电厂燃汽轮机振动原因与改进建议

王 雄 李志恒 梅富琨 叶全彪

（华电湖北发电有限公司武昌热电分公司）

0 引言

燃汽轮机工作原理如图1所示，将蒸汽动能经过一系列变化后能转换为轴的机械能进行输出，在实际工作中，常搭配其他发电设备一起使用，有效促使燃料热能向发电电能的转变。在实验压力值、温度值保持不变的条件下，经机组设备专用喷嘴进行持续膨胀，使介质自身压力降低、温度变小，从而提高介质速度，借助机组叶片旋转转化为动力轴的机械能，达到利用热能获取机械能的目的。在机组工作过程中，设备在不断振动，有些振动幅度较大，严重降低了燃汽轮机的运行质量和生产效率。

图1 燃汽轮机能量转换原理

图2 转子不对中振动分类示意图

图3 燃汽机组转子不对中故障监测的指标

图4 燃汽机组常见的动静碰摩

1 电厂燃汽轮机振动过大的危害

燃汽轮机运行中如果振动幅度较大，长时间作用下会造成设备内部各部分之间的紧固件松动，安装台板和各基础之间的过盈连接削弱，或使燃汽机组的动静结构部分产生摩擦，导致机组转子不对中、变形、损坏或是断裂［1］。当燃汽轮机产生剧烈振动时，会直接引起系统保护机制启动，导致设备停机，严重拖延生产进度，当燃汽机组动静叶片因为剧烈振动而发生错位时，会使机组端部轴封磨损异常。机组低压端轴封被破坏之后，外界空气被吸入机组的低压缸，使机组凝汽器的真空环境遭到破坏，大大提高了燃汽机组的运行成本。机组高压端轴封被破坏之后，其内的蒸汽大量逸出，削弱机组高压缸的对外做功能力，严重时会导致转子产生热弯曲现象。逸出的高压蒸汽倘若飘进机组轴封系统中，使工作油液内掺杂水分，引发油膜失稳或振荡故障。此外，剧烈的振动还会造成机组电机滑环和电刷的严重磨损、楔连接松动、绝缘皮破碎等等，甚至导致整个燃汽机组的废弃。因此，研究并克服燃汽机组非正常振动，是保证电厂安全生产的当务之急。

2 电厂燃汽轮机的振动原因及解决对策

2.1 转子不对中

电厂燃汽机组是通过联轴节将多个转子进行连接，以轴系形式存在，正常状态下，各转子的中心位于同一轴心水平线上，并使各轴承所承受的负荷不会超过额定值。倘若不能满足该条件，则为转子不对中。该故障是燃汽机组及其所辖设备常见的异常振动现象之一。当转子轴系发生不对中现象后，在其运转途中将引发连锁的动态效应，造成机器的异常振动、联轴节的大幅度偏转、轴承内外圈异常磨损和油膜振荡、转轴的不可逆变形等，对设备安全运行造成极大影响。

据大量资料显示，百分之六十到百分之七十的燃气轮机轴系故障由转子不对中直接或间接引起，当燃汽机组转子已经不对中时，还坚持带病运行，势必会造成十分严重的事故。所以，解决燃汽机组转子不对中故障的异常振动特点及处理对策具有十分重要的价值。

常见燃汽机组转子不对中故障的主要原因是：

（1）在机组设计阶段考虑不全面或存在一定计算偏差导致安装精度降低；（2）安装阶段找正误差操作不正确；（3）燃气轮机超载运行，加之燃气机组保温效果欠佳，造成各转子轴承热变形现象千差万别；（4）燃汽轮机土建基础或安装底座不同程度地沉降均会对转子对中产生负面影响。

下图为某三百MW燃汽机组转子不对中故障需要监测的指标：

燃汽机组转子不对中常用的处理方法如下：①在机组设备安装调试和日常检修中谨慎操作，严格落实转子找中原则，在机组平时工作中应尽可能减少冲击负荷，防止对转子造成不利影响，只有这样，才能确保燃汽机组的安全可靠运行。②提高机组设备维护保养水平，保证轴系联轴节无偏心安装，及时对生锈的接触面进行打磨，定期更换干净的润滑油液，解决连接轴承的尺寸偏差。③使燃汽机组的运转负荷在正常范围之内，严禁设备超负荷工作。倘若是因为支撑轴承标高造成轴系轴承产生不对中现象，深挖影响轴承几何中心的关键点，比如像轴承座热膨胀、油膜厚度不均匀和外界压力的影响等。

2.2 转子弯曲变形

燃汽机组转子弯曲变形也会造成异常振动，由于变形的原因千差万别，呈现出的振动特征也不一样。当机组转子发生不可逆弯曲变形时，其振动特点与不对中时的振动现象较为相似，在临界转速处出现的振动峰值急剧飙升，此外，在燃汽机组启停机途中，因为未均匀受热或冷却不完全而造成的弯曲形变也会造成异常振动，可以采取重新开启机器或进行小转速暖机等措施，待机组转子各部位温度受热均匀后，弯曲形变隐匿，异常振动消失［2］。然而，当弯曲形变过大而引起燃汽轮机动静结构相互摩擦时，将进一步造成转子的质量不平衡，导致振动加剧，恶性进行循环，严重损坏设备，应立刻断电停机，否则可能造成燃汽轮机的转子永久性损坏；另外，当机组转子组成材料较差时，其自身存在热不稳定隐患，它会在日常加热过程中出现弹性变形，造成汽轮机异常振动，该类振动的幅值与机组承载的工作负载成正相关，从时间角度上看，该类振动振幅较机组负荷变化来说，延迟了一到三个h。延迟时间主要由燃汽轮机转子自身结构尺寸和质量密度等因素决定，可以在制造阶段做好转子材料选型和结构设计。倘若转子因为安装不良而变形弯曲，可采取重新装配等措施进行处理，转子依然能接着使用，倘若燃汽机组转子基于多方面因素已经产生了不可逆弯曲形变，立即更换新的转子，避免异常振动影响正常生产。因此，无论是燃汽机组转子制造时的材料选择，还是安装时的质量卡控，抑或是机组启机时的转速值设置，都应十分谨慎，防止燃汽机组转子不可逆弯曲变形，造成异常振动，拖延生产进度。

2.3 支撑松动

燃汽轮机支撑松动直接降低轴承的刚度，加剧机组系统的振动频次。当机组系统紧固螺栓松动、垫片松动、滑销卡涩或是轴承安装座与底板接触不良时均会造成支撑松动进而引发异常振动［3］，该类振动外在表现是轴承座大幅度振动，故可以借助检测轴承座的振动情况来进一步判定是否为支撑松动故障。常用的检测方法有以下三种：

（1）测量差异：实际工况中最常见的是轴承座与台面以及地面基础之间的接触面不平整，应该借助检测其之间各自振动的差异性进行诊断。（2）用手触摸：将手放在轴承座与台面连接处，当其接触不良时，在外界振动力的施加下，手会感觉到被一定程度的挤压。同理，该方法也可以检测台面以及地面基础之间的连接情况。（3）肥皂水检测：在轴承座与台面连接处淋上肥皂水，当其接触不良时，像平时补轮胎一样会产生许多小气泡。同理，该方法也可以检测台面以及地面基础之间的连接情况。

2.4 动静碰摩故障

燃汽轮机常见的动静碰摩主要有以下几种：

燃汽机组常见的动静碰摩的原因大致如下：

1.燃汽轮机汽缸几何位置跑偏或结构不均匀形变。

2.燃汽轮机蒸汽温度异常变化，倘若机组蒸汽温度急剧改变，极可能导致机组静止构件的严重变形。

3.燃汽轮机工作汽缸密封及保温较差，有水和杂志混入。

4.燃汽轮机排汽缸的工作温度骤变。

5.燃汽轮机暖机时间过短，效果不理想，开机时转子摆动幅度较大。

燃汽机组曾受到过剧烈振动。

日常工作中，当燃汽机组出现该故障时，首先采取的措施即控制转子轴系振动，在不影响燃汽机组正常运转的基础上进行“磨合”。在机组启机途中，若出现动静摩擦现象，切忌强行提高转速，避免轴系出现不可逆弯曲。倘若转速小于临界转速值，应马上进行停机操作，修整片刻后再启动；倘若机组转速大于临界转速值，则在某个转速值在保持运转，直到动静部分磨合出合适的间隙后将转速进行升速。倘若机组摩擦发生在负载运行时期，只要该时期振动在可控范围内，便可保持边观察边运转的状态，从而磨合出期望的间隙；但若该时期振动超出可控范围内且呈不断增加趋势，应减小机组负荷或断电停机，防止进一步对机组安全造成较大影响。

3 电厂燃汽轮机振动的管理方面的主要措施

3.1 严格把控燃汽轮机零部件生产质量

为确保电厂燃汽轮机的安全可靠运行，消除异常振动现象，燃汽轮机设计监造时必须严格卡控各组成部件的生产工序及材料选择，强化质量检查力度，防止次品的零部件组装机组设备，对未来机组运行带来不可预测的隐患［4］。在选购各结构部件时，严格落实国家电力行业相关要求，对燃汽轮机转子、汽封、轴承、叶片等进行预验收和性能测试，并出具相应的合格证明，未来，电力单位也可以根据燃汽轮机日常工作记录，做好设备各组成部件使用情况跟踪反馈，与质量较好的结构件厂商长期进行合作。

3.2 合理使用监控感知设备

在实际工况中，需要根据燃汽轮机的振动情况搭建监视感知系统，随时掌握各个机组的振动信息。可以通过在燃汽机组中安装振动传感器，建立振动数据采集检测系统，借助该系统动态采集机组工作的振动数据，确保燃气机组各种工作状态和各种工作部位能够通过振动数据采集监测系统的人机界面查看到，使工作人员随时掌握燃汽机组的工作状态，使其振动数据保持在正常范围之内，且一旦超过正常设定值，立即报警，严重时可自动断电进入保护程序，工作人员通过查看振动信息并及时处理异常报警，防止造成更大的生产事故。此外，还应充分调研燃汽轮机的实际运行状态，强化其自身微处理器处理效果，确保振动采集系统能够进行全方位监控。

3.3 根据实际生产需要进行设备技术改造

燃汽轮机在实际运行过程中应视生产需要进行技术升级改造。实际工作中运行阶段通常采取直接启机的模式，该启机模式会导致机组部件严重磨损，同时伴随异常振动的高频次发生，通常采取多种办法进行解决，首先，提高机组设备维护保养水平，保证轴承座安装紧固无松动，及时对生锈的接触面进行处理，定期更换干净的润滑油液，发现部件变形严重时立即更换新的替代件，统筹各种因素，将机组的振动控制在正常范围之内［5］。其次，定期组织技术人员到发达国家的电厂进行学习，或是邀请同行业顶尖单位进行技术交流，讨论前沿科技，交流心得体会，借鉴先进经验，结合自身燃汽机组工作情况及设备配置，提出合理的技术改造方案，降低振动频次的同时充分保障燃汽机组的高质量运行。

3.4 强化燃汽机组综合管控力度

为充分发挥燃汽机组的工作效能、降低异常振动，需增强燃汽机组运行的管控力度，使之安全高效运行。应从以下几点入手：第一，在机组安装调试过程中，需要提前做好项目规划，设计好相应施工安装流程，对机组各部件的安装需求进行深入分析，设计出合理的安装调试大纲，并严格按照大纲进行进一步细化，制定出每一步详细的安装过程管控措施，差异化对各部件安装质量进行卡控，避免出现轴系联轴节偏心安装、基准错误及安装精度较低等问题，源头上保证异常振动的发生。第二，定期对电厂燃汽机组开展预防性维护检查，及时发现机组隐藏的故障风险，果断处理，一定程度上降低机组异常振动的发生频次，降低机组故障修复时间，尽量做到不影响整个电厂的正常生产，提升电厂燃汽机组的运行质量。第三，在电厂燃汽机组降低异常振动频次的工作开展中，积极落实生产责任制，明确人员分工及质量职责，将具体的责任量化，追究到个人。实行绩效考核，激发员工工作潜力，将员工的绩效与表现进行关联，对于主动提出的生产建议如果切实帮助减小了机组的异常振动，可以申请奖励等。在该情况下，员工将采取更加积极的态度来面对降低机组异常振动工作，将助力于燃汽机组异常振动数据的分析和管理。

4 结束语

本文从电厂燃汽轮机工作原理入手，首先阐述了电厂燃汽轮机振动过大的危害，然后对电厂燃汽轮机的常见的转子不对中、弯曲变形、动静碰摩擦等振动原因及解决对策进行了深入分析，最后提出了严格把控燃汽轮机零部件生产质量、合理使用监控感知设备、根据实际生产需要进行设备技术改造以及强化燃汽机组综合管控力度等优化策略，一定程度上降低了电厂燃汽轮机的异常振动频次，提高了机组的运行质量的同时延长了机组设备的使用寿命，促进电力企业的健康良好发展。