摘要：汽輪機(jī)、鍋爐、發(fā)電機(jī)被稱為火力發(fā)電的三大主機(jī)，但是在實(shí)際應(yīng)用中，汽輪機(jī)經(jīng)常因?yàn)檎駝?dòng)而發(fā)生嚴(yán)重的故障。文章結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中的故障，對(duì)汽輪機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了分析，探討了在汽輪機(jī)的運(yùn)行中如何減少振動(dòng)情況的發(fā)生，保障電廠的穩(wěn)定生產(chǎn)和老百姓的用電安全。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)運(yùn)行；汽輪機(jī)振動(dòng)；火力發(fā)電；鍋爐；發(fā)電機(jī)；用電安全 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TK26 文章編號(hào)：1009-2374（2015）36-0053-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.025

汽輪機(jī)的振動(dòng)原因是多種多樣的，而振動(dòng)又是汽輪機(jī)的主要故障原因，解決這一問(wèn)題將對(duì)我國(guó)的電力生產(chǎn)產(chǎn)生極大的推動(dòng)作用。目前，我國(guó)的電廠一線工人和專家學(xué)者也對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，并且取得了相當(dāng)程度的進(jìn)展?；鹆Πl(fā)電作為我國(guó)的主要發(fā)電方式，必須保證其安全穩(wěn)定地運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，任何投入都是不過(guò)分的。

1 汽輪機(jī)振動(dòng)的危害

振動(dòng)是指物體偏離原有的平衡位置，發(fā)生了動(dòng)能和位能的連續(xù)相互轉(zhuǎn)換作用，因此產(chǎn)生振動(dòng)。在機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，微小的振動(dòng)是不可能預(yù)防的，只要振動(dòng)的幅度不超過(guò)一定的范圍都是可以接受的，汽輪機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)也是不可避免的，在一般規(guī)定水平下振動(dòng)是沒(méi)有危害的，但是往往因?yàn)楦鞣N原因，汽輪機(jī)在運(yùn)行工作中振動(dòng)就會(huì)超過(guò)一定的范圍，對(duì)汽輪機(jī)造成了損害。

我們所說(shuō)的是汽輪機(jī)運(yùn)行中振動(dòng)超過(guò)了一定頻率的和幅度的異常振動(dòng)，比如軸系中心變化、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)冷水路局部堵塞、膨脹受阻、軸承磨損或者是軸座松動(dòng)等，這些強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組零部件的松動(dòng)或者是損害，還會(huì)加劇汽輪機(jī)內(nèi)部的動(dòng)靜摩擦，進(jìn)一步對(duì)汽輪機(jī)造成磨損，從而形成了惡性的循環(huán)，加速了汽輪機(jī)的衰老過(guò)程。振動(dòng)往往不是因?yàn)橐粋€(gè)原因造成的，而是多個(gè)原因共同作用的結(jié)果，所以新安裝的汽輪機(jī)或者是剛剛檢修完的汽輪機(jī)都需要對(duì)其振動(dòng)程度進(jìn)行檢驗(yàn)，以保證其振動(dòng)幅度在國(guó)家規(guī)定的范圍之內(nèi)。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)定，汽輪機(jī)組的振動(dòng)雙振幅值在0.05mm以下才算合格。

2 汽輪機(jī)振動(dòng)的原因分析

對(duì)于汽輪機(jī)組的超幅振動(dòng)原因進(jìn)行分析與判定至關(guān)重要，因?yàn)樵诠ぷ鳡顟B(tài)中，處理問(wèn)題主要還是安裝工藝和零件的替換以及運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整等，而找到問(wèn)題的原因才是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。汽輪機(jī)的振動(dòng)原因是多種多樣的，要求我們逐一進(jìn)行分析，下面詳細(xì)介紹一下汽輪機(jī)的振動(dòng)故障原因和判定方法：

2.1 油膜失穩(wěn)

汽輪機(jī)發(fā)生油膜失穩(wěn)主要有兩種形式，半速渦動(dòng)和油膜振蕩。半速渦動(dòng)一般發(fā)生在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速的時(shí)候，在提高轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，從某一個(gè)較低的轉(zhuǎn)速開(kāi)始出現(xiàn)，通常情況下，這種振動(dòng)會(huì)一直持續(xù)到最高轉(zhuǎn)速，也可能在轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到某一個(gè)數(shù)值時(shí)就會(huì)消失。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速發(fā)生變化的時(shí)候，渦動(dòng)的頻率也會(huì)隨之發(fā)生變化，但是轉(zhuǎn)度的半頻關(guān)系始終不變。半速渦動(dòng)最有效的識(shí)別辦法是級(jí)聯(lián)圖，在級(jí)聯(lián)圖上，半頻振峰的頻率點(diǎn)連線表現(xiàn)為一條斜率為2的直線。除此之外，在波形圖上或者是軸心軌跡途中也能看到以低頻為主的特征。

2.2 氣流振動(dòng)

氣流振蕩發(fā)生的形式也是多種多樣的，原因也是各有不同：

首先是頂隙激振，由于對(duì)汽輪機(jī)效率和性能的追求，熱機(jī)設(shè)計(jì)人員采用了提高工作轉(zhuǎn)速和增加級(jí)數(shù)的方法，級(jí)數(shù)的變化使轉(zhuǎn)子的跨距變長(zhǎng)，臨界轉(zhuǎn)速降低，而轉(zhuǎn)速的提高又造成工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速比變大，這就造成了軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。由于轉(zhuǎn)子的彎曲是通流部分的徑向間隙被改變了，一側(cè)的間隙變小，另一側(cè)的間隙擴(kuò)大，變小一端的熱效率增加，變大一方的熱效率減小，就會(huì)造成切向力作用在軸頸上，使軸頸沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向做正向的渦動(dòng)。

其次是葉輪流通部分的相互作用力。葉輪的圍帶和殼體之間的縫隙很大，只要轉(zhuǎn)速超過(guò)了基頻的2.5倍，就會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象。葉輪帶可以產(chǎn)生相當(dāng)大的失穩(wěn)力，當(dāng)沿葉輪帶的泄流量守恒時(shí)，就會(huì)進(jìn)入磨損環(huán)，活塞式的密封環(huán)流動(dòng)就會(huì)發(fā)生非常高的切向力，而磨損造成的出口密封間隙增加又會(huì)使進(jìn)入密封的流動(dòng)切向力進(jìn)一步加大，造成嚴(yán)重的振動(dòng)。這時(shí)，葉輪圍帶力本身對(duì)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力穩(wěn)定性起到了重大作用，磨損環(huán)、平衡活塞式密封環(huán)入口處、葉輪圍帶徑向泄流量會(huì)產(chǎn)生非常大的切向速度。氣流激振一般只發(fā)生在參數(shù)較高的高壓轉(zhuǎn)子上。通常，渦動(dòng)的進(jìn)動(dòng)方向都是向前的，軌跡呈橢圓形或者是圓形，振蕩時(shí)，隨振幅逐漸接近大偏心率，而自激振動(dòng)的頻率接近于轉(zhuǎn)子橫向振動(dòng)的固有頻率。流體激振失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子做自激振動(dòng)呈現(xiàn)的模態(tài)，最大振幅一般不會(huì)出現(xiàn)在軸承的傳感器處。對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行判斷要求我們安裝振型測(cè)試探頭，觀察轉(zhuǎn)子振動(dòng)的幅度。

2.3 膨脹不均

膨化不均引起的振動(dòng)主要是由于汽缸膨脹受阻或者是加熱的不均勻引起的，這時(shí)汽輪機(jī)軸承的位置和標(biāo)高就會(huì)發(fā)生改變，造成轉(zhuǎn)子的中心產(chǎn)生位移，減弱軸承的剛度，引起機(jī)械振動(dòng)。這一振動(dòng)主要由兩種原因造成：一種是機(jī)組在啟動(dòng)的時(shí)候疏水不暢，在暖管或者是暖機(jī)的過(guò)程中，部分疏水寄存在主汽管道或者是汽輪機(jī)本體某一部分，金屬由于受汽水影響，產(chǎn)生受熱變形或者是膨脹不均，造成在運(yùn)行過(guò)程中摩擦振動(dòng)；另一種原因是沖轉(zhuǎn)或者是運(yùn)行過(guò)程中，主熱汽溫、再熱汽溫、壓力與金屬汽缸的溫度不匹配，轉(zhuǎn)子受熱不均，產(chǎn)生彎曲或者是變形，造成潤(rùn)滑油的油溫、油壓遠(yuǎn)超正常的運(yùn)行參數(shù)，使轉(zhuǎn)子與氣缸的膨脹不一致，引起振動(dòng)。

2.4 動(dòng)靜摩擦

由于近年來(lái)，對(duì)于汽輪機(jī)的工作效率要求不斷增加，動(dòng)靜的間隙不斷的縮小，碰摩的可能性就隨之增大。動(dòng)靜摩擦輕的會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，嚴(yán)重的就會(huì)使轉(zhuǎn)軸永久性的彎曲，整個(gè)軸系統(tǒng)都會(huì)遭到損壞，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。發(fā)生動(dòng)靜摩擦的原因有以下四種：（1）轉(zhuǎn)軸振動(dòng)過(guò)大，質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲、軸系失穩(wěn)等都會(huì)造成這一現(xiàn)象；（2）轉(zhuǎn)子偏斜；（3）動(dòng)靜間隙過(guò)?。唬?）缸體跑偏，變形。

除了以上四種現(xiàn)象和原因，還有自激振動(dòng)、結(jié)構(gòu)共振、轉(zhuǎn)子損害等原因會(huì)造成汽輪機(jī)的振動(dòng)。

3 汽輪機(jī)振動(dòng)的防止措施

在分析了汽輪機(jī)振動(dòng)的現(xiàn)象和原因以及判定方法后還需要對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行預(yù)防：

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽輪機(jī)振動(dòng)診斷系統(tǒng)

前文已經(jīng)提到過(guò)，對(duì)于振動(dòng)的解決措施無(wú)非進(jìn)行保養(yǎng)、設(shè)備更換、參數(shù)調(diào)整這三種措施，防止汽輪機(jī)振動(dòng)應(yīng)首先建立一種汽輪機(jī)振動(dòng)診斷檢測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題原因，進(jìn)行問(wèn)題的解決。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的汽輪機(jī)振動(dòng)診斷系統(tǒng)是近年來(lái)最新的研究成果，是一種計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)，對(duì)人腦神經(jīng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模擬，模仿人類的信息處理方式。這一系統(tǒng)是根據(jù)汽輪機(jī)振動(dòng)信號(hào)分析原理方法和故障特征提取方法，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Matlab軟件的信號(hào)處理相結(jié)合以及GUI界面編程構(gòu)建汽輪機(jī)振動(dòng)故障的識(shí)別系統(tǒng)。這一系統(tǒng)主要是收集汽輪機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，并進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，最終給出振動(dòng)類別的判斷。

首先安裝信號(hào)采集系統(tǒng)，在汽輪機(jī)頭、各個(gè)振動(dòng)點(diǎn)安裝機(jī)械箱和吸納紅采集裝置，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并把數(shù)據(jù)保存在特定文件里，方便進(jìn)行觀測(cè)與處理。并將信號(hào)進(jìn)行消除多項(xiàng)趨勢(shì)以及小波的降噪，進(jìn)行基于小波能量的提取并保存。

這樣就可以對(duì)其進(jìn)行故障特征向量的提取并進(jìn)行小波包重構(gòu)信號(hào)特征的向量處理。將經(jīng)過(guò)處理的特征向量作為測(cè)試診斷的樣本。

由上可知，這一系統(tǒng)具有相當(dāng)程度的準(zhǔn)確性、方便性、快速性。通過(guò)這一系統(tǒng)，我們可以快速地判斷汽輪機(jī)振動(dòng)原因，在造成較大事故之前，就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)其故障趨勢(shì)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整與維修。要注意這一系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)越多，參數(shù)越多，效果越好。

3.2 油膜失穩(wěn)和油膜振蕩的防止措施

在汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)階段，我們就應(yīng)該提高軸系的穩(wěn)定裕度和系統(tǒng)阻尼，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行和檢修的過(guò)程中，要注意避免降低軸系的穩(wěn)定性的操作和檢查工藝。對(duì)于軸承的維護(hù)是防止油膜失穩(wěn)的有效手段，因?yàn)橛湍なХ€(wěn)的根源就是滑動(dòng)軸承。軸承的無(wú)量鋼承載系數(shù)如下：

式中：P是比壓，是轉(zhuǎn)速。消除油膜失穩(wěn)首先可以增大軸承的負(fù)載W或者是增大比壓P，這要求減少軸承的寬度L。但是也要注意這些會(huì)造成瓦溫和油溫的升高；其次可以增加間隙比，但是也會(huì)造成軸頸在軸承中的定位問(wèn)題；最后是減少潤(rùn)滑油的動(dòng)力黏度，提高油溫能，增大承載系數(shù)。但是這種方法會(huì)減少最小油膜厚度，潤(rùn)滑油保持在高溫的狀態(tài)下長(zhǎng)期工作，容易使油質(zhì)發(fā)生老化。

3.3 氣流激蕩的防止措施

氣流激蕩在我國(guó)發(fā)生得比較少，但我們也不能因此就放松警惕。在這一方面，首先可以利用反漩渦技術(shù)干擾流體的周向運(yùn)動(dòng)，逆向注入流體，提高失穩(wěn)的界限轉(zhuǎn)速。這種技術(shù)可以衍生出大量有效的主動(dòng)控制手段，不會(huì)對(duì)汽輪機(jī)造成損害；其次，可以通過(guò)增加軸頸在軸承中的偏心率，減少振動(dòng)發(fā)生的情況；最后，可以改變軸承的幾何形狀，擾亂周向旋流，減少它的切向力強(qiáng)度，提高轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性。

3.4 其他原因造成的振動(dòng)防止措施

膨脹不均主要是受熱或者是加熱受阻引起的，解決方法就是在啟動(dòng)前，檢查一遍汽輪機(jī)，查看管道是否通暢，運(yùn)行時(shí)是否有積水沒(méi)有排泄干凈，并且要注意疏水時(shí)有沒(méi)有疏水寄存在主管道或者是機(jī)體之中，如果有的話需要清理干凈。主熱汽溫壓力與金屬汽缸配置不協(xié)調(diào)的原因是運(yùn)行參數(shù)設(shè)置不正確或者是機(jī)械使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成一定程度的運(yùn)轉(zhuǎn)失靈，這時(shí)需要仔細(xì)檢查各項(xiàng)機(jī)械有沒(méi)有變形情況發(fā)生，及時(shí)進(jìn)行故障設(shè)備的更換，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)。動(dòng)靜摩擦主要是由于設(shè)計(jì)的不合理和機(jī)械設(shè)備的損害造成的，我們只需要降低一些對(duì)于汽輪機(jī)效率的要求，更換損毀的零件就能有效預(yù)防動(dòng)靜摩擦，或者也可以增加油脂，加強(qiáng)動(dòng)靜間的潤(rùn)滑。

自激振動(dòng)主要是因?yàn)檫\(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)的不合理，這需要在運(yùn)行中調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，并對(duì)機(jī)械進(jìn)行有效的保養(yǎng)。轉(zhuǎn)子損壞就需要對(duì)機(jī)械進(jìn)行維修與更換，并在平時(shí)維修、保養(yǎng)時(shí)給予注意。

4 結(jié)語(yǔ)

汽輪機(jī)的安全運(yùn)行是電廠工作的核心，無(wú)論是從零件、機(jī)械的選購(gòu)還是安裝和平時(shí)的維護(hù)，都需要我們引起注意。目前，由于對(duì)于機(jī)械效率要求的提高，在汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的方面要求有所降低。但是，我們一定要注意兩者的平衡，保障發(fā)電廠安全生產(chǎn)，穩(wěn)定供電。

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作者簡(jiǎn)介：姜微（1988-），男，黑龍江雙鴨山人，供職于神華國(guó)能寶清煤電化有限公司，研究方向：火電廠集控運(yùn)行、電氣工程及其自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：陳 潔）