淺談三門核電汽輪機振動監測及診斷系統

摘要：汽輪發電機組的振動是關系到電站安全經濟運行的重要指標，文章介紹了汽輪機振動常見故障產生的原因及其特征，探討了汽機振動的危害，闡述了三門核電的汽輪機監測診斷系統的重要性。

關鍵詞：三門核電；汽輪機；汽機振動；振動監測；振動診斷 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK268 文章編號：1009-2374（2015）24-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.030

隨著汽輪機向大型化方向發展，機組振動問題日益突出，劇烈的振動將威脅著機組的安全。迫切需要先進的狀態監測與故障診斷技術，尤其對于三門核電1251MWe的大型汽輪機組，振動的危害將更加巨大，所以對汽機振動的監測和分析診斷顯得尤為重要。

1 汽機振動的常見原因及特征

1.1 轉子質量不平衡及轉子熱彎曲振動

產生機理：由于轉子制造誤差、裝備誤差以及材質不均勻等原因或由于轉子上不均勻結垢，介質中粉塵的不均勻沉積，介質中顆粒對葉片及葉輪的不均勻磨損以及工作介質對轉子的腐蝕等，引起質心偏離幾何中心，轉子在高速運行時，微小的質子偏心也能引起較大的振動。轉子不平衡是旋轉機械最常見的故障。據不完全統計，有一半以上的振動故障與轉子不平衡有關。

故障特征：（1）時域波形圖：波形近似為正弦波；（2）頻譜圖：諧波能量集中于基頻并且會出現較小的高次諧波，使整個頻譜呈所謂的“樅樹形”；（3）振動隨轉速變化而發生較大變化；（4）軸心軌跡：軸的X、Y方向上剛度有差別導致轉子對平衡質量的影響在X、Y方向振幅不同且相位差也不同，故轉子的軸心軌跡不是圓而是橢圓；（5）振動隨油溫或介質溫度變化不顯著。

1.2 油膜振蕩

產生機理：當汽輪機的轉速高于兩倍轉子的第一臨界轉速發生的軸瓦自激振動通常為油膜振蕩。即半速渦動的渦動速度正好與轉子的第一臨界轉速相重合，此事的半速渦動被放大，從而產生劇烈振動。

故障特征：（1）頻譜圖：低頻成分明顯，<0.5X頻；（2）振蕩突然增大后，即使轉速再升高，振動值也不變化。

1.3 動靜件摩擦振動

產生機理：由于汽機軸封、級間密封、油封間隙和葉片頂隙等間隙都比較小，較小的間隙會引起流體動力激振，也會發生轉子與靜止部件之間的摩擦。其中轉子的不平衡、轉子與靜子的熱膨脹不一致、密封力作用以及轉子對中不良等原因，都會引起動靜件摩擦振動。

故障特征：（1）時域波形圖：有單邊波峰“削波”現象；（2）頻譜圖：含有高次諧波；（3）摩擦局部會有溫升。

1.4 轉子不對中

產生機理：彎曲變形的轉子由于轉軸內阻現象以及轉軸表面與旋轉體內表面之間的摩擦而產生的相對滑動，使轉子產生自激旋轉振動，當主動轉子按一定轉速旋轉時，從動轉子的振動會產生周期性變動，每轉動一周變動兩次。

故障特征：（1）時域波形：是1X頻與2X頻疊加的波形；（2）頻譜圖：2X頻明顯偏高；（3）振動隨轉速變化而發生較大變化；（4）振動隨油溫或介質溫度變化敏感。

2 汽機振動的危害

2.1 機組經濟性降低

汽輪機在運行期間，良好的汽封間隙有助于提高機組的熱經濟性，但如果振動過大，則會改變汽封間隙，從而影響機組的熱經濟性。

2.2 使機組動靜部分及支撐部件產生損壞

機組由若干個不同的部件組成，如端部的軸封、葉片、圍帶、葉輪、軸瓦等，當機組產生強烈振動時，引起動靜摩擦，會引起部件嚴重受損。

2.3 造成電站停運

如果振動過大時，甚至會導致機組上的一些儀表的工作無法正常工作，發生誤動作，導致停機事故的發生。

3 三門核電汽機振動監測與診斷功能

三門核電汽輪機振動監測與診斷系統，主要分為汽機振動監測系統TSI和汽機振動診斷系統TDM兩部分。

3.1 汽機振動監測系統TSI

TSI提供模擬量監測輸出和數字量跳閘輸出至汽機控制和保護系統，也提供泵（如給水泵和凝結水泵）振動檢測模擬量輸出和數字跳閘輸出至全廠DCS。TSI主要包括探頭、前置器、專用電纜、帶信號整定的機柜、監視器及其他設備。TSI振動測量包括：

3.1.1 軸振監測。軸振測量分為相對軸振測量和絕對軸振測量。相對軸振是指相對于軸瓦而言軸的振動。絕對軸振為軸相對于靜止點的振動，通過軸的相對振動和殼振的合成，可以得出軸的絕對振動。

3.1.2 瓦振監測。瓦振即殼振、軸承振動，在軸旋轉振動的過程中，必然會引起軸承的振動，通過速度傳感器或加速度傳感器可以測量瓦振。

3.1.3 軸向位移及脹差監測。布置兩個軸向位移傳感器，滿足冗余和表決需要。軸向位移的突變可能導致動靜部件的摩擦碰撞，軸向位移是很關鍵的參數。脹差是由于膨脹速度不一樣，在軸向，氣缸和轉子膨脹的差值。脹差測量通過相對測量即可得到，傳感器安裝于氣缸上，監測軸的位置變化，輸出就是脹差。

3.1.4 殼脹、閥位監測。通過在汽輪機機殼兩側各裝一個LVDT傳感器，監測汽輪機熱變形。一般安裝在汽機底座上，頂端接觸到氣缸外殼，測量其相對于底座的膨脹。

3.2 汽機振動診斷系統TDM

TDM執行汽輪發電機振動診斷功能。主要特點為：永久性安裝、不間斷地對機組運行狀態進行在線實時監測；完整保留機組振動的歷史數據、起停機數據和升降負荷數據；提供豐富的專業診斷圖譜，幫助專業管理人員隨時觀察機組運行情況、并對機組狀態進行深入分析和診斷；可以長時間、大容量地保存機組的歷史診斷數據；當機組發生故障后，能方便地查詢機組的故障變化趨勢。主要包括：數據分析、數據診斷兩部分。

3.3 數據分析

3.3.1 數據獲取和分析的時間間隔。對于振動向量、電廠數據（負荷），系統每秒鐘獲取并分析一次；對于頻譜，系統每兩小時分析一次。當振動向量或負荷超過限值，或者操縱員要求時立即執行。

3.3.2 檢查數據是否超過限值。當系統監測到振動或軸承溫度超過限值時，會在LCD報警窗口上顯示一個報警信息。如果振動或軸承溫度降到限值一下，系統會清除報警信息并顯示一個“恢復正?！毙畔?。

3.3.3 顯示。分析結果顯示包括主監視圖、棒圖、振動表格、過程量表格、波形、頻譜、軸心軌跡、軸系仿真、軸心位置圖、波特圖、極坐標圖、級聯圖、相關趨勢圖及列表。

顯示窗口硬拷貝。

數據保存：正常工況下，系統最少可以保存十年的數據。

3.4 數據診斷

故障診斷是一個獨立運行的工程師幫助軟件或稱專家系統，該系統通過人機對話方式，用于診斷機組是否正常運行、是否發生異常故障的可信度、故障發生的原因以及排除故障的措施等。由于現場情況的復雜性，診斷結果只能供有關人員進行決策時起參考作用。故障診斷軟件系統由三個庫和六個功能模塊組成。三個庫是指機組數據庫、征兆事實庫和診斷知識庫；六個功能模塊是指信號分析、征兆獲取、自動診斷推理、診斷解釋、故障處理和對話診斷。系統自動診斷出的原因舉例如下：軸不平衡、軸裂縫、軸承磨損、轉子未對中、油膜振蕩/渦動、轉子彎曲、摩擦、轉動部件松動、發電機熱彎曲、聯軸器不耦合、轉子不對稱。

4 結語

對汽輪機進行在線振動監測，并及時準確地分析和診斷，對于指導機組安全穩定運行，防止機組發生重大事故，及時進行故障診斷和處理具有重要意義。利用在線振動監測和診斷系統，可準確預測設備性能和潛在的事故趨勢，為電廠實時狀態檢修提供可靠的技術依據。

參考文獻

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作者簡介：陶佳林（1986-），男，浙江嘉興人，中核集團三門核電有限公司助理工程師，研究方向：振動監測。

（責任編輯：陳 倩）