汽轮发电机组振动故障诊断方法研究

东 北 电 力 学 院 学 报 第 25卷第 4期 � Journal Of Northeast China Vol. 25, No. 4 2005年 8月 Insti tute Of Electric Power Engineering Aug. , 2005 收稿日期: 2005�07�08 作者简介:赵 � 斌( 1968- ) ,男,河北理工大学高级师,华北电力大学在读动力工程硕士研究生,主要研究方向为热力设备及大 型回转机械故障诊断及经济分析。 文章编号: 1005- 2992( 2005) 04- 0042- 05 汽轮发电机组振动故障诊断方法研究 赵 � 斌1,乔桂红2,吴锡鹏3 ( 1.河北理工大学,河北 唐山 063009; 2.吉林电建总公司电厂检修公司,吉林吉林 132021; 3.秦皇岛发电有限责 任公司,河北秦皇岛 066003) 摘 � � � 要:分析了目前汽轮发电机组振动故障诊断方法存在的问题, 提出了根据机组故障范围、振动 频率特征等对故障进行分层次诊断的正向推理振动诊断方法。并以事例如何通过正向推理诊断振 动故障, 提高故障诊断准确率。 关 � 键 � 词:汽轮发电机;振动故障; 诊断方法;正向推理 中图分类号: TK 264� � � � 文献标识码:A 故障诊断过程可分为信号检测、征兆获取(振动特征)和状态识别 3个主要阶段。信号检测和征兆 获取是为状态识别服务的,而诊断方法是在状态识别阶段确定故障性质所用的手段。目前,在汽轮机组 故障诊断领域中,诊断方法的研究一直是故障诊断领域的重点, 主要的诊断方法有振动诊断法、噪声诊 断法、热力学诊断法、红外诊断法、声发射诊断法和无损检测诊断法等。 汽轮发电机组是大型旋转机械,其主要故障往往通过振动的形式表现出来, 因此, 振动诊断法是汽 轮发电机组的常用诊断方法。 1 � 振动诊断方法的发展 振动故障诊断技术经历了从简易诊断到精密诊断的发展过程。早期诊断故障被称为振动原因寻 找,依据振动现象查明振动故障原因,是采用解体检查直观寻找,后来被称为振动原因分析,最后被称为 振动故障诊断, 三种不同的提法反映了人们认识振动故障的思路和方法的不同。 1. 1 � 直观寻找振动故障 早在 60年代以前,由于受振动测试技术和对振动故障特征的限制,确定振动故障全凭经验和直觉, 采用解体检查直观寻找, 最后即使振动消除了,其故障原因往往仍不明白。 1. 2 � 振动原因分析寻找 由于上述直观寻找故障盲目性太大,因此国内从 60年代开始采用对机组振动进行测试观察振动与 哪些运行参数有关, 然后对其振动原因进行分析, 排除一些无关的因素,确定一个可疑的故障范围,再去 寻找振动故障原因, 这样不仅减少了振动故障的怀疑面, 而且突出了寻找故障的重点, 由此不仅减少了 寻找时间和工作量, 而且显著地提高了寻找故障的成功率。这种振动原因分析方法,虽然避免了直观寻 找的较大盲目性,但是它仍然没有摆脱振动故障原因以眼见为实的思路。 1. 3 � 振动故障诊断 � � 我国振动故障诊断早在 1982年已提出, 是各种故障诊断方法中最早提出的,至今虽只有二十多年 的历史,但目前振动故障诊断技术在各电厂普遍采用。 振动故障诊断与上述两种查明故障的方法最大区别是摆脱了振动故障以眼见为实的局限性,它是 采用演绎推理的方法,以故障特征为基础,与振动特征进行比较、分析, 或采用逐个排除的方法, 对振动 性质、故障原因和具体部件作出判断。 演绎推理有反向推理和正向推理两种形式,这两种推理方式在目前的振动故障诊断中都使用。出 于反向推理法是依据振动特征振动故障原因,诊断故障容易掌握,因此目前国内这种诊断方法应用相当 广泛, 但是这种方法的最大缺点是: 由于振动故障和特征间不是一一对应的关系,不同的故障特征的相 互交叉,造成反向推理诊断结果不肯定和误诊断, 克服这一缺点的有效措施是采用正向推理。 2 � 正向推理诊断振动故障 经现场 50多年的故障诊断的实践、研究改进和归纳,目前已经明确了机组振动范围总目录、分类目 录及其相应的故障特征, 这为采用正向推理诊断振动故障奠定了基础。 2. 1 � 确定振动的类别 当今采用的振动划分方法是首先将机组振动按振动性质划分为普通强迫振动、轴瓦自激振动、汽流 激振等九类振动。在实际诊断过程中一般只要通过振动频谱或不同频率下振动分量即可对故障诊断范 围进行第一层次诊断,确定振动故障类别。但就每一类振动故障范围而言,又可分为激振力和支承动刚 度两个故障原因,因此如何肯定或排除其中一个故障原因, 是确定振动的类别之后进行具体诊断需要做 的下一步工作。 2. 2 � 确定故障原因 在线性系统中, 部件呈现的振幅与作用在该部件上的激振力成正比, 与它的动刚度成反比, 可用下 式表示: A = P K d (1) 式中: A 为振幅; P 为激振力; K d 为支承动刚度。 从( 1)式可以看出机组振动振幅由激振力和支承动刚度两者确定,振动的故障原因可能是激振力过 大、支承动刚度降低或两者共同作用的结果。 2. 2. 1 � 支承动刚度 支承动刚度也称轴承座动刚度,它与轴承座静刚度(结构刚度)、共振放大因素和动态下连接刚度有 关。 在实际机组振动故障诊断中, 在查明激振力故障原因之前, 首先应查明轴承座动刚度是否正常。但 从现场消振来讲,增加其结构刚度是十分困难的, 所以从现场实用诊断来说, 一般无须查明轴承座结构 刚度,而只进行连接刚度不足和共振影响的诊断, 这种诊断虽不十分严密, 却有实际价值。 2. 2. 2 � 激振力 当振动属于普通强迫振动,排除了轴承座连接刚度、共振影响之后, 采用正向推理诊断可以得出振 动故障原因是激振力变化所致。而引起普通强迫振动激振力故障范围包括四种激振力, 即转子不平衡、 固定式联轴器连接的轴系同心度、平直度偏差和轴颈不圆、不对称电磁力。肯定一种或排除三种激振 力,即可确定故障原因,这是采用正向推理诊断振动故障的第三步。 3 � 诊断实例 3. 1 � 机组振动概况 某厂1号机系南京汽轮机厂1980年生产的 60 MW机组, 2001年 11月在大修后的正常冷态启动中, 43第 4期 赵 � 斌等:汽轮发电机组振动故障诊断方法研究 � � � 空负荷时发生振动过大,其中1号、3号瓦水平振动最大达 90�m以上,被迫打闸停机,机组不能并网。 3. 2 � 空负荷故障诊断 3. 2. 1 � 空负荷振动故障诊断 ( 1)振动类别和故障性质 经振动测试,从频谱分析看,各瓦振动频率均为 50Hz的工频振动, 其振幅与机组运行工况、运行时 间无明显关系, 振动主要分量是基频,属稳定普通强迫振动。并在排除轴承座连接刚度不足外, 采用正 向推理诊断可以得出振动故障原因是激振力过大。 ( 2)旋转性不平衡故障原因和故障部位的诊断 大修前该机组空负荷各瓦振均在合格范围之内,大修中汽轮机转子没有任何检修和变动,而发电机 转子汽侧滑环在机组大修后首次启动期间进行了车削加工,实际车削转速超过了 300 r/ min, 使滑环车 偏,造成发电机转子质量不平衡,即肯定一种激振力,由此诊断发电机转子质量不平衡是引起机组空负 荷下振动的主要原因,而汽机侧 1号轴瓦振动分析主要是因为轴系间振动影响所致。 3. 2. 2 � 消振对策和处理结果 按常规治理手段在发电机转子上试加重进行动平衡试验,最终在发电机汽机侧风扇平衡槽内实际 加重 300g �100�, 1号机组轴系升速及额定转速空负荷下均符合振动标准要求,至此空负荷振动得以消 除,空负荷平衡前后测试振动值对比见表 1。 表 1 � 加重前后瓦振 � (�m) 1号瓦 2号瓦 3号瓦 4号瓦 � = � = � = � = 平衡前 49� 314 92� 141 28 64� 319 54 96� 309 9. 0 28� 49 平衡后 14� 217 34� 202 14� 194 27� 218 19� 215 38� 337 7. 0 12� 216 3. 3 � 带负荷振动故障诊断 机组空负荷振动消除后, 2001年 11 月 14日 23: 00 分机组启动并网接带负荷发现轴瓦振动又增 大,且振动并不是随有功负荷的增大而立即增大, 而是稳定一段时间后,振动才逐渐增大;同样当降低负 荷时,振动也不立即减小。 3. 3. 1 � 带负荷振动故障诊断 ( 1)振动类别和故障性质 经振动测试,从频谱分析看,各瓦振动频率均为 50Hz的工频振动, 其振幅与运行时间无明显关系, 但随机组运行工况(有功负荷)而变。振动主要分量是基频, 属随机组运行工况而变的不稳定普通强迫 振动。 ( 2)故障原因诊断 进一步采用正向推理诊断,从振动现象来看, 振动与机组受热状态有关, 诊断为机组有功负荷增大 后转子产生的热不平衡, 且与空负荷下的振动大小无关。根据振动分类范围,诊断分析引起该机组振动 的原因主要有以下两种: 汽轮机转子受热后平衡恶化和汽缸轴承座膨胀不良。为了具体判别哪一种原 因引起的机组振动, 我们进行了变负荷试验情况见表 2。 表 2 � 带负荷瓦振 � (�m) 1号瓦 3号瓦 时间 工况 � = � = 23: 28 并网前 14� 217 50� 202 18� 222 45� 355 23: 45 500 kW 79� 190 70� 337 0: 30 2000 kW 40� 335 92 80� 346 11: 30 5500 kW 43� 109 47� 324 44� � � 东北电力学院学报 第 25卷 第一种汽轮机转子受热后平衡恶化的振动特征是随负荷增大, 机组振动增大。而试验中 5000 kW 负荷,振动值又降到空负荷振动数值,与第一种振动规律不相符合。因此, 通过试验排除了第一种原因。 诊断引起机组振动的主要原因为汽缸轴承座膨胀不良。而以下进一步的工作更加证实了这一诊断。 ( 3)连接刚度诊断 1号机组前轴承座外特性试验,数据见表 3,其中各位置标号如图 1所示。 表 3 � 前轴承座外特性试验数据 � (�m) 测点位置 � � ! ∀ # ∃ 振幅值 8. 0 15 25 48 41 37 9. 0 从试验数据来看,左侧 � 点台板振动 8 �m, � 点轴承座下支点振动 15 �m, � 与 � 两点振动差 7 �m; 右侧�点 37 �m, �点 9�m, �和�两点振动差 28 �m。 从差别数据分析,左侧差别振动合格,说明左侧轴承座与台板连接刚性正常,接触是良好的;右侧差 别振动超出了经验值较多,反映出右侧轴承座与台板接触不良, 影响了轴承座在台板上的滑动。此诊断 验证了汽缸轴承座膨胀不良是引起机组振动的主要原因。 图 1 � 前轴承座外特性示意图 3. 3. 2 � 消振对策和处理结果 由上述诊断指出, 该机组带负荷振动根本原因是前轴 承座连接刚度不足引起的汽缸轴承座膨胀不良;而发电机 转子不平衡是机组振动的诱发因素。具体消振对策有: ( 1)增加前轴承座连接刚度 2001年 11月 16日 1号汽轮机组开始重新揭缸、吊转 子、顶下缸, 抽出前轴承座进行检查, 发现在轴承座下结合 面对应台板右侧的�王�字孔洞处, 由于长年振动摩擦,形成 一个凸起 70 �m 的�王� 字, 限制了轴承座在台板上的滑动, 造成汽缸膨胀不畅。经过轴承座下结合面与台板结合的研 磨修刮,达到工艺要求后重新回装。2001年 11月 26日机组再次修后启动, 由于前轴承座支承系统支 承特性发生变化,空负荷各瓦振动也发生变化,测试振动情况见表 4。 表 4 � 二次检修后空负荷瓦振 � (�m) 1号瓦 2号瓦 3号瓦 4号瓦 � = � = � = � = 17� 344 71� 196 16� 230 43� 17 20� 230 62� 22 9� 261 27� 284 ( 2)发电机转子动平衡 经对发电机转子两侧二次动平衡试验加重: 3 瓦侧加 163g �100�, 4 瓦侧加 167g �4�。加重后启 动,各瓦振动合格,带负荷振动稳定,各瓦振动数值见表 5。 表 5 � 二次加重后瓦振 � (�m) 1号瓦 2号瓦 3号瓦 4号瓦 � = � = � = � = 3000 r/m in 18 42 10 39 17 48 21 42 3500 kW 7. 0 34 10 28 15 28 21 31 经三年来的运行实践检验证明 1# 机组的故障已从根本上得到治理。 45第 4期 赵 � 斌等:汽轮发电机组振动故障诊断方法研究 � � � 4 � 结 � 论 ( 1)随着振动故障诊断技术的发展, 常规的反向推理振动诊断方法已不能满足现场诊断的需要,应 用正向推理进行故障诊断成为必然的发展趋势。 ( 2)在诊断一开始即可采用正向推理,对发生的振动进行分类, 再用正向推理按不同的振动类别对 引起振动的具体故障做出判断。 ( 3)显然在肯定或排除故障原因的比较中,也可采用反向推理, 但这种反向推理是在故障范围明确 的前提下采用的肯定方法,因此思维上正向推理要比反向推理直接诊断故障严密得多,由此可以获得很 高的诊断的严密性和诊断的准确率。 参 � 考 � 文 � 献 [ 1] � 李录平.汽轮机组故障诊断技术[ M ] .北京:中国电力出版社, 2002. [ 2] � 施维新.汽轮发电机组振动及事故[ M ] .北京:中国电力出版社, 1999. Research on Methods of Vibration Fault Diagnosis for Steam Turbine�Generator Units ZHAO Bin, QIAO Gui�hong, WU Xi�peng ( Hebei Polytechnic Univerity, T angshan City 063009) Abstract: The problems in the methods of fault diagnosis are analy zed. Considering fault range and vibrat ion frequency etc, forw ard direction logic diagnost ic method of hierarchical diagnost ic st rategy is put forw ard. And explain how to diagnosos vibrat ion fault w ith for w ard direct ion log ic, the accuracy of fault diagnosis is improved. Key words: Steam turbine�generator unit ; Vibrat ion fault; Diagnost ic method; Forw ard direct ion logic 46� � � 东北电力学院学报 第 25卷