1、發電廠汽輪機故障診斷研究與實例來源：湘潭電機集團有限公司 發電廠汽輪機故障診斷研究與實例摘 要:機械故障診斷理論和技術的研究已日趨深入,汽輪機組是電廠的重要設備由于汽輪機組結構和系統的復雜性、運行環境的特殊性,汽輪機組的故障率較高,而且故障的危害性也很大。因此,汽輪機組的診斷一直是故障診斷技術應用的一個重要方面。根據相關的數據和信息對汽輪機故障定性,進而對其產生的原因或機理做出判斷,并確定解決措施和實施處理方案尤為重要。在現場設備管理工作中,機組故障則經常是指機組振動過大,零部件過早過量磨損等情況。因最后本文對現場處理的一起汽輪機故障實例進行了論述。 關鍵詞:汽輪機故障診斷故障處理實例 隨著科

2、學技術的迅猛發展,現代工業生產的機械設備正朝著大型化、復雜化、高速化、自動化及大功率方向發展。設備的生產效率越來越高,機械結構也日趨復雜,設備中不同部分之間的相互聯系、耦合也更加緊密,一個部件出現故障,將引起整個生產流程中斷。現代化的生產設備雖然大幅度地提高了勞動生產率,節省了人力和物力,但同時也大幅度地增加了設備的維修費用,設備故障單位時間造成的損失也成倍地增加。 汽輪機的狀態監測與故障診斷技術對電廠的作用和意義,主要可以歸結為如下幾個方面: (1)及時掌握設備運行狀態異常或故障的早期征兆,以便采取相應的措施,將故障消滅在萌芽狀態,避免或減少重大事故的發生。(2)一旦發生故障,能自動記錄下故

3、障過程的完整數據和信息,以便事后進行故障原因分析,縮短維修時間和費用,提高設備利用率,避免再次發生同類事故。(3)通過對設備狀態異常的原因和性質進行分析,采取適當措施,對設備狀態實行在線調整,延長運行周期,為生產和維修決策提供科學依據。(4)通過監測得到的大量機器狀態數據,可以更充分地了解機器的性能,為改進設備設計、制造水平及產品質量提供有力的依據。(5)隨時掌握設備運行狀態的變化情況、各部分性能的劣化程度和機械性能發展趨勢,對設備狀態變化情況做到心中有數,提高設備管理現代化水平。 1 汽輪機組故障診斷技術的研究現狀 (1)信號采集與信號分析。汽輪機組故障診斷系統中的振動信號處理大多數采用快速

4、傅立葉變換(fft)。fft對很多平穩信號的情況具有適用性,因而得到了廣泛的應用。但是,實際中的很多信號是非線性、非平穩的,所以為了提高分辨精度,新的信號分析與處理方法成為該領域的重要研究課題。目前,研究的信號分析與處理方法有變時基fft,短時基fft,時頻分析、winger變換、小波變換、全息譜分析、延時嵌陷分析、信號的分維數計算等。 (2)故障機理。故障機理研究是故障診斷領域中的一個非常基礎而又必不可少的工作。目前,對汽輪機組故障機理的研究主要從故障規律、故障征兆和故障模型等方面進行。目前研究汽輪機組故障機理的方法有現場試驗法、實驗室模擬研究法和計算機仿真法。計算機仿真法目前是研究旋轉機械

5、故障機理和故障行為的常用方法。該方法是先建立描述設備和行為的數學模型,再開發出相應的仿真軟件,然后對一些典型故障進行數值仿真。其優點為:不受現場和實驗室的條件限制;能定量了建立故障狀態和故障特征之間的關系;能反復模擬不同的邊界條件(環境條件)和初始條件下的故障形態和故障特征。該方法的困難之處是數學模型的建立以及如何驗證數學模型的準確性。 (3)診斷方法。診斷方法的研究一直是故障診斷領域的重點。目前,在汽輪機組故障領域中,主要的診斷方法有振動診斷法、噪聲診斷法、熱力學診斷法、紅外診斷法、聲發射診斷法和無損檢測診斷法等。汽輪機組是大型旋轉機械,振動是其重要的(也是主要的)特征信號。因此,振動診斷法

6、是汽輪機組的常用診斷方法。機械振動勢必會產生噪聲,噪聲信號中包含了機組豐富的狀態信息,因此,噪聲診斷法也可用于診斷汽輪機組的故障。汽輪機組熱力性能方面故障,用熱力學診斷方法來診斷。機組動靜碰磨、轉子裂紋等故障可用聲發射診斷法進行診斷。在診斷機組剩余壽命和部件缺陷時,主要用無損檢測診斷法。目前用到的無損檢測技術主要包括硬度測定法、電氣阻抗法、超聲波法、組織對比法、結晶粒變形法、顯微鏡觀察法和x射線分析法。 (4)在線診斷系統的研制與開發。在線診斷系統的研制與開發,實際上是對上述各研究領域的成果進行集成,這種集成,既包括硬件方面的集成,又包括軟件方面的集成。在線診斷系統在現場投入使用后,可以對汽輪

7、機組的狀態和故障進行在線診斷與分析。 2 故障診斷方法 頻譜分析是設備故障診斷中最常使用的方法。常用的頻譜是功率譜和幅值譜。功率譜表示振動功率隨振動頻率的分布情況,物理意義比較清楚。幅值譜表示對應于各頻率的諧波振動分量所具有的振幅,應用時顯得比較直觀,幅值譜上譜線高度就是該頻率分量的振幅大小。頻譜分析的目的就是將構成信號的各種頻率成分都分解開來,以便于振源的識別。進行頻譜分析首先要了解頻譜的構成依據故障推理方式的不同,對頻譜構成的了解可按不同層次進行。 (1)高、中、低頻段進行分析,初步了解主故障發生的部位。(2)按工頻、超諧波、次諧波進行分析,用以確定轉子故障的范圍。振動信號中的很多分量都與

8、轉速頻率(簡稱工頻)有密切關系,往往是工頻的整數倍或分數倍,所以一般均先找出工頻成分,隨后再尋找其諧波關系,弄清它們之間的聯系,故障特征就比較清楚了。(3)按頻率成分的來源進行分析。實際的譜圖往往復雜,除故障成分以疊加的方式呈現在譜圖上外,還有由于非線性調制生成的和差頻成分、零部件共振的頻率成分、隨機噪聲干擾成分等非故障成分。弄清振動頻率的來源有利于進一步進行故障分析。(4)按特征頻率進行分析。振動特征頻率是各振動零部件運轉中必定產生的一種振動成分,如不平衡必定產生工頻,氣流在葉片間必定有通過頻率,齒輪嚙合有嚙合頻率,過臨界有共振頻率,零部件受沖擊有固有振動頻率等等。根據特征頻率的了解,大體上

9、即可掌握機組各構成部件的振動情況。 對主振成分進行分析做頻譜分析時,首先抓住幅值較高的譜峰進行分析,因為它們的量值對振動的總水平影響較大。需要分析一下產生這些頻率成分的可能因素。如工頻成分突出,往往是不平衡所致,要加以區分的原因還有軸彎曲、共振、角度不對中、基礎松動、定轉子同心度不良等故障。2頻為主往往是平行不對中以及轉軸存在有橫裂紋。1/2分頻過大,預示渦動失穩。0.508是流體旋轉脫離。特低頻是喘振。整數倍頻是葉片流道振動。嚙合成分高是齒輪表面接觸不良。諧波豐富是松動,分頻是流體激振、摩擦等。 做頻譜對比發現狀態異常在分析和診斷過程時應注意從發展變化中得出準確的結論,單獨一次測量往往難地對

10、故障做出較有把握的判斷。在機器振動中,有些振動分量雖然較大,但是很平衡,不隨時間的變化而變化,對機器的正常運行也不會構成多少威脅。而一些較小的頻率成分,特別是那些增長很快的分量常常預示著故障的發展,應該足夠的重視。特別需要注意的是,一些在原來譜圖上不存在或比較微弱的頻率分量突然出現并扶搖直上,可能會在比較短的時間內破壞機器的正常工作狀態,因此分析幅值譜時不僅要注意各分量的絕對值大小,還要注意其發展變化情況。 分析幅值譜的變化可以從以下幾個方面著手: (1)本個譜峰的變化情況,是單調增大,單調減少,還是波動而無固定趨勢。(2)哪些譜峰是同步變化的？哪些譜峰不發生變化？是否有新的頻率成分出現？(3

11、)是否有新的頻率成分出現？(4)轉子同一部分各測點振動之間,或相近部位各測點的振動之間振動譜上的相互聯系,各種變化的快慢,等等。3 汽輪機常見故障 近幾十年國內有關單位對機組振動故障處理的歷史和經驗教訓說明,對振動故障的定性一般并不困難,但在確定故障的具體原因時,由于對造成故障的機理分析有分歧,使得誤判時有發生。因此,機組振動故障的診斷除需要現場經驗外,還應該掌握一定的基礎理論和科學的分析能力,這樣才能快捷地找出故障的確切原因,提出正確的根治措施,而不致盲目地一概采用現場高速動平衡的方法,使得表面上振動有所減小,實際上沒有根治,機組經過一段時間的運行或檢修后,振動重復出現。 振動故障形態有很多

12、類型,總計有數十種之多,但其中數種常見故障的發生率占了總數的95%以上。如果能對這些典型故障做出準確的判斷,則足可以應付生產實際的需要。 4 汽輪機故障實例分析 大慶石化公司熱電廠4汽輪發電機組、7汽輪發電機組于2004年共發生三次未級、次未級葉片運行過程中脫落事故。這二臺機組均為上海汽輪機廠生產的c50系列機組。 4.1 故障表現 汽輪機在運行中出現突然振動增大,其中4機振動激增,現場可明顯感覺到機組基礎的振動,隨即便打閘停機,未對現場情況進行記錄。而7汽輪機在葉片脫落后,因現場離控制室相隔近60m,除振動探頭顯示振動增大外,現場基本感覺不到。 4.2 故障征兆 通過對7汽輪機在葉片脫落前后的頻譜對比發現,汽輪機在葉片脫落前的一段時間內,次未級的故障頻率已有所上升,表明次未級葉片上已經存在問題(葉片上出現裂紋)。葉片脫落后,由于出現質量不平衡一倍頻上升,同時表現出高位頻明顯增大,分析認為這正是未幾級葉片的故障頻率。 5 結語 電廠汽輪機的故障中振動故障是危害最大,發生頻率最高的。振動故障形態有數十種,現場機組常見的有質量不平衡、動靜碰摩、自激振動和結構共振、結構剛度不足和聯軸器不對中、轉子中心孔進油等,其中數種常見故障的發生率占了總數的95%以上。因此,對