火电厂汽轮机振动故障和诊断技术研究

王 杰

（国家能源集团山西电力有限公司霍州发电厂，临汾 041000）

火电厂是我国供应电力能源的主要生产单位。要保证电力能源稳定生产，需要保障各项设备均处于正常运行状态。汽轮机作为关乎电力能源生产速率的重要设备，正逐步朝着更加智能化、自动化的方向发展，促使汽轮机结构呈现出更加复杂的状态。在生产过程中，汽轮机很可能会出现振动故障问题，直接影响其运行稳定性，因此对汽轮机振动故障进行诊断排查，成为火电厂关注的重点。

1 油膜振荡故障与诊断技术

为更好地探究火电厂汽轮机组运行过程中的振动故障问题，以某火电厂为例展开合理诊断。该厂应用C12-3.43/0.891 型抽汽凝汽式汽轮机，主汽门前蒸汽压强额定值为3.13 ～3.63 MPa，最高运行压强为3.63 MPa，额定温度为420 ～440 ℃。该类型的汽轮机实际应用数量为2 台，在运行中发现其中一台出现振动现象，影响火电厂的发电稳定性与效率。

1.1 故障原因

在汽轮机运行过程中，滑动轴承出现同轴转动现象，会导致轴承出现较为明显的变化，促使滑动轴承发生自激振动，进而引发油膜振荡故障[1]。通常情况下，油膜振荡主要发生在汽轮机转子处于两倍临界速度时，如果没有及时处理，会导致转子长时间处于较高的振动幅度，即使通过提升转速的方式也难以消除自激振动现象。同时，滑动轴承的转子油膜振荡可能会引发轴系损坏等更加严重的故障连锁反应。对该火电厂内的汽轮机振动故障进行动态监测，发现造成汽轮机油膜振荡的主要原因包括轴承稳定性不足、轴瓦存在间隙以及润滑油进油温度低等。

1.2 诊断技术

针对油膜振荡故障，首先应检测润滑油的进油温度。通常情况下，进油时的温度较低容易引发油膜振荡问题。因此，应提升润滑油温度，确保其处于38 ～45 ℃，具有较好的流动性，降低黏稠度。此时，转子将会产生较大的临界率，具有较高的离心速度，运行过程中的阻力明显减小，振动情况减轻。其次，通过检查轴承结构的稳定性进行判断。一般情况下，火电厂会应用具有较强稳定性的可倾瓦或椭圆瓦。若发现汽轮机的轴瓦为圆筒瓦，则可以认定是轴承稳定性不足引发油膜振荡故障，需要更换为稳定性较强的轴瓦。最后，按照标准参数对轴承间隙进行测量诊断。若发现间隙不符合标准，则可判定为轴瓦间隙不足造成油膜振荡故障。此时应开启顶轴油泵，促使轴承油膜具有较大的径向刚度，从而改善轴承间隙，消除故障。

2 动静摩擦振动与诊断技术

2.1 故障原因

为了获得更高的生产效率，火电厂不断优化设备性能，促使汽轮机呈现更加智能化的发展趋势，造成汽轮机内部结构中的零件更加精密化。各零部件之间间隙较小，导致在运行过程中经常出现碰撞摩擦[2]，长此以往将会引发严重故障。动静摩擦振动故障主要由汽轮机静子与转子之间相互摩擦造成。汽轮机正常运行时，转子与静子之间保持中心重合状态，即使在高速运行下转子也不会接触到静子。但是，由于设备老化、缺少检修等，可能会造成转子偏心。当偏移达到一定程度后，转子与静子之间就会产生较为频繁的碰撞摩擦，如图1所示。在切向力与法向力作用下，转子与静子出现横向位移，会引发汽轮机振动故障。

图1 转子摩擦受力结构图

2.2 诊断技术

诊断汽轮机是否为动静摩擦故障，首先应分析振动特征。静子与转子发生摩擦碰撞后产生的振动现象具有一定的规律性，这是因为转子转动的过程中按照一定周期与静子摩擦碰撞。其次，检查汽轮机是否出现局部发热的现象。转子与静子碰撞摩擦时的速度相对较快，而在二者碰撞位置缺少润滑油的浸润保护，会产生较为严重的干摩擦现象，且碰撞点呈现出明显的高温状态。最后，在汽轮机故障诊断过程中，需要借助更加精密的信息化仪器。一般可应用涡流传感器采集转子运行中的频率、振幅及参数等，对比正常状态下的转子参数，根据参数异常状况界定故障类型。随着现代科学技术的高速发展，在今后的振动诊断中，可以通过广泛应用智能监控设备的方式动态化监测汽轮机的转子与静子运行状态，从而提前控制偏心状态，避免异常振动影响汽轮机运行的稳定性。

3 转子故障振动与诊断技术

造成转子故障问题的原因众多，主要包括转子的质量不平衡、转子表面产生裂痕等，需要根据具体问题分析振动现象。

3.1 转子的质量不平衡

3.1.1 故障原因

通常情况下，火电厂汽轮机中所应用的转子具有标准的圆形横截面，在保持圆心与质心同处于一条直线的状态下正常转动，具有良好的平稳性。但是，若转子的质量不平衡，则圆心与质心将无法保持在同一直线上，此时转子转动过程中将产生大小不一的离心力，从而引发汽轮机周期性的振动问题[3]。转子不平衡质量引发的离心力为

式中：F为离心力；m为转子的偏心质量；ω为转子的旋转角速度；e为转子的偏心距离。

转子出现不平衡质量，一方面是由于工艺水平较差，加工时转子尺寸参数存在偏差，导致局部质量不均衡；另一方面，当转子结构出现热弯曲、部件脱落等现象时，会对转子结构的原始质量产生影响，从而引发故障部位质量均匀度受损的问题。处于低速运行状态时，不平衡的转子质量可能不会产生较大的振动扰动。但是，随着速度的不断加快，转子运行中将会产生较大的离心力，导致不平衡的质量状态逐渐明显，逐渐造成转子振动现象。

3.1.2 诊断技术

由质量不平衡所引发的转子故障振动问题，应根据转子振动特性加以检验。一方面，检查转子在运动过程中是否形成椭圆形的轴心运行轨迹，若出现椭圆轨迹则表示其质量不均衡。另一方面，判断转速与振幅之间是否为正相关，若为正相关状态，则证明是转子质量不平衡引发的振动故障。

3.2 转子表面产生裂痕

3.2.1 故障原因

汽轮机转子出现裂痕同样会引发振动故障。在汽轮机运行过程中，负荷快速提升时转子处于高温状态，负荷快速下降时转子则处于低温状态，负荷增减切换较为频繁，导致转子需要频繁转变温度状态。快速的冷热变化导致转子出现应力疲劳，在热应力影响下产生裂痕问题。在加工或安装转子的过程中，技术操作不规范，会导致转子结构表面应力不均匀，集中于某一点的应力将会在达到一定累积值后引发裂痕问题。另外，由于转子长时间处于高温蒸汽加工环境下，各种蒸汽中存在的杂质在高压运转下将会与转子产生持续碰撞，从而对转子结构造成一定的磨损。汽轮机加工中的酸性杂质也可能会腐蚀转子，导致其出现各种不同类型的裂痕问题。转子裂痕的特征具体如图2 所示。

图2 转子裂痕特征汇总

3.2.2 诊断技术

诊断是否由转子裂痕引发的振动故障，首先要检查汽轮机的整体刚度。若转子结构出现裂痕，则会导致局部刚度下降，进而在转子结构上呈现出不均匀的刚度分布。其次，进入临界转速后，转子结构将会出现2 倍频率的振动现象，因此可根据时域特征判断是否因转子裂痕产生振动故障，包括转子出现热弯曲现象、临界转速明显降低、振动幅度上升、出现与预期不相符的平衡结果等。最后，可根据转子的升速特征加以诊断，包括低速运行时出现较大的时振现象、超过临界转速时产生振动且持续增大。若符合上述特征，则表示汽轮机的振动故障由转子裂痕造成。

4 汽流激振故障与诊断技术

4.1 故障原因

汽轮机组处于高负荷运行状态时，很可能会引发较为严重的汽流激振故障问题，常表现为叶片较短的高压转子与直径较小的叶轮转子具有相对较低的振动频率。轴封上下部腔室在运行过程中产生较大的压差，会对转子产生一定压力，促使其向下持续展开运动。同时，受转子惯性作用的影响，下部腔室会提高腔压力，在上下压力同步挤压的过程中导致转子发生位移，出现涡动现象，进而引发气流激振[4]。

4.2 诊断技术

诊断汽轮机振动是否为汽流激振造成，需要先分析机组数据（见表1），然后根据振动频率进行持续性研判。虽然短时间内无法根据气流激振情况界定引发故障的主要因素，但是通过长期记录并汇总机组的振动数据，绘制成曲线图后进行仔细观察，能够总结出汽轮机汽流激振故障的变化趋势，并根据其振动范围判断引发振动故障的原因[5]。

表1 汽轮机组满负荷振动参数

在确定汽流激振的主要原因后，可通过增加防涡汽封的方式消除振动的可能性。同时，通过合理调节汽缸及转子的位置避免中心线偏移。为了防止转子受蒸汽作用影响造成偏移，可以通过调节汽门启动程序的方式，有效避免汽轮机出现明显的振动故障。

5 结语

汽轮机是影响火电厂正常发电的重要设备，其运行稳定性受到振动影响。常见的振动故障包括油膜振荡、转子故障振动、动静摩擦振动以及汽流激振等。应做好针对性的诊断分析，选择切实可行的处理方式，以便有效消除振动故障，恢复汽轮机的正常运行状态。