汽轮机振动异常原因分析及解决方法

汽机技术2019-03-11 07:25:36


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前言

汽轮机的振动大小,是评价汽轮机组运行可靠性的重要指标。对于高速转动的汽轮机来说,微小的振动是不可避免的,振动幅度不超过规定的标准属于正常振动。对汽轮机的运转没有影响,但是当振动超过规定限值时,对整个汽轮机组的运行是有害的,表明机组内部存在缺陷。本文所分析的就是这种振动过大的异常振动产生的原因和减小振动的方法。

一、汽轮机振动过大的危害

汽轮机组振动过大,会使机组内部部件的连接松动,基础台板和基础之间的刚性连接削弱,或使机组的动静部分发生摩擦,造成转子变形、弯曲、断裂,甚至是叶片损坏。当机头发生振动时,可能直接导致危机保安器动作,造成停机事故。当汽轮机动静叶片由于过大的振动而发生相对偏移时,会造成高低压端部轴封发生不正常磨损。低压缸端轴封的磨损破坏轴封的密封作用,使空气被吸入负压状态下的低压缸,破坏凝汽器的真空,直接影响汽轮机组的经济运行。高压缸端轴封的破坏会使高压缸的蒸汽大量向外泄露,降低高压缸做功能力,甚至会引起转子发生局部热弯曲。泄露的高压蒸汽如果进入轴封系统的油档中,使润滑油内混入水分,造成油膜失稳,也可能产生油膜振荡,造成轴瓦乌金熔化。当过大的振动造成轴弯曲时,可能使发电机滑环和电刷的磨损加剧、静子槽楔松动、绝缘被破坏,造成发电机或励磁机事故。当过大的振动造成某些紧固螺丝松脱、断裂时,甚至会造成整个汽轮机组的报废。所以,消除异常振动,是确保安全生产的重要环节。

二、汽轮机异常振动的原因分析与解决方法

汽轮机组负担着将热能转化为电能的任务,由于其长时间运行、关键部位长期磨损等特点,各种故障时常发生,其中,振动异常是汽轮机组常见故障中最频繁的一种,严重影响了电厂的正常发电。由于振动产生的原因非常复杂,汽轮机组的任何一个设备或者介质的异常,都可能造成机组振动,比如进汽参数、疏水、油温、油质等。因此,想要解决汽轮机的异常振动,针对导致异常振动的原因分析尤为重要,只有查明原因,对症维修,才能最根本的解决问题。

造成汽轮机组振动异常的主要原因有以下几种:转子质量不平衡、转子弯曲、中心不正、油膜自激振荡、汽流激振等。

2.1  转子质量不平衡引起的振动

转子上的装配部件在机械加工时,内孔与转子中心不同心,或部件质量对转动中心不对称;转子上的叶片、拉金断落或不对称磨损;转子锻件在加工及处理过程中有过大的残余变形,引起转子永久性挠曲;在检修时,在转子上进行拆装叶轮和叶片、更换联轴器零件、更换发电机线圈、车削转子轴颈或直轴等工作,都有可能造成转子质量不平衡。

转子质量不平衡是汽轮机振动异常的最主要原因,70%以上的异常振动是转子质量不平衡引起的,其特点是,振幅与不平衡质量成正比,振动频率等于转子的振动频率,波形为正弦波,振幅及相位始终保持常数,而与负荷无关。

这类振动只需要找好平衡即可解决。由于其发生概率高,解决方便,在汽轮机组发生振动时,应成为首要分析对象。

2.2  转子弯曲

转子弯曲引起的振动,由于弯曲的原因不同,各自振动的变现特点也不同。当转子产生永久弯曲而引起振动时,其特点与质量不平衡时的振动情况相同,在通过临界转速时振动幅值特别明显地增大;在汽轮机启动、停机过程中,由于加热或冷却不均匀而引起的弹性热弯曲也会引起振动。可以通过停机重启或降低转速,延长暖机时间等方法,待转子温度均匀后,热弯曲消除,即可消除振动。但是,当弯曲造成汽轮机动静部分摩擦时,如果摩擦力很大,将进一步破坏转子的平衡,使摩擦增大,形成恶性循环,振动波形紊乱,应迅速停机,否则由于局部过热可能造成转子永久弯曲;用有缺陷的材料来锻造转子,具有热不稳定性。这种转子随着被加热而出现弹性热挠性变形。由于热不稳定性而引起汽轮机振动,其幅值与负荷成正比,振幅变化在时间上与负荷变化滞后1-3小时。滞后时间取决于转子结构、质量和蒸汽参数;转子装配时,可能由于叶轮与轴的配合不良、键在键槽中歪斜等原因产生挠性变形,引起汽轮机振动。这种振动常常因为多次启停,造成配合削弱,振幅与相位随之变化。

如果转子由于温度不均匀或装配问题造成弯曲,可通过停机重启、降低转速、延长暖机时间、重新装配等方法恢复的,转子可继续使用。如果转子由于各种原因已经产生了永久性弯曲,只有更换转子才能消除振动。所以,在转子制造时的材料监督、装配时的安装精度以及启停机时的转速控制都应尤为重视,避免造成转子永久性弯曲,影响正常生产。

2.3  中心不正

一种是转子轴线中心不在一条直线上。产生这种问题的原因除找中心的质量不好之外,还可能是汽缸热膨胀受阻、蒸汽管道热膨胀补偿不足。对于核电厂汽轮机的挠性转轴,两轴线不同心会使联轴器的磨损加速,表面摩擦系数增大,导致挠性联轴器无法起到补偿调节的作用。另一种是汽轮机与发电机两个转子之间联轴器中心偏差过大或联轴器有缺陷。对于用挠性联轴器连接的转子,当联轴器有缺陷不能对中心自动调整时,可能发生振动。当联轴器耦合原件之间正常啮合被破坏,从而导致传递扭矩在联轴器周上分布不均匀时,也会发生振动。中心不正的振动特点是波形呈正弦波,振动的频率等于转子的转速,与机组的工况无关。由于转子柔度与轴承油膜的弹性影响,只有靠近有缺陷联轴器的轴承才会出现明显的振动。相邻的两个轴的振动相位相反。

针对中心不正引起的振动解决方法主要靠检修和安装调试时的细心工作,从而保证汽轮机组的正常工作。

2.4  油膜自激振荡

油膜自激振荡是汽轮机发电机转子在轴承油膜上高速旋转时,丧失动力稳定性的结果。其特点是振荡主频约等于发电机的一阶临界转速,且不随转速变化而变化。

当汽轮机组发生油膜振荡时,应增加轴瓦比压,方法是缩短轴瓦长度,即减小长径比,或调整联轴器中心,保证热态时各轴瓦负荷分配均匀。

2.5  汽流激振

汽流激振有两个主要特征:一,出现较大值的低频分量;二,振动受运行参数影响明显,且增大呈突发性。其主要原因是由于叶片受到不均衡的汽流冲击。对于大型机组,由于末级较长,汽体在叶片末端膨胀所产生的紊流也可能造成汽流激振。同时,轴封也可能发生气流激振现象。

针对汽轮机组气流激振的特点,其故障分析要通过长时间的记录机组的振动数据,做成成组的曲线,观察曲线的变化趋势和范围。通过改变升降负荷速率,观察曲线的变化情况,最终有目的的改变汽轮机不同负荷时的高压调速汽门的重叠特性,消除汽流激振。也就是,确定机组产生汽流激振的工作状态,采用降低负荷变化率和避开气流激振的负荷范围的方式来避免汽流激振的产生。

2.6  轴承的轴向振动

在测量汽轮机组振动过程中,也会发现轴承轴向振动过大的现象。其振动特点是频率与转速相同,轴向振动的幅值与转子的挠曲程度成正比,而各轴承的振动相位取决于转子挠曲弹性线的形状:在一阶临界转速附近,两个轴承的轴向振动相位相反;在二阶临界转速附近,两个轴承的轴向振动相位则相同。由于情况比较特殊,将轴向振动归为一种振动现象。其主要原因有三种:一、弯曲的转子在旋转时,轴颈产生偏转,轴颈在轴瓦内的油膜承力中心沿轴向随转速发生周期性变化,从而引起轴承座轴向振动;二、轴瓦受力中心与轴承座几何中心不重合;三、轴承座不稳固。挠性转子在旋转时,将会使轴瓦及轴承座做相应的偏转,但轴承无法追随轴颈的偏转只能形成轴向振动。

针对前两种振动原因的解决方法,前文中都有提到,在此不做复述。对于轴承座不稳固而引起的振动,做到及时发现,及时加固即可解决。

三、振动的在线监测

目前大型机组都装有轴系监测装置,对振动进行在线监测,为振动监测及分析创造了良好的条件。对于振动的在线监测,要做好记录工作,以便在发生异常振动时进行对比分析,找出振动的原因。如果在运行时发现机组振动异常,应马上派人进行现场测试,如果振动确实超过了规定限值,应做到及时停机,防止对机组造成破坏;对于未超过限值的振动异常增大,要及时查找原因,并采取措施,防止振动继续增大。如果在线监测仪表未出现异常变化,但现场人员听到汽轮机组有异常声响时,也应进行停机检查,防止叶片脱落或有异物进去汽轮机,对汽轮机组造成破坏。

四、总结

振动产生的原因是十分复杂的,而且每个汽轮机组的情况也都不同,因此需要针对每一个机组,进行一系列的试验,找出振动的规律,做好记录工作,结合运行与检修时的资料,进行综合分析,才能找到振动的原因,加以消除。在生产运行中,还必须做好振动监测工作。避免异常振动的发生,确保整个电厂的正常运行。

 


编辑:兰陵王

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