汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)的研究

　　長久以來，能源化工行業(yè)對(duì)汽輪機(jī)投入了較為廣泛的使用，并且取得了顯著的成果[1]。例如：在熱能發(fā)電裝置當(dāng)中，汽輪機(jī)利用鍋爐燃煤產(chǎn)生高壓過熱蒸汽，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，此舉措能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。但是由于汽輪機(jī)的組成結(jié)構(gòu)極具復(fù)雜性，導(dǎo)致在運(yùn)作過程中出現(xiàn)故障的頻率較高。鑒于此，本課題對(duì) “汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)”進(jìn)行研究具有尤為深遠(yuǎn)的重要意義。

　　摘 要 汽輪機(jī)的組成結(jié)構(gòu)極具復(fù)雜性，系統(tǒng)十分嚴(yán)謹(jǐn)，出現(xiàn)故障的頻率較高。筆者概述了有關(guān)汽輪機(jī)故障的分析方法，進(jìn)而分析了汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)，最后以實(shí)例對(duì)汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷進(jìn)行了深入研究。

　　關(guān)鍵詞 汽輪機(jī),振動(dòng)故障,診斷技術(shù)

　　1 汽輪機(jī)故障分析方法

　　對(duì)于汽輪機(jī)而言，其故障普遍表現(xiàn)為機(jī)組振動(dòng)過大。在現(xiàn)場(chǎng)故障診斷中，常用到的故障分析方法便是振動(dòng)分析法。

　　1.1 波形分析法

　　時(shí)間波形是最初的振動(dòng)信息源。由傳感器進(jìn)行輸出的振動(dòng)信息在普遍情況下均為時(shí)間波形。對(duì)一些有著明顯特征的波形，可以直接用于設(shè)備故障的判斷。波形分析簡(jiǎn)易直觀，這也是波形分析法的優(yōu)勢(shì)之所在。

　　1.2 軌跡分析法

　　對(duì)于軸承座的運(yùn)動(dòng)軌跡而言，轉(zhuǎn)子軸心直接性地對(duì)轉(zhuǎn)子瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反應(yīng)出來，并且涵蓋了很多關(guān)于機(jī)械運(yùn)作情況的信息[2]。由此可見，對(duì)于設(shè)備故障的診斷，軌跡分析法的作用是非常明顯的。基于正常狀態(tài)，軸心軌跡具有穩(wěn)定性，每一次轉(zhuǎn)動(dòng)循環(huán)一般情況下均保持在相同的位置上，且軌跡普遍上是相互重合的。在軸心軌跡的形狀與大小呈現(xiàn)不斷變化的勢(shì)態(tài)時(shí)，便表現(xiàn)轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)不具穩(wěn)定性。面對(duì)此種情況，需進(jìn)行及時(shí)有效的調(diào)整工序，不然極易致使機(jī)組失去穩(wěn)定性，進(jìn)而造成停車事故的發(fā)生。

　　1.3 頻譜分析法

　　對(duì)于設(shè)備故障的分析，頻譜分析法在應(yīng)用方面極具廣泛性。普遍應(yīng)用到的頻譜有兩種：其一是功率譜;其二是幅值譜。其中，功率譜代表在振動(dòng)功率隨振動(dòng)頻率的分布狀況，其物理含義較為清晰。幅值譜代表相對(duì)應(yīng)的各個(gè)頻率的諧波振動(dòng)分量所具備的振幅，在應(yīng)用過程中，幅值譜具有直觀的特點(diǎn)。并且，幅值譜的譜線高度便是此頻率分量的振幅大小�？傊�，對(duì)于頻譜分析法而言，其目的便是把形成信號(hào)的每一種頻率成分均進(jìn)行分解，以此為振源的識(shí)別提供方便。

　　2 汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)探究

　　汽輪機(jī)存在多方面的振動(dòng)故障，筆者主要對(duì)啟動(dòng)過程中暖機(jī)或脹差過大等原因引起的振動(dòng)、造成故障診斷準(zhǔn)確率低的原因以及振動(dòng)故障診斷步驟三大方面進(jìn)行探究。

　　2.1 啟動(dòng)過程中暖機(jī)時(shí)間不夠或脹差過大而引起的振動(dòng)分析

　　啟動(dòng)過程中暖機(jī)或脹差過大而引起的振動(dòng)極具明顯性。汽輪機(jī)在啟動(dòng)及停止過程中，轉(zhuǎn)子和氣缸的熱交換條件是有所區(qū)別的。所以，兩者之間在軸向形成的膨脹也有所區(qū)別，即為出現(xiàn)相對(duì)膨脹現(xiàn)象。所謂的相對(duì)膨脹又可稱之為長差。通過脹差的大小，能夠反映出汽輪機(jī)軸向動(dòng)靜間隙的改變狀況。為了讓由軸向間隙改變進(jìn)而引起的動(dòng)靜摩擦得到有效規(guī)避，不但需要對(duì)脹差進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視，還需要充分認(rèn)識(shí)到脹差對(duì)汽輪機(jī)運(yùn)行所造成的嚴(yán)重影響。我們知道，機(jī)組從升速至定速過程中，時(shí)間短，蒸汽溫度及流量基本上沒有發(fā)生改變，因此對(duì)脹差造成的影響只能在定速之后才能夠很好地反映出來。定速之后，脹差所增加的幅度比較大的，并且持續(xù)時(shí)間長。另外，基于低負(fù)荷暖機(jī)階段，蒸汽對(duì)轉(zhuǎn)子及氣缸的加熱程度較為激烈。大致上分析，造成機(jī)組暖機(jī)或者脹差的原因主要有：凝汽器真空的改變、暖機(jī)時(shí)間的長短、軸封供汽溫度的高低以及供汽時(shí)長等。因此，在機(jī)組啟動(dòng)過程中，需要從三方面做好：1)在低速階段進(jìn)行聽音;2)在高速階段對(duì)機(jī)組的振動(dòng)引起足夠重視，尤為重要的是在過臨界的狀況下，如果振動(dòng)超標(biāo)，是不能夠硬闖的;3)當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)之后，因?yàn)槠�缸溫度較低，額轉(zhuǎn)子膨脹又比氣缸要打，所以要以差脹的狀況為基礎(chǔ)，進(jìn)而對(duì)進(jìn)汽溫度進(jìn)行有效控制，并使低負(fù)荷暖機(jī)得到有效保證。

　　另外，對(duì)于在機(jī)組啟動(dòng)過程中，如果造成脹差大的現(xiàn)象，那么主要的處理方法有：1)對(duì)主蒸汽溫度進(jìn)行檢查，看看是否過高，在必要的情況下與鍋爐操作人員聯(lián)系，對(duì)主蒸汽溫度適當(dāng)?shù)亟档?2)讓機(jī)組能夠在穩(wěn)壓轉(zhuǎn)速與穩(wěn)壓負(fù)荷的情況下進(jìn)行暖機(jī);3)對(duì)凝汽器真空進(jìn)行適當(dāng)?shù)靥嵘�，并�?duì)蒸汽流量適當(dāng)減小;4)提升汽缸與法蘭加熱進(jìn)氣量，讓汽缸能夠快速脹出。

　　2.2 造成故障診斷準(zhǔn)確率低的原因分析

　　在汽輪機(jī)中，振動(dòng)診斷技術(shù)當(dāng)前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。造成故障診斷準(zhǔn)確率低的原因表現(xiàn)在三個(gè)方面：1)對(duì)振動(dòng)特征的掌握程度不夠;2)在認(rèn)識(shí)上對(duì)故障機(jī)理存在偏差;3)只重視直觀的故障，對(duì)內(nèi)部故障不深入了解。并且，在實(shí)際應(yīng)用中，如果遇到振動(dòng)故障，作業(yè)人員只是憑借自身的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理。然而振動(dòng)診斷的實(shí)際價(jià)值之所在便是對(duì)振動(dòng)狀況進(jìn)行有效規(guī)避。如果故障診斷的準(zhǔn)確率大于50%，便說明消除振動(dòng)的指導(dǎo)作用極具明顯性。如果準(zhǔn)確率只在20%至30%之間，那么說明消除振動(dòng)的效果不具良好性，甚至可能是一種誤導(dǎo)。對(duì)于汽輪機(jī)的振動(dòng)故障診斷，常用的兩種方法便是正向推理法與反向推理法。在對(duì)機(jī)組振動(dòng)故障正確的認(rèn)識(shí)之下，適宜采用正向推理法。但從實(shí)踐情況上分析，對(duì)于振動(dòng)故障診斷并不經(jīng)常使用正向推理法。因此，便經(jīng)常性采用反向推理法。該方法是根據(jù)振動(dòng)的特征進(jìn)行分析，并對(duì)故障的特點(diǎn)進(jìn)行反推，以此獲取多種結(jié)論，讓振動(dòng)故障在引導(dǎo)之下得到處理。此種方法會(huì)使故障診斷的準(zhǔn)確率大大降低。

　　2.3 振動(dòng)故障診斷步驟分析

　　對(duì)傳統(tǒng)故障診斷的方法進(jìn)行改善是使診斷故障診斷準(zhǔn)確率得到提升的有效策略。若想要使診斷故障準(zhǔn)確率大大提升，還需要進(jìn)行充分做好以下步驟：1)首先對(duì)振動(dòng)的種類進(jìn)行確認(rèn)。主要是對(duì)振動(dòng)頻譜及外在特征進(jìn)行觀察，進(jìn)而將各類振動(dòng)進(jìn)行有序的分類。將所存在的故障的原因充分確認(rèn)之后，再實(shí)施判斷措施;2)先對(duì)軸承座剛度進(jìn)行檢查，看是不是正常，然后對(duì)激振力故障原因進(jìn)行分析;3)對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢查，檢查是不是存在不平衡力、不平衡電磁力以及平直度偏差等故障，進(jìn)而對(duì)基于穩(wěn)定的普通強(qiáng)迫振動(dòng)是否存在進(jìn)行確認(rèn)，最終使故障類型能夠得到有效診斷。 　　3 汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷實(shí)例分析

　　1)實(shí)例概況：以某熱電廠4#汽輪發(fā)電機(jī)組為實(shí)例，它是由上海汽輪機(jī)廠所生產(chǎn)的50 MW汽輪發(fā)電機(jī)，其型號(hào)為C50-90/1.2-1，并且是單缸沖動(dòng)一級(jí)調(diào)整抽汽凝汽式機(jī)組，在配裝方面，配置了由上海電機(jī)廠生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)，其型號(hào)為QFs-60-2。

　　2)振動(dòng)情況：此機(jī)組在運(yùn)作過程當(dāng)中有3#瓦軸向振動(dòng)偏大的現(xiàn)象存在，高達(dá)20 mm/s，經(jīng)過反復(fù)檢查后依舊沒有找出其中的原因[3]。2003年經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡方法往聯(lián)軸節(jié)位置配置重塊，進(jìn)而把振動(dòng)壓至7 mm/s，但是所存在的故障依舊沒有解決。如下圖便能很好地看出瓦軸承座外特性振動(dòng)的數(shù)據(jù)，其中左圖為汽輪機(jī)側(cè)，右圖為發(fā)電機(jī)側(cè)。

　　圖1 瓦軸承座外特性振動(dòng)數(shù)據(jù)

　　3)診斷：3#瓦軸向振動(dòng)的主頻率為50 Hz，據(jù)分析可知為普通強(qiáng)迫振動(dòng)。造成普通強(qiáng)迫振動(dòng)存在兩方面的原因：其一，軸承座動(dòng)剛度偏低;其二，激振力偏大。

　　4)處理因素：通過對(duì)3#瓦軸承座檢查發(fā)現(xiàn)軸承座存在多方面的問題，主要有球面墊鐵接觸性能不良、軸承緊力不夠、地腳螺栓較為松動(dòng)以及軸承座墊片不具合理性等。其中，在對(duì)壓軸承緊力進(jìn)行檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，軸承體球面和球面座兩者間有0.02毫米的間隙，軸承蓋和軸承體兩者間有0.15毫米的間隙。此機(jī)的檢修標(biāo)準(zhǔn)在軸承體球面和球面座兩者間為0.02毫米到0.04毫米時(shí)呈過盈狀態(tài);軸承蓋和軸承體兩者間在0.02毫米到0.05毫米時(shí)呈過盈狀態(tài)。由此可見，整個(gè)軸瓦的緊力明顯不夠，且垂直方向沒有辦法對(duì)振動(dòng)進(jìn)行控制。

　　5)故障診斷結(jié)論：通過數(shù)據(jù)分析可知，在垂直振動(dòng)的差異達(dá)到兩倍的情況下，軸向振動(dòng)可達(dá)到9 mm/s;在垂直振動(dòng)的差異振動(dòng)比較小的情況，軸向振動(dòng)便偏小。振動(dòng)故障出現(xiàn)后，不能僅靠現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡進(jìn)行解決，應(yīng)該對(duì)問題的根源進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)分析，然后對(duì)問題進(jìn)行有效解決。

　　4 結(jié)束語

　　通過本文的探究，充分認(rèn)識(shí)到造成故障診斷準(zhǔn)確率低的現(xiàn)象存在三方面的原因，分別為：對(duì)振動(dòng)特征的掌握程度不夠、在認(rèn)識(shí)上對(duì)故障機(jī)理存在偏差、只重視直觀的故障，對(duì)內(nèi)部故障不深入了解。因此充分掌握汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)便顯得尤為重要。最后筆者通過實(shí)例進(jìn)行深入分析，希望以此為今后關(guān)于汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷技術(shù)的研究提供一些具有建設(shè)性的參考依據(jù)。

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