汽轮发电机组振动故障分析

汽轮发电机组振动故障分析顾煜炯教授/博士生导师地址：北京市昌平区回龙观镇北农路2号邮编：102206TEL:[phone]E-mail:[e-mail]国家火力发电工程技术研究中心常务副主任引言近些年来，中国电力工业迅猛发展，超临界/超超临界等大型先进发电机组相继投运，新技术不断涌现。大容量、高参数机组的结构越来越复杂，轴系长度大大增加，在运行中会面临更多新的振动问题。为了解决这些问题，必须开展基于状态监测的设备故障诊断技术的研究与开发。在设备管理工作中，如果采用状态检修，就能大大提高设备的可用率，减少设备重大事故的发生，设备大修间隔延长、小修频率降低，避免了维修不足、盲目检修和检修过剩。这样，不仅可有效地降低检修费用，而且为发电机组的安全稳定运行提供了可靠的技术和管理保障，因而可带来巨大的经济效益。为了实现状态检修，需要对设备故障有正确的认识。汽轮发电机组轴系故障有很多类型，但其中数种常见故障的发生率占总数的80%以上，根据现场经验，如果能对这些典型故障做出准确的判断，则足以应付生产实际的需要。因此，对典型、常发故障的掌握有十分重要的工程意义。在这里主要对以下10种常见故障模式的故障机理及故障特征进行讲解。实例机组信息1HPIPLP1LP2G87654329EXC某机组轴系布置图该汽轮机为亚临界、一次中间再热、三缸、四排汽、单轴凝汽式600MW汽轮机，型号N600-16.7/538/538-1型。汽轮机整个轴系由3根转子加1个中间轴组成，高中压转子跨距6100mm，低压转子跨距5740mm；高中压转子和1号低压转子采用刚性联轴器连接，低压转子之间通过中间轴连接；2号低压转子和发电机转子采用刚性联轴器联接。机组共有7个轴承，6个支持轴承和一个推力轴承。其中支持轴承全部采用四瓦块可倾瓦轴承。推力轴承位于高中压缸电端的中轴承箱内，采用KINGSBURY－LEG推力轴承，推力盘两侧的支承环内各安装10块可滑动的推力瓦块。机组10种常见振动故障分析4质量不平衡引起的故障1235转子热弯曲引起的故障动静碰摩引起的故障转子不对中引起的故障自激振动引起的故障6支撑松动引起的故障结构共振引起的故障轴承座轴向振动引起的故障转子裂纹引起的故障汽轮发电机振动故障789101.1质量不平衡故障概述转子质量不平衡是汽轮发电机组最为常见的故障。据有关统计，在现场发生的机组振动故障中，有转子不平衡造成的约占80%，属于转子质量不平衡的将达到90%左右。转子质量不平衡是指在工程实际中，由于材料的不均匀和设计、制造及安装的偏差，转子的惯性主轴与旋转轴线多少有些偏离。在转子转动中，偏心质量产生的离心力是个不平衡力系，传递到转子的支撑轴承和基础上将产生振动。当转速一定时，离心力的大小正比于质量与偏心距的乘积，在平衡技术中将其称为不平衡量，简称不平衡。1.质量不平衡引起的故障1.1.1故障分类原始质量不平衡转子质量不平衡转动部件松动脱落1.1.2故障后果分析安全性影响机组可靠性机组经济性转子发生大振动，诱发动静碰磨，构成轴系破坏和毁机事故，这种事故在旧机组上都可能发生；对转子将产生不平衡力冲击，且严重时可能会使转轴产生塑性弯曲变形，并有可能产生稳定的不平衡振动。如果转子挠曲形成快速发散，轴系破坏就会发生。若汽轮发电机组出现转动部件脱落故障，不仅影响机组整个轴系的安全，还会造成非计划停机，影响整个电网。由于原始质量不平衡，反复的进行启停机操作，对转子以及各零部件都有损耗，促使材料疲劳或损坏，汽轮发电机组的可靠性会降低。运行中转动部件脱落后，如果没有及时发现停机处理，可能会对转子上其它部件造成影响，使其寿命降低，机组可靠性降低；原始转子质量不平衡造成振动将使汽轮发电机组因振动过大无法正常启机，使机组经济性降低；如果发生转子部件脱落导致机组破坏，会造成非计划停机，影响机组的经济性。如果不及时进行停机修理，将会增加维修费用，致使对经济性造成更大的影响。11.2质量不平衡故障机理转子质量不平衡产生振动的机理是，转子各横截面的质心连线与各截面的几何中心连线不重合，从而使转子在旋转时，各截面的离心力构成一个空间连续力系，转子的挠度曲线为一连续的三维曲线，如下图所示。2Fmr式中:—不平衡质量—不平衡质量偏心距—转动角速度mr11.3质量不平衡故障诊断汽轮发电机组转子质量不平衡产生的原因有三个：原始不平衡；转动过程中的部件飞脱以及转子热弯曲。原始不平衡是主要原因。诊断任务的生成在运行、启机或停机过程中，5号轴承X，Y向振动值明显增大，高于正常运行振动值和相邻轴承振动值，则诊断该轴承所支撑的转子段发生了故障。故障模式类的确定1）对5号轴承振动信号进行幅频分析，计算各阶振动频谱幅值形成故障征兆集合。2）对频谱分析数据采用主元分析方法进行特征提取。3）计算主元分析数据的贴近度，与标准模式V之间具有最大贴近度的就是它所属的故障模式类。1.3质量不平衡故障诊断区分出具体的故障模式1X2X3X4X振幅频率转子不平衡故障频谱图作为严密的诊断，汽轮发电机组的质量不平衡应该具有以下的特征：1）振动以基频(1X)为主，同时，出现较小的高次谐波，整个频谱呈所谓的“枞树形”。2）在转速一定时振幅和相位是稳定的3）多次启动振动有再现性4）可以排除刚度、共振等因素5）振动随负荷变化不明显6）轴心运动轨迹为圆形或椭圆形转子轴心轨迹5号瓦y方向的振动趋势图1.3质量不平衡故障诊断查找故障位置不稳定不平衡轴向位置判断的主要依据，是轴系各转子临界转速、工作转速（空负荷、带负荷）下振动变化量及其在轴系中的分布。依据现场检测到的振动变化现象，可归纳为下列几种类型：1）工作转速下振动变化不大，第一临界转速下振动变化十分显著。平衡变化是发生在转子中部，或沿转子长度均布。2）工作转速和第一临界转速下振动变化均较大。当平衡变化发生在转子一端，或两端不对称，转子外伸端平衡变化是由转子挠曲增大引起的，例如外伸端转轴碰磨，也会产生这种振动特征。3）工作转速下振动变化很显著，第一临界转速下振动变化不大。平衡变化发生在转子外伸端，从有关测点振动变化量值大小，可直接判明平衡变化是发生在转子外伸的哪一端。1.3质量不平衡故障诊断查找故障原因在对故障发生的故障模式确认后，对原始质量不平衡故障原因查找知识库中相对应的规则进行逐条验证，得到各查找规则结论的可信度。只要可信度不为零，那么所搜索得到的故障原因就都可能存在。原始质量不平衡的原因主要有：结构不合理，制造误差大，动平衡精度低，材质不均等。查找故障影响对故障发生的位置和原因确认后，对故障产生的影响进行查找。对故障影响查找知识库中的规则进行逐条验证，根据规则匹配，得到故障影响。1.3质量不平衡故障诊断查找故障处理措施出具故障诊断报告对故障产生的位置、原因和影响确认后，对故障的处理措施进行查找。对故障处理措施查找知识库中的规则进行逐条验证。根据规则匹配，得到相应的故障处理措施，如：（1）按技术要求对转子进行动平衡；（2）转子除垢，进行修复。在上述几步工作都完成之后，出具一份故障诊断报告，供检修人员决策参考，确定检修计划。诊断报告主要内容包括：故障诊断任务故障模式故障位置故障原因故障影响故障处理措施11.4机组监测要求•振动监测值现场测点信号如下：（1）键相（2）机组X、Y向轴振（3）机组垂直方向瓦振（4）轴承入口油温、回油温度（5）转子偏心（6）油压（7）负荷（8）转速（9）蒸汽流量序号依据尺度项目轴承振幅转轴径向振幅轴承振幅烈度报警值跳闸值报警值跳闸值报警值跳闸值1GB/T11348.2-1997——相对轴振————120-165180-260————绝对振动————150-200250-320——2GB/T6075.2-2002由振动烈度换算成振幅——9.414.8851333美国西屋和GE公司规定75125125254——4国产机组普遍采用60-75100-125125254——•测点要求2.1转子热弯曲故障概述转子受热后出现的弯曲变形称为热弯曲。热弯曲将导致转子平衡状态的变化，因此热弯曲又称为热不平衡。转子热不平衡是指转子受热后（如机组带有功负荷或发电机转子加励磁电流后）产生附加的不平衡力而出现振动改变的现象。热弯曲是一种机组较为常见的振动故障，引起热弯曲的原因也是多种多样。针对整个汽轮发电机组而言，可分为两部分来研究热弯曲故障，包括汽轮机转子热弯曲和发电机转子热弯曲。2.转子热弯曲引起的故障热弯曲故障对机组影响后果分析如下：安全性影响机组可靠性机组经济性转子一旦发生热弯曲故障，机组轴振、瓦振将明显超标，甚至会引发机组跳机，严重影响了机组的安全运行。由于汽轮机汽封等间隙较小，当热弯曲产生的振动增大到一定程度，会引起转子出现动静碰摩，发生摩擦振动，使热弯曲量继续增大，振动也就不断增大，产生恶性循环，严重时会形成永久弯曲。中心孔积油引起的汽轮机转子热弯曲，振动随负荷增加及运行时间的延长而较快增大，数十分钟或1～2h振动就会超限。转子热弯曲故障由于引发原因的不同，对汽轮机组可靠性的影响也有显著的不同。例如动静摩擦、汽缸进水引起的转子热弯曲，再控制、处理不恰当的情况下甚至可以导致转子发生永久性弯曲，缩短了机组转轴的使用寿命。汽轮发电机转子发生永久性弯曲事故，是火力发电厂的重大恶性事故之一，它不仅增加机组非计划停运时间，而且还要耗用相当多的检修费用，造成重大经济损失和严重的不良影响。12.2转子热弯曲故障机理汽轮机转子在高温和高压的蒸汽介质中工作，发电机转子在投入励磁电流后也会被加热。一般来说，转子温度的均匀增加只会引起长度的增加，而不会使转子产生弯曲。之所以发生弯曲，是由于转子截面存在着某种不对称的因素，包括温度不对称、受力不对称、材质不对称等，左下图转子上下表面温度不等，右下图中由于摩擦效应在转子表面产生的轴向力F。12.3转子热弯曲故障诊断转子热弯曲的故障特征转子热弯曲故障模式的确定转子热弯曲故障位置的判定转子热弯曲故障原因的查找转子热弯曲故障的处理措施•2.3.1转子热弯曲的故障特征汽轮机转子热弯曲的故障特征(1)特征频率为1X；(2)振幅不会发生跳跃式的变化，振动的相位不稳定；(3)振动随转速的变化关系明显；(4)振动随负荷的变化关系明显；(5)停机过程的振动会明显高于启动过程发电机转子热弯曲故障特征(1)振动与励磁电流有密切关系。(2)发电机转子冷却系统不均匀引起热弯曲时，冷却介质入口温度越低，则振动越大；入口温度越高，则振动越小。(3)发电机转子出现的热弯曲大多是暂态弯曲。(4)因摩擦效应导致转子出现不均匀轴向力引起的热弯曲，振动的增大具有一定的突发性。(5)发电机转子热弯曲分为可逆和不可逆两者情况。•2.3.2转子热弯曲故障模式的确定1.依据轴承的振动信号的频谱分析正向推理，机组各瓦振动以基频为主的普通强迫振动，确定故障属于1X故障类。2.依据确定的故障特征作为模式确定判据，进行反向推理，为每一条故障特征设置故障模式确认权重，匹配故障模式。•2.3.3转子热弯曲故障位置的判定一般热弯曲故障位置的判定就是依据振动信号异常的位置来确定。譬如由3号轴瓦的异常振动诊断出热弯曲故障，则故障应该是发生在1号低压缸的。2.3.4热弯曲故障原因汽轮机转子热弯曲原因（1）转轴上内应力过大，转轴材质不均。（2）汽轮机叶轮的轮毂之间或轴上其他套装零件与轴凸台之间轴向间隙不足或不均匀。（3）转轴存在径向不对称温差。（4）转子与水或冷蒸汽接触。（5）动静摩擦。发电机转子热弯曲原因（1）转子锻件材质不均匀。（2）匝间短路。（3）冷却系统故障。发电机转子的冷却方式分为空冷、水冷和氢冷。它们都可能出现冷却系统故障。（4）绝缘变化。（5）转子线圈膨胀受阻。（6）转轴上套装零件失去紧力。（7）楔条紧力不一致。2.4机组热弯曲故障监测要求测点要求（1）机组X、Y方向轴振（2）机组垂直方向瓦振（3）负荷（4）励磁电流（5）转速（6）机组疏水、蒸汽管路（7）汽缸温度（8）大轴弯曲值测量值(1)测取机组启停机时，各瓦和转轴通频、基频振幅和相位(2)测取振动较大