淺談火電廠汽輪機(jī)振動(dòng)故障排查及分析

1、    淺談火電廠汽輪機(jī)振動(dòng)故障排查及分析    孟新峰摘 要：汽輪機(jī)組的異常振動(dòng)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(dòng)往往受多方面的影響，只要跟機(jī)本體有關(guān)的任何一個(gè)設(shè)備或介質(zhì)都會(huì)是機(jī)組振動(dòng)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(dòng)故障的排查及分析方法。關(guān)鍵詞：汽輪機(jī) 振動(dòng)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(huì)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(dòng)的、水被加熱、變成蒸汽來旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的蒸汽汽輪機(jī)。在通過汽輪機(jī)之后，蒸

2、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(jì)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(jì)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?；茉唇?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(dòng)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(jì)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。

3、蒸汽驅(qū)動(dòng)的汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)為用于推進(jìn)的電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)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(dòng)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(jì)，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?；痣姀S汽輪機(jī)

4、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(huì)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(dòng)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(dòng)提速階段，而該振動(dòng)故障產(chǎn)生的原因是軸承油膜上發(fā)動(dòng)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(huì)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(dòng)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

5、其穩(wěn)定性遭到破壞，那么軸頸轉(zhuǎn)速也會(huì)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(shí)，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(shí)，接合轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)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(shí)。這樣一來，會(huì)使得軸承和轉(zhuǎn)子之間

6、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(gè)發(fā)動(dòng)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(huì)發(fā)生一定程度的膨脹，這樣一來，一方面會(huì)使高中壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生切向力轉(zhuǎn)矩，另一方面還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(shí)，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(dòng)能。當(dāng)蒸汽離開噴嘴時(shí)，其以高速朝向渦輪轉(zhuǎn)子的葉片移動(dòng)。由于葉片上的蒸氣的壓力導(dǎo)致葉片移動(dòng)，因此在葉片上產(chǎn)生力。發(fā)電機(jī)或其他這樣的裝置可

7、以放置在軸上，并且可以存儲(chǔ)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(gè)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(huì)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(dòng)在長時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)下，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分如葉柵、葉輪主軸等會(huì)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(dòng)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(dòng)故障。在正常操作期間，轉(zhuǎn)子

8、不平衡可能導(dǎo)致振動(dòng)，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(xiǎn)，需要大量的時(shí)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(shí)發(fā)生的葉片的快速?zèng)_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(gè)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(jì)的混合，整個(gè)渦輪機(jī)結(jié)合使用兩者。在這種情況下，汽輪機(jī)振動(dòng)信號仍保持在

9、工頻狀態(tài)，但是在轉(zhuǎn)子以及其他因素的作用下會(huì)經(jīng)常發(fā)生分頻、倍頻以及高頻分量的現(xiàn)象，甚至有時(shí)還會(huì)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(dòng)故障情況下，其振動(dòng)頻率和幅值存在波動(dòng)的基本特征，一旦這種故障存在時(shí)間過長，那么將會(huì)導(dǎo)致渦動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。 3 、振動(dòng)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(chǔ)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(shí)，如果允許渦輪軸保持在一個(gè)位置過長，則存在渦輪軸偏轉(zhuǎn)或彎曲的趨

10、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(dòng)時(shí)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(dòng)期間汽輪機(jī)的預(yù)設(shè)速度下，由汽輪機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)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

11、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(jì)量裝置。因此，蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)和變壓器形成一個(gè)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(gè)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(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)子的不平衡而產(chǎn)生一個(gè)離心力，這個(gè)離心力會(huì)對軸承產(chǎn)生一個(gè)激振力而使之引起機(jī)組振動(dòng)，如果這個(gè)離心力過大，則機(jī)組的振動(dòng)就會(huì)異常。所以，汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在裝配時(shí)每裝配一級葉片都應(yīng)該對該級葉片進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，整個(gè)

12、轉(zhuǎn)子裝配完成后在出廠之前還應(yīng)該對整個(gè)轉(zhuǎn)子進(jìn)行低速和高速動(dòng)平衡，以確保轉(zhuǎn)子的不平衡量在一個(gè)合格的范圍內(nèi)。當(dāng)機(jī)組的膨脹不充分時(shí)，極易引起機(jī)組的動(dòng)靜碰磨而產(chǎn)生振動(dòng)。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(gè)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(gè)重要因素就是潤滑油油溫，潤滑油油溫應(yīng)該在一個(gè)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

13、，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(shí)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(dòng)在整個(gè)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(gè)：原始不平衡；轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的部件飛脫、松動(dòng)；轉(zhuǎn)子的熱彎曲。其中原始

14、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(huì)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(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)隨時(shí)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

15、，工頻振動(dòng)大的現(xiàn)象也會(huì)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(dòng)能，當(dāng)蒸汽射流改變方向時(shí)，這些動(dòng)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(tái)的蒸汽速度凈增加。 當(dāng)蒸汽流過噴嘴時(shí)，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(dòng)葉片的蒸汽在離開噴嘴時(shí)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(dòng)，組件復(fù)雜，調(diào)壓能力較差，對自動(dòng)裝置的整定工作控制力較差。采用固定的模

16、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(shí)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(dòng)就可能引起大規(guī)模的接線修改。隨著現(xiàn)代機(jī)組動(dòng)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(dòng)故障。每年全國都會(huì)有幾臺(tái)大機(jī)組發(fā)生動(dòng)靜碰摩而出現(xiàn)大振動(dòng)，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(dòng)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(xiàng)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