李曉波，段學(xué)友，張沈彬

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)組是火電廠的核心設(shè)備，振動是反映其軸系轉(zhuǎn)動狀態(tài)最直接、最重要的指標(biāo)。振動超標(biāo)通常意味著機(jī)組軸系或支承系統(tǒng)出現(xiàn)較大異常，容易誘發(fā)零部件疲勞破壞，威脅機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確診斷處理振動測量系統(tǒng)故障，確保其真實反映設(shè)備振動狀態(tài)，對保障汽輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有著十分重要的意義。

1 振動測量系統(tǒng)組成

汽輪發(fā)電機(jī)組振動測量系統(tǒng)通常由振動傳感器組件、導(dǎo)線、采集分析裝置組成[1-3]。汽輪發(fā)電機(jī)組振動測量包括軸振（相對軸振、絕對軸振）測量和座振測量。相對軸振常用電渦流傳感器測量，座振常用速度傳感器、加速度傳感器測量。

1.1 傳感器

振動傳感器是將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號的元件，主要有電渦流傳感器、速度傳感器、加速度傳感器幾種。電渦流傳感器基于電渦流效應(yīng)，其輸出信號為脈動電壓，當(dāng)被測表面的磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率不變時，其直流部分正比于平均間隙，交流部分正比于軸心圍繞平均位置的振動位移；其頻響范圍為0～10 kHz，用于軸振動的非接觸式測量。速度傳感器基于電磁感應(yīng)原理，其輸出電壓與運(yùn)動速度成正比，通常固定在軸承座上測量座振。加速度傳感器基于壓電效應(yīng)原理，其輸出電壓與加速度成正比，通常固定在軸承座上測量座振。

1.2 采集分析裝置

在火電廠，振動采集裝置為汽輪機(jī)安全監(jiān)視TSI（turbine supervisory instrumentation）系統(tǒng)，當(dāng)前主流產(chǎn)品有本特利公司的3500系列、艾默生公司的MMS6000系列。振動信號采集分析裝置接收通過導(dǎo)線傳輸而來的振動傳感器電壓信號，其測量板件對信號進(jìn)行整形、模數(shù)轉(zhuǎn)換、邏輯計算等，給分散控制系統(tǒng)DCS（distributed control system）等輸出振動量值，并具有緩沖輸出等功能。TSI系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)換后，可輸出信號給離線便攜式振動分析儀或在線分析診斷系統(tǒng)TDM（turbine dignosis managment），得到多種振動分析圖譜。

2 振動測量系統(tǒng)故障診斷

當(dāng)轉(zhuǎn)子受到某種激振力而激發(fā)振動時，同一截面不同方向的傳感器都會采集到，轉(zhuǎn)子相鄰部位也會有一定響應(yīng)，相鄰振動測點(diǎn)量值通常會表現(xiàn)出一定的邏輯相關(guān)性，因此與其他測點(diǎn)是否具有“邏輯相關(guān)性”常常成為識別振動信號是否真實的依據(jù)。

結(jié)合振動測量系統(tǒng)故障機(jī)理和現(xiàn)場經(jīng)驗[4-7]，分析總結(jié)的振動測量系統(tǒng)故障類型及特征如表1所示；根據(jù)振動測量系統(tǒng)故障機(jī)理及特征，結(jié)合現(xiàn)場經(jīng)驗，總結(jié)的測量系統(tǒng)故障診斷處理流程如圖1所示。

表1 振動測量系統(tǒng)故障特征表

圖1 振動測量系統(tǒng)故障診斷處理流程圖

3 測量系統(tǒng)故障診斷實例

3.1 速度傳感器共振案例

某W廠4號汽輪機(jī)為亞臨界直接空冷300 MW汽輪機(jī)機(jī)組，配有TSI系統(tǒng)，用于振動監(jiān)視。2018年5月該機(jī)組低壓轉(zhuǎn)子前端3號軸承座振通頻值出現(xiàn)大幅度波動，波動范圍為15～50 μm。

3.1.1 振動情況分析

a）3號軸承座振大幅波動時，對應(yīng)的3X、3Y軸振基本維持平穩(wěn)，表明轉(zhuǎn)子振動正常，軸系激振力基本平穩(wěn)，對軸承無波動的激勵力；3號軸承座振的基頻（與轉(zhuǎn)速通頻）振動分量幅值和相位基本平穩(wěn)，即對應(yīng)軸系轉(zhuǎn)頻強(qiáng)迫力基本平穩(wěn)。從軸振和座振這種不相關(guān)性，懷疑故障原因大概率為3號軸承座振測量系統(tǒng)故障。

b）使用測振儀采集3號軸承座振頻譜，發(fā)現(xiàn)其主要振動頻率為3.123 Hz和6.254 Hz，其振幅瞬間峰值分別達(dá)到了 35 μm、22 μm，這與該 TSI系統(tǒng)的PR9268傳感器的自振頻率（4.5±0.5 Hz）大致相符，進(jìn)而判斷故障原因為傳感器共振。

3.1.2 處理結(jié)果

停機(jī)檢修期間3號軸承就地更換新的傳感器，再次啟動后該測量值維持在10 μm左右，處于相關(guān)國標(biāo)[8-9]所述A區(qū)域，并與就地測量值基本一致。

3.2 軸振傳感器支架共振問題

H廠2號機(jī)組為亞臨界330MW機(jī)組，高中壓轉(zhuǎn)子兩端由1、2號軸承支承，配有TSI系統(tǒng)，用于振動監(jiān)視。該機(jī)組啟動過程中升速至2 350 r/min附近2X軸振出現(xiàn)顯著波峰，在2 460 r/min附近2Y軸振出現(xiàn)波峰，2Y軸振超過保護(hù)動作值而跳機(jī)。重復(fù)升速2次，現(xiàn)象基本相同。

3.2.1 振動情況分析

a）2X、2Y軸振分別在轉(zhuǎn)速2 350 r/min和轉(zhuǎn)速2 460 r/min時出現(xiàn)振動波峰，而后快速下降，這與共振現(xiàn)象很相似；但高中壓轉(zhuǎn)子的另一端——同轉(zhuǎn)速時1號軸承軸振沒有明顯的振動波峰，相鄰的3號軸承軸振相應(yīng)也小，且2 350 r/min、2 460 r/min已遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的設(shè)計臨界轉(zhuǎn)速（1 569 r/min）。從上述的非相關(guān)性可判斷，轉(zhuǎn)速2 350 r/min、2 460 r/min時2X、2Y軸振共振波峰的主因并非是高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速區(qū)共振引起的，而是測量系統(tǒng)信號異常，很可能是源于探頭支架共振。

b）重復(fù)啟動2次，現(xiàn)象類似，有明確規(guī)律，再現(xiàn)性好，這通常對應(yīng)著確定的系統(tǒng)性問題，外界偶發(fā)干擾的可能性小。

c）調(diào)查發(fā)現(xiàn)2X、2Y軸振探頭安裝在長臂支架上，而非常見的軸承插入套筒上。綜合分析后判斷2X、2Y軸振探頭所在的長臂支架剛度較弱，在轉(zhuǎn)速2 350 r/min、2 460 r/min時出現(xiàn)了長臂支架共振現(xiàn)象，同步出現(xiàn)軸承箱、軸承座共振。

3.2.2 處理結(jié)果

確認(rèn)2X、2Y軸振測量系統(tǒng)的接地和屏蔽狀態(tài)正常。揭開軸承箱，對2X、2Y軸振探頭所在的長臂支架進(jìn)行焊接加固。再次啟動后，升速過程中2X、2Y軸振最大值不超過90 μm，治理效果良好。

3.3 電磁干擾案例

B廠1號汽輪機(jī)為200 MW工業(yè)采暖抽汽、凝汽式兩用汽輪機(jī)，配置了TSI系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由6號、7號軸承支撐。

3.3.1 振動情況分析

a）DCS振動數(shù)據(jù)分析。2019年5月，機(jī)組帶負(fù)荷、加勵磁過程中6號、7號瓦軸振先后出現(xiàn)爬升情況，其中6Y軸振最大值達(dá)到167 μm，7號瓦軸振最大值達(dá)到132 μm，而6X軸振軸振、6號瓦瓦振、7號瓦瓦振卻變化不大。

根據(jù)6號、7號軸承振動相關(guān)變化趨勢可以看出：第一，在有功不變的情況下，6Y/7X/7Y軸振大致跟隨勵磁電流快速變化，在勵磁電流不變時，功率增大，6Y/7X/7Y軸振也相應(yīng)增大。第二，6Y軸振大幅波動過程中6X軸振、6號瓦座振波動幅值很小，從這種不相關(guān)性方面懷疑6Y軸軸振波動大概率為假信號，而非6號軸承附近軸系激振力反復(fù)變化。

b）測振儀頻譜分析。使用測振儀測取6號、7號軸承振動頻譜信息，根據(jù)變勵磁過程中振動數(shù)據(jù)，可觀察到如下規(guī)律。

第一，6Y軸振的大幅波動，主要表現(xiàn)為2倍頻分量幅值的大幅度變化，而6X軸軸振、6號瓦瓦振的2倍頻分量很小，因此判斷6Y軸軸振大幅波動的激振源并非來自軸系，而是來自外界某100 Hz的激振源。第二，7X/7Y軸振同趨勢大幅變化，主要表現(xiàn)為1倍頻幅值的變化，判斷為真實振動，這通常對應(yīng)著附近某種不平衡量；2倍頻分量變化不大，通常對應(yīng)附近較穩(wěn)定的電磁力或聯(lián)軸器不對中量。第三，觀察6Y、7X軸振的間隙電壓為平滑曲線，而其軸振值中有大量鋸齒狀波動，且有脈沖量，這通常對應(yīng)著外部干擾信號。

3.3.2 分析結(jié)論

a）判斷6Y軸振波動大概率為虛假信號，主要為2倍頻分量，且與勵磁電流變化相關(guān)性強(qiáng)；綜合分析認(rèn)為6Y軸振波動原因大概率為勵磁電流對6Y軸振測量系統(tǒng)的強(qiáng)電磁干擾。

b）7X、7Y軸振主要表現(xiàn)為1倍頻分量的變化，而6X、6Y軸振沒有類似現(xiàn)象，因而判斷并非發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子問題，結(jié)合振型及相位關(guān)系綜合判斷為7號瓦跨外聯(lián)軸器緊力不足，隨有功功率（變力矩）、勵磁電流（變發(fā)熱）改變，導(dǎo)致7號瓦跨外不平衡量的改變。

3.3.3 處理建議

a）停機(jī)后，檢查6號、7號軸承的絕緣情況，檢查6號、7號軸承振動測點(diǎn)就地線纜屏蔽情況，檢查6號軸承軸振探頭支架是否有松動或剛度差。

b）停機(jī)后，檢查7X/7Y軸振測點(diǎn)是否接反，檢查7號軸承跨外聯(lián)軸器緊力、晃度，檢查7號軸承跨外勵磁段是否存在電氣缺陷、線圈位移、碳刷緊力異常。

3.3.4 處理結(jié)果

機(jī)組停機(jī)后更換了6Y軸承軸振探頭及導(dǎo)線，更換6號、7號軸承的絕緣墊；7號軸承跨外聯(lián)軸器重新找中心；對7號瓦跨外勵磁段進(jìn)行了檢查。再次啟動，帶負(fù)荷過程中6號、7號軸承振動基本平穩(wěn)，最大軸振不超過80 μm，處理效果良好。

4 結(jié)束語

汽輪發(fā)電機(jī)組振動故障的準(zhǔn)確診斷和恰當(dāng)處理，是火電廠現(xiàn)場工作中的難點(diǎn)[10]。本文結(jié)合實際案例，剖析了幾類振動測量系統(tǒng)故障的分析、診斷、處理過程，重點(diǎn)從“相關(guān)性”方面分析了真實振動與虛假信號的識別，給出了相應(yīng)的處理建議和對照處理結(jié)果，為類似案例的處理提供了參考。