的工作原理其實(shí)并不復(fù)雜，簡單點(diǎn)說就是利用物體在不同的作用力下進(jìn)行做功。其中，這些作用力可以是沖動(dòng)力也可以是反作用力。前者利用物體受到?jīng)_動(dòng)力作用而改變了速度，來做機(jī)械功。而后者則利用物體受到反作用力而改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來做功。這兩種就是電廠汽輪機(jī)的主要工作原理。

二、汽輪機(jī)常見異常振動(dòng)故障

1、軸承的軸向振動(dòng)

在測量機(jī)組振動(dòng)過程中，常發(fā)現(xiàn)軸承的軸向振動(dòng)過大，其振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速相同。引起軸承軸向振動(dòng)過大的原因有如下幾點(diǎn)。

（1）彎曲的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸頸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，軸頸在軸瓦內(nèi)的油膜承力中心沿軸向隨轉(zhuǎn)速發(fā)生周期性變化，從而引起軸承座的軸向振動(dòng)。

（2）軸瓦受力中心跟軸承座幾何中心不重合。

（3）軸承座不穩(wěn)固。撓曲的轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時(shí)，將力圖使軸瓦及軸承座作相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，但軸承無法追隨軸頸的偏轉(zhuǎn)只能形成軸向振動(dòng)。軸向振動(dòng)的幅值同轉(zhuǎn)子的撓曲程度成正比，而各軸承振動(dòng)的相位則取決于轉(zhuǎn)子撓曲彈性線的形狀。在一階臨界轉(zhuǎn)速附近轉(zhuǎn)子兩個(gè)軸承的軸向振動(dòng)相位相反。而在二階臨界轉(zhuǎn)速附近轉(zhuǎn)子兩個(gè)軸承的軸向振動(dòng)相位則相同。

2、汽流激振

汽流激振有兩個(gè)主要特征：一是應(yīng)該出現(xiàn)較大量值的低頻分量；二是振動(dòng)的增大受運(yùn)行參數(shù)的影響明顯，如負(fù)荷，且增大應(yīng)該呈突發(fā)性。其原因主要是由于葉片受不均衡的氣體來流沖擊就會(huì)發(fā)生汽流激振；對于大型機(jī)組，由于末級較長，氣體在葉片膨脹末端產(chǎn)生流道紊亂也可能發(fā)生汽流激振現(xiàn)象；軸封也可能發(fā)生汽流激振現(xiàn)象。針對汽輪機(jī)組汽流激振的特征，其故障分析要通過長時(shí)間（一年以上）記錄每次機(jī)組振動(dòng)的數(shù)據(jù)，連同機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)的數(shù)據(jù)記錄，做出成組曲線，觀察曲線的變化趨勢和范圍。通過改變升降負(fù)荷速率，從5T/h到50/h的給水量逐一變化的過程，觀察曲線變化情況。通過改變汽輪機(jī)不同負(fù)荷時(shí)高壓調(diào)速汽門重調(diào)特性，消除氣流激振。簡單的說就是確定機(jī)組產(chǎn)生汽流激振的工作狀態(tài)，采用減低負(fù)荷變化率和避開產(chǎn)生汽流激振的負(fù)荷范圍的方式來避免汽流激振的產(chǎn)生。

3、轉(zhuǎn)子熱變形

轉(zhuǎn)子熱變形引發(fā)的振動(dòng)特征是一倍頻振幅的增加與轉(zhuǎn)子溫度和蒸汽參數(shù)有密切關(guān)系，大都發(fā)生在機(jī)組冷態(tài)啟機(jī)定速后帶負(fù)荷階段，此時(shí)轉(zhuǎn)子溫度逐漸升高，材質(zhì)內(nèi)應(yīng)力釋放引起轉(zhuǎn)子熱變形，一倍頻振動(dòng)增大，同時(shí)可能伴隨相位變化。由于引起了轉(zhuǎn)子彎曲變形而導(dǎo)致機(jī)組異常振動(dòng)。轉(zhuǎn)子永久性彎曲和臨時(shí)性彎曲是兩種不同的故障，但其故障機(jī)理相同，都與轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心類似，因而都會(huì)產(chǎn)生與質(zhì)量偏心類似的旋轉(zhuǎn)矢量激振力。與質(zhì)心偏離不同之處在于軸彎曲會(huì)使兩端產(chǎn)生錐形運(yùn)動(dòng)，因而在軸向還會(huì)產(chǎn)生較大的工頻振動(dòng)。另外，轉(zhuǎn)軸彎曲時(shí)，由于彎曲產(chǎn)生的彈力和轉(zhuǎn)子不平衡所產(chǎn)生的離心力相位不同，兩者之間相互作用會(huì)有所抵消，轉(zhuǎn)軸的振幅在某個(gè)轉(zhuǎn)速下會(huì)有所減小，即在某個(gè)轉(zhuǎn)速上，轉(zhuǎn)軸的振幅會(huì)產(chǎn)生一個(gè)“凹谷”，這點(diǎn)與不平衡轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性有所不同。當(dāng)彎曲的作用小于不衡量時(shí)，振幅的減少發(fā)生在臨界轉(zhuǎn)速以下；當(dāng)彎曲作用大于不平衡量時(shí)，振幅的減少就發(fā)生在臨界轉(zhuǎn)速以上。針對轉(zhuǎn)子熱變形的故障處理就是更換新的轉(zhuǎn)子以減低機(jī)組異常振動(dòng)。沒有了振動(dòng)力的產(chǎn)生機(jī)組也就不會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)。

三、振動(dòng)故障處理措施

振動(dòng)問題直接影響汽輪機(jī)組的正常工作，其復(fù)雜度不容忽視。針對工作現(xiàn)場汽輪機(jī)可能產(chǎn)生的振動(dòng)故障問題，提出了如下應(yīng)對措施：

首先，剛度檢測是重中之重。技術(shù)人員對汽輪機(jī)數(shù)據(jù)采集，及時(shí)數(shù)據(jù)處理，并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對照做出判斷。掌握工作剛度范圍、共振條件和剛度極值點(diǎn)。做到技術(shù)人員不離機(jī)組，實(shí)時(shí)監(jiān)測，防患于未然。

其次，機(jī)組帶負(fù)荷和空載試運(yùn)行必不可少。為確保汽輪機(jī)順利工作，發(fā)生異常振動(dòng)的幾率降低，新安裝或檢修后的機(jī)組應(yīng)經(jīng)過帶負(fù)荷和空載試運(yùn)行，測試密封、汽封、滑銷系統(tǒng)等均達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，才可以投入生產(chǎn)。

再次，設(shè)置智能化監(jiān)測裝置。設(shè)計(jì)并安裝智能化監(jiān)測裝置是汽輪機(jī)發(fā)生振動(dòng)異常的有效措施。對正常監(jiān)測困難點(diǎn)安裝各種傳感器設(shè)施，監(jiān)測振動(dòng)情況，及時(shí)報(bào)告工作異常點(diǎn)。同時(shí)，有序地安排技術(shù)人員，及時(shí)處理發(fā)出報(bào)警部位機(jī)組，杜絕擴(kuò)大損壞，以免造成事故。

最后，安裝振動(dòng)保護(hù)裝置。當(dāng)智能化監(jiān)測裝置監(jiān)測出異常振動(dòng)點(diǎn)后，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通過自動(dòng)控制裝置命令振動(dòng)保護(hù)裝置自動(dòng)切斷電路，關(guān)閉主汽門，緊急停機(jī)。于此同時(shí)，技術(shù)人員采取拯救辦法，保護(hù)機(jī)組設(shè)備安全。

凝汽式汽輪機(jī)支撐國家能源環(huán)保事業(yè)的快速發(fā)展，隨著機(jī)組容量的增大，汽輪機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行顯得更加重要。對不可避免的振動(dòng)問題應(yīng)采取有效地解決措施，以免造成重大的安全事故。同時(shí)對汽輪機(jī)設(shè)置智能化監(jiān)測、保護(hù)裝置必不可少。

四、結(jié)束語

熱電廠汽輪機(jī)振動(dòng)是無法完全消除的，但卻可以通過各種相應(yīng)的措施將振動(dòng)值控制在一定的范圍內(nèi)。為盡可能避免振動(dòng)情況的不斷增大，要求機(jī)組運(yùn)行人員應(yīng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，并對機(jī)組進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)視，這樣能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。同時(shí)檢修人員應(yīng)做好檢修工作，盡量避免在檢修過程中發(fā)生馬虎、大意等情況，以此來確保檢修質(zhì)量，進(jìn)而保障汽輪機(jī)安全、可靠運(yùn)行。

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