（农业机械化工程专业论文）基于tn8000系统的600mw汽轮机组振动分析.pdf

摘要 本论文在t n s 0 0 0 汽轮机组振动分析软件的基础 二，采用振动监测和信号分析的 手段刘托克托发电厂6 0 0 m w 汽轮机组的振动测试信号进行了分析研究。通过对测试 信号进行时域和频域分析，并结合统计分析的方法，确定了转子质量不平衡、汽流 激振等故障的特征、机理以及故障敏感参数，并结合工程实际提出了减小机组振动 的措施。测试分析结果表明：转子质量不平衡引起的振动信号中，与转子同频的一 倍频分量是主要成分，振动幅值在对应转子的一阶临界转速附近达到最大值，振动 对负荷变化不敏感，其主要敏感参数是转子转速；汽流激振引起的振动主要发生在 高压转予蒸汽入口端，振动信号中，对应于转子一阶临界转速频率的信号成分很 大，并且这一频率的信号对机组的负荷变化敏感。通过对振动机理、征兆的分析， 可以在机组运行中及早发现问题，合理地确定检修方案和检修手段，在最大限度上保 证汽轮机运行的安全可靠性，节约检修费用以及减少非计划停机所带来的经济损失。 关键词：汽轮机组；轴系振动；信号分析；转子质量不平衡；汽流激振 a n a l y s i so i lt h ev i b r a t i o no f6 0 0 m w s t e a mt u r b i n eg r o u p b a s e do nt n 8 0 0 0s y s t e m a b s t r a c t o nt h et n 8 0 0 0s y s t e mb a s i s ，t h ev i b r a t i o nt e s ts i g n a l so ft h e6 0 0 m ws t e a mt u r b i n e g r o u p ( t u o k e t u op o w e rp l a n t s ) w e r ea n a l y z e dw i t ht h em e t h o d so fv i b r a t i o nm o n i t o r i n g a n ds i g n a la n a l y z i n g t h r o u g ht h et i m e - d o m a i na n ds p e c t r u ma n a l y z i n g ，c o m b i n i n gt h e m e t h o do fs t a t i s t i ca n a l y s i s ，t h ef a u l to fu n b a l a n c er o t a t o rm a s sa n ds t e a m - e x c i t e dv i b r a t i o n w e r ef o u n d t h ef a u l tf e a t u r e s 、m e c h a n i s ma n ds e n s i t i v ep a r a m e t e rw e r ec o n f i r m e d t h e r e f o r et h er e p a i r i n gp l a nw a sp u tf o r w a r df o rt h es t e a mt u r b i n eg r o u p t h et e s tr e s u l t s h o w e dt h a t ：i nt h ev i b r a t i o ns i g n a lo fu n b a l a n c er o t a t o rm a s s ，t h em a i nf r e q u e n c yi st h e s a m ea so f r o t a t o r s ，a n da m p l i t u d er e a c h e di t sh i 曲v a l u ea tt h el i m i ts p e e do fr o t a t o r ，a n d t h ev i b r a t i o ns h o w sn os e n s i t i v i t yt ot h ev a r i a n to fl o a d s ，t h es e n s i t i v ep a r a m e t e ri st h e r o t a t o rs p e e d ；t h ef a u l to fs t e a m e x c i t e dv i b r a t i o no c c u r sm a i n l ya tt h es t e a me n t r a n c eo f h i g h - p r e s s u r e r o t a t o r i nt h ev i b r a t i o nf e a t u r e s ，t h e s i g n a la m p l i t u d e i s h i 曲f o r c o r r e s p o n d i n gt h eo n es t e pl i m i ts p e e df r e q u e n c y ，a n dt h es i g n a li ss e n s i t i v et ot h el o a d ( s t e a mp a r a m e t e r ) i nt h eo p e r a t i o no f t h es t e a mt u r b i n eg r o u p ，t h ep r o b l e mc a n b ef o u n d i nt i m ea n dt h er e p a i r i n gs c h e m ew a ss e tp r o p e r l y f u r t h e r m o r et h es a f e t yr u n n i n go ft h e m a c h i n ew a sg u a r a n t e e dw i t hm a x i m u m ，t h er e p a i r i n gc o s tw a sr e d u c e da n dt h ee c o n o m i c l o s so fn o n p l a nm a c h i n eh a l tw a sm i n i m i z e d k e y w o r d s ：s t e a mt u r b i n eg r o u p ；a x l e s y s t e mv i b r a t i o n ：s i g n a la n a 抛i n g ；u n b a l a n c e o f r o t a t o rm a s s ；s t e a m e x c i t e dv i b r a t i o n d ir e c t e db y ：p r o f d r w a n g c h u n g u a n g a p p iio a n tf o rm a s t e rd e g r e e d ：g ekij u a n ( a g r i c u l t u r em e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g ) ( c o l l a g e o f m e c h a n i c a l e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，i n n e r m o n g o l i a a g r i c u l t u r a l u n i v e r s i t y ，h u h h o t0 1 0 0 18 ，c h i n a ) 内蒙古农业大学硕士学位论文1 1 引言 汽轮机是以蒸汽为介质、在高压、高温、高转速下工作的一种大型精密旋转式 热能动力机械，其主要用途是作为发电用的原动机，它将锅炉送来的高温高压蒸汽 的热能转化为机械能带动发电机转子旋转，从而将机械能转化为电能输送到电力系 统。自1 8 8 3 年首台单级冲动式汽轮发电机组投入运行以来，汽轮机已有一百多年的 发展历史。目前，发电汽轮机中已有瑞士制造的双轴1 3 0 0 m w 、前苏联制造 1 2 0 0 m w 火电汽轮机和法国制造的1 5 0 0 m w 核电汽轮机等。随着电力需求的迅速增 长和电网容量的不断扩大，汽轮机在向着高参数、大容量方向发展的同时，提高汽 轮机运行的安全可靠性、负荷适应性和自动化水平已成为汽轮机发展的核心m 。 1 1 问题提出的背景 汽轮机转子是结构较为复杂、具有连续质量分布的弹性体。它与支承轴承及轴 承座组成转子系统。转子放罱在基础台板上，并由联轴器将机组的各转子连接成轴 系。汽轮机转子制造及装配过程中难免产生质量偏心，转子连成轴系的安装中也会 出现一定程度的不对中。在机组运行中还会发生叶片等旋转部件的脱落、转子因不 均匀受热而产生热弯曲和动、静部件径向碰磨、轴承座及汽缸受热变形或轴承座抬 起，以及基础不均匀下沉等，诸如这些原因，均会使转子的主惯性轴或多或少地偏 离旋转轴线。转子旋转时产生不平衡离心力，在转子上形成周期变化的径向激励 力，从而引起转子的弯曲振动。此外，对汽轮发电机组的轴系，在机组负荷改变、 电气系统发生故障或进行某种操作时，电磁力矩可能发生突变或振荡，使汽轮机的 蒸汽力矩与发电机的电磁力矩失去平衡，造成轴系的扭矩，产生冲击性或周期性波 动，进而引起转子的扭转振动。因此，转子、联轴器、轴承及轴承座、基础台板及 基础、密封( 汽封、油封等) 等部件的任何缺陷或故障，以及蒸汽参数波动和电网 扰动等，均会不同程度地诱发激振力，使汽轮机产生多种多样的振动。据统计，5 0 年来，国外发生的严重转子事故中，振动原因占四分之三；国内也有百余例严重的 转子事故由轴系振动引起，如哈尔滨第三热电厂于1 9 9 6 年投产的一台国产6 0 0 m w 机组因阵发性振动问题常年处于低负荷运行状态，严重影响了机组的利用率；1 9 9 8 年l o 月，北仑电厂6 0 0 m w 机组汽轮机发生高压缸叶片断裂的重大事故，直接经济 损失达2 4 0 0 万之多m 。因此，应特别关注汽轮发电机组轴系的振动问题。只有正确 地认识和区分振动的故障特征，才能有效地采取主动措施，消除振动或缓解振动对 2基于t n 8 0 0 0 系统的6 0 0 w 汽轮机组振动分析 机组安全运行的威胁。目前，在轴系振动故障诊断中，主要由机组振动信号的特征 来推断激振力的形式和故障源，并根据故障源找出故障部件。 近年来，国民经济的迅速发展，给电力行业带来了空前的发展机遇。在机组容 量不断扩大的同时，由于设备故障所带来的经济损失和社会影响也越来越大，因 此，对机组的可利用率、机组运行的效率、安全性、可靠性与经济性也提出了更高 的要求。然而，机组的振动，尤其是大型机组的振动，仍是目前影响我国电力安全 生产的关键问题之一。目前，国内投运的大机组都配置了振动监测系统，它一方面 对机组的安全运行起到了积极作用，另一方面，它们的功能还未被充分利用，运行 人员不能对监测系统显示的异常振动信号及时准确地做出判断，仅可得知是否越限 报警，运行中反映出的机组振动的早期征兆被忽略，无法进行深层的分析和对故障 的识别，从而增加了故障诊断时间和处理过程，造成设备损坏，贻误生产，产生严 重后果。因此，通过对汽轮机振动故障的原因、机理、和征兆进行分析，建立起监 测系统和专业人员之间的联系是提高机组安全性、可靠性的有效技术环节之一。 1 2 汽轮机振动问题的研究现状 早期的故障诊断主要是依靠人工，利用触、摸、听、看等手段对设备进行诊 断。通过经验的积累，人们可以对一些设备故障做出判断，但由于这种手段的局限 性和不完备性，现在已不能适应生产对设备可靠性的要求。而信息技术和计算机技 术的迅速发展以及各种先进数学算法的出现，为汽轮机故障诊断技术的发展提供了 有利的条件。人工智能、计算机网络技术和传感技术等已经成为汽轮机故障诊断系 统不可缺少的部分。 1 2 1 国外研究的基本情况 美国是最早从事汽轮机故障诊断研究的国家之一，在汽轮机故障诊断研究的许 多方面都处于世界领先水平。目前美国从事汽轮机故障诊断技术开发与研究的机构 主要有西屋( w h e c ) 、本特利( b e c h t e l ) 、罗蒂尔( r a d i a l ) 等公司。 美国b e c h t e l 电力公司1 9 8 7 年开发的火电站设备诊断专家系统( s c o p e ) 在进 行分析时，不只是根据控制参数的当前值，还考虑到它们随时间的变化趋势，提出 设备可能的l 临近损坏时间，给出消除故障的建议说明。美国r a d i a l 公司于1 9 8 7 年开 发的汽轮发电机组振动诊断专家系统( t u r b o m a c ) m ，在建立逻辑规则的基础上， 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 设有表征振动过程各种成分与其可能故障源之间关系的概率数据，其搜集知识的子 系统具有人一机对话形式。该系统含有9 0 0 0 条知识规则，有很大的库容。西屋公司 ( w h e c ) 首先将网络技术应用于汽轮机故障诊断，他们在已经开发出的汽轮发电机 组故障诊断系统( a i d ) 的基础上，在奥兰多建立了一个诊断中心，对分布于各地 电站的多台机组进行远程诊断，据文献【2 】介绍，这套系统使得克萨斯州7 台机组的 非计划停机率从1 4 下降到o 2 ，机组的平均可利用率从9 5 2 提升到9 6 1 。 日本也很重视汽轮机故障诊断技术的研究，由于日本规定1 0 0 0 m w 以下的机组 都须参与调峰运行，因此，他们更注重于汽轮机寿命检测和寿命诊断技术的研究。 日本从事这方面研究的机构主要有东芝电气、日立电气、富士和三菱重工等。东芝 电气公司与东京电力公司于1 9 8 7 年合作开发的大功率汽轮机轴系振动诊断系统，采 用计算机在线快速处理振动信号的解析技术与评价判断技术，设定一个偏离轴系正 常值的极限值作为诊断的起始点进行诊断。三菱公司则在八十年代初期开发了 m h m 振动诊断系统，该系统能自动地通过人机对话进行异常征候检测并能诊断其 原因，其特点是可根据动矢量来确定故障。w 。 欧洲也有不少公司和部门从事汽轮机故障诊断技术的研究与开发。瑞士的a b b 公司、德国的西门子公司、丹麦的b & k 公司等都开发出了各自的诊断系统。 1 2 2 我国的发展情况 我国在汽轮机组故障诊断技术方面的研究起步较晚，但是发展很快。发展过程 经历了两个阶段：第一阶段是从7 0 年代末到8 0 年代初，在这个阶段内主要是吸收 国外先进技术，并对一些故障机理和诊断方法展开研究；第二阶段是从8 0 年代初期 到现在，在这一阶段，全方位开展了机械设备的故障诊断研究，引入人工智能等先 进技术，大大推动了诊断系统的研制和实施，取得了丰硕的研究成果m 。 1 9 8 3 年春，中国机械工程学会设备维修分会在南京召开了首次“设备故障诊断 和状态监测研讨会”m ，标志着我国诊断技术的研究进入了一个新的发展阶段，随后 又成立了一些行业协会和学术团体，其中和汽轮机故障诊断有关的主要有：中国设 备管理协会设备诊断技术委员会、中国机械工程学会设备维修分会、中国振动工程 学会故障诊断分会等。这期间，国际国内学术交流频繁，对于基础理论和故障机理 的研究十分活跃，并研制出了我国自己的在线监测与故障诊断装置，“八五”期间 又进行了大容量火电机组监测诊断系统的研究，各种先进技术得到应用，研究步伐 加快，缩小了与世界先进水平的差距，同时也形成了具有我国特点的故障诊断系 4 基于t n 8 0 0 0 系统的6 0 0 m w 汽轮机组振动分析 统，并出版了一系列这方面的专著。目前我国从事汽轮机故障诊断技术研究与开发 的单位有几十家，主要有哈尔滨工业大学、西安交通大学、清华大学、华中理工大 学、东南大学、上海交通大学、华北电力大学等高等院校和上海发电设备成套设计 研究所、哈尔滨电工仪表所、西安热工研究所、山东电力科学试验研究所、哈尔滨 船舶锅炉涡轮机研究所及一些汽轮机制造厂和大型电厂等。 1 2 3 存在的问题 目前，在汽轮机故障诊断中存在的主要问题有： ( 1 ) 目前应用的汽轮机振动故障诊断系统只对出现的故障进行监测，但未对故 障产生的原因进行系统地分析。 ( 2 ) 目前应用的汽轮机振动故障诊断系统一般只给出诊断结果，对故障产生的 机理分析的不够全面，因此，用户虽然知道发生了什么故障，但对故障的原因、机 理并不清楚。 1 3 选题的意义 汽轮机组的安全运行十分重要。比如，按0 2 9 元度电的上网电价计算，一台 6 0 0 m w 的机组如果故障停机2 4 小时所带来的直接经济损失将达到4 1 7 6 万元，同 时，机组的非计划停机将对电网产生巨大扰动，有可能会使故障进一步扩大而引发 电网或其它机组故障。此外，停机将会使一些负荷失电，给国民生产带来影响。因 此，应大力加强对机组的安全运行监测，在最大限度上实现安全生产。 安全生产需要多方面的技术支持，比如设备的技术含量、管理体制、检修体 制、技术人员素质等。目前，仅从检修体制的实施情况来看仍存在一些不足。国内 外的检修体制大体分为以下几种：( 1 ) 事故检修：机组发生故障后进行维修；( 2 ) 计划 检修：定期维修；( 3 ) 状态检修：根据监测诊断及预测结果安排检修时间和检修方式。 其中计划检修仍是主要检修方式，但这种检修体制存在很多弊端，比如维修不足、维 修过剩、盲目维修等。维修不足将导致设备隐患，维修过剩和盲目维修将引起巨大浪 费和不必要的停机。而状态检修是一种先进的检修管理方式，它是根据先进的状态 监视和诊断技术提供的设备状态信息，判断设备的异常，预知设备的故障，根据设 备的健康状态来安排检修计划，实施设备不定期检修及确定检修项目，能有效地克 服定期检修造成设备过修或失修的问题，提高设备的安全性和利用率。因此，状态检 修是必然趋势。状态检修的支持技术包括状态监测故障诊断系统、运行检修决策系 内蒙古农业大学硕士学位论文5 统、设备管理系统等，其关键在于如何及时、正确判断电力设备性能、状态，这需 要两方面的支持一故障诊断专家系统、生产管理人员的技术素质。即故障诊断结果 的技术水平对机组的维修决策是至关重要的。 由于设备运行状态是千变万化的，仅仅依靠故障诊断专家系统有时只能获得最 终结果，但对于故障产生的机理不易获得。因此，针对某些特定企业或特定设备， 有必要在故障诊断专家系统判断的基础上，结合生产管理技术人员的分析判断做出 最后的决策。目前，从多数企业使用的故障诊断系统来看，主要是在机组发生故障 后，由工程师站或远程专家系统直接做出判断，即系统只给出一个简单结论，生产 的最直接接触者一机组运行人员及检修人员对于振动故障的详细信息并不清楚，进 而影响检修决策。若要获得较详细的信息，有必要对汽轮机振动信号进行全面分 析，以便对故障的原因和故障的严重程度等有一个较全面的了解，使机组运行及检 修人员对故障的机理有更明确的认识，以便在生产中为机组的安全稳定运行更多地 发挥积极主动作用。 由于振动监测属于状态监测的一个分支，并且大部分轴系故障都在振动信号上 反映出来，因此，对轴系故障的研究总是以振动信号的分析为主。因此可通过对振 动信号的监测分析和识别处理的结果，在不停机不解体的情况下，对设备的故障原 因、部位及劣化程度进行诊断，为汽轮机实现真正意义上的状态检修提供可能。 1 4 本课题主要研究内容 本课题以t n 8 0 0 0 系统在托克托发电厂汽轮机组振动监测中的应用为平台，全面 地分析汽轮机振动信号特征，系统地分析汽轮机轴系的振动机理。主要研究内容如 下： ( 1 ) 测取汽轮机组轴系振动信号 汽轮机的故障主要是由轴系振动引起的，轴系振动的主要原因有：转子不平 衡、转子不对中、动静碰摩、油膜涡动与油膜振荡、汽流激振等。本文重点分析转 子质量不平衡和汽流激振故障。这些故障的特征都可以在轴系振动信号中体现出 来，因此，通过测取轴系的振动，才能进一步分析各种故障的振动特征、机理，从 而研究减振措施，使汽轮机能够稳定运行，确保发电厂的供电可靠性以及电力用户 的生产安全。 ( 2 ) 汽轮机轴系振动分析 6基于t n 8 0 0 0 系统的6 0 伽w 汽轮机组振动分析 汽轮机振动信号主要是平稳的周期信号，因此，在t n 8 0 0 0 系统的基础上，首先 对振动信号进行时域分析，经快速傅立叶变换得到时域信号的频谱图，再进行频域 分析，同时对获得的轴心轨迹图、级联图、轴心位置图、极坐标图等进行分析，并 结合统计分析的方法对汽轮机轴系振动信号的成分以及幅值和相位特征进行综合分 析，总结轴系振动故障的机理、征兆，为确定轴系的故障类型提供理论依据。 ( 3 ) 探讨减振措施 本论文对托克托发电厂的两起汽轮机轴系振动故障进行分析，通过信号分析及 相关试验结果，探讨转子质量不平衡故障、汽流激振故障的减振措施，为类似机组 的减振提供借鉴。 2 机组相关技术参数与测试系统 2 1 机组相关技术参数 所研究汽轮机为东方汽轮机厂设计制造的n 6 0 0 1 6 7 5 3 8 5 3 8 型亚i 临界、一次 中间再热、冲动式、单轴、三缸四排汽、双背压凝汽式汽轮机。高中压缸为合缸、 双层结构，低压缸分为a 、b 两缸；汽轮机共有三根转子，均为整锻实心转子，每根 转子分别由两个轴瓦支撑，其中l 、2 号轴瓦为可倾瓦轴承，各有六块可倾瓦，3 、 4 、5 、6 、7 、8 号轴承为椭圆形轴承。推力瓦在中压缸排汽后，工作面在发电机 侧。汽轮机转子各i 临界转速值详见表1 m 。该机组轴系包括汽轮机、发电机和励磁机 三个转子。汽轮机主监视图如图i 所示m 。 本汽轮机组在所有工况下稳定运行时，在任何轴颈上测得的垂直、横向双振幅 振动值不得大于0 0 7 6 m m ；瓦振峰峰值不得大于0 0 5 r a m “1 。 表1 汽轮机转子各临界转速 2 2 测试系统 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 根据轴系振动的特点，确定测试系统如图2 所示。测试系统组成：汽轮机组轴 系、传感器、t s i 仪表( m m s6 0 0 0 ) 、t n 8 0 0 0 系统、计算机等。本机组轴系振动二 次监测仪表( t s i 仪表) 为m m s6 0 0 0 系统，轴振探头选择p r 6 4 2 3 型位移传感 器，瓦盖振动选用p r 9 2 6 8 型速度传感器。 图1 汽轮机主监视图 图2 测试系统框图 3 传感器 3 1 传感器的选择 为准确测量汽轮机转子振动的实时情况，传感器的选用应从两方面去考虑，一 方面是被测信号的特点，另一方面是传感器的性能m 。只有这两方面的结合，才能选 择出满足测试要求的传感器。 3 1 1 振动传感器的特点 8 基于t n 8 0 0 0 系统的6 0 0 删汽轮机组振动分析 振动传感器按工作原理分为五种m ：电涡流型、磁电式( 速度型) 、( 压电 式) 加速度型、电容型、电感型，但后两种因受周围介质影响较大，目前已很少使 用。 电涡流传感器的主要特性和优缺点： ( 1 ) 可以直接测量转轴振动，由于是非接触式测量，可以避免接触测量中产生 的不良影响； ( 2 ) 能作静态和动态测量，可以测量各种频率的振动； ( 3 ) 输出信号与振动位移成正比； ( 4 ) 价格便宜，结构简单，尺寸小，没有活动部件； ( 5 ) 针对汽轮发电机组的振动，它具有合适的频率响应范围，标定较容易； ( 6 ) 需外加电源，安装比较麻烦，必须配前置器； ( 7 ) 除用于测量振动和部件静态位置外，还可以进行转速测量和振动相位测 量。 速度传感器的主要特性和优缺点： ( 1 ) 体积、重量较大，价格较贵； ( 2 ) 使用时需固定在被测物体上； ( 3 ) 活动部件易损坏； ( 4 ) 标定较麻烦，只能做动态测量； ( 5 ) 安装简单，对汽轮发电机组的振动来说，它具有合适的频率响应范围。 加速度传感器的主要特性和优缺点： ( 1 ) 体积小，重量轻，结构简单，价格较贵； ( 2 ) 对汽轮发电机组来说，其工作频率范围太高； ( 3 ) 标定困难，只能做动态测量； ( 4 ) 采用加速度传感器，要获得振动位移信号，必须经两次积分，由此使原 来的振动信号衰减9 8 以上，灵敏度显得不足，而且受外界干扰影响较大，因此， 在汽轮机组振动测试中一直没有得到广泛的应用。 3 1 2 振动传感器的选择 经过对以上三种振动传感器的性能、特点进行分析比较可知，测量汽轮机组振 动的传感器应该在电涡流传感器和速度传感器中选择。 内蒙古农业大学硕士学位论文9 汽轮机转子是高速旋转的设备( 稳态工作频率5 0 h z ) ，转子上不允许附加其它 的物体。要测取汽轮机转轴振动信号，根据所研究机组工作特点和现场安装条件， 选择电涡流传感器来测量轴振是比较合适的，因为它与被测物之间没有直接的机械 接触，无活动部件，可以测量转轴的静态位移，又可测量其动态位移，其频响范围 宽，低频响应非常好，频率可以到零，亦即探头表面与被测表面之间的间隙可以不 变，这时前置器具有一个直流输出；频率在1 k h z 以下时，其电压输出均为1 0 0 ， 亦即没有因为频率较低而使振幅输出有所改变，所以，特别适合于测量转轴的振 动。在汽轮机状态监测中，涡流传感器可用于以下项目的测量：( 1 ) 测量轴的振 动，包括转轴的相对振动和绝对振动；( 2 ) 测量轴在轴承中的位置；( 3 ) 测量轴 的偏心度；( 4 ) 测量转子轴向位置；( 5 ) 测量高、中、低压胀差；( 6 ) 测量键相 信号。转轴振动垂直( y ) 及水平( x ) 方向都设置了位移型传感器( 图3 ) 。根据 汽轮机转轴的振动特点和电涡流传感器的性能，选用飞利浦( e p r o ) 公司生产的 p r 6 4 2 3 型位移传感器即可满足要求，其量程是4 0 0 i t m ，灵敏度8 m v p m 。 对于轴瓦振动的测量，电涡流传感器和速度传感器均可满足要求，由于仅要测 取轴瓦的动态位移量，为了安装方便，可选择速度型传感器来测量轴瓦的振动，将 速度传感器安装于汽轮机瓦盖上即可。所研究汽轮机组瓦盖振动的幅度小，允许值 为5 0 p m ，考虑到故障后振幅可能会出现一定的增幅，因此瓦盖振动( w ) 选用飞利浦 ( e p r o ) 公司生产的p r 9 2 6 8 型速度传感器：量程1 0 0 1 t m ，灵敏度2 8 5m v m m s 。 一煳1 ， 元 田3 轴振测点的设置围4 电涡流传感器安装间隙的选择 3 2 传感器的安装 3 2 1 电涡流传感器的安装 在安装电涡流传感器时应主要考虑以下几点： ( 1 ) 工作温度 1 0 基于t n 8 0 0 0 系统的6 0 0 8 w 汽轮机组振动分析 一般电涡流传感器最高容许温度为1 8 0 。c 左右，目前国产涡流传感器最高容许 温度大部分是在1 2 0o c 以下，实际上工作温度超过7 0o c ，不仅其灵敏度会显著降 低，还会造成传感器的损坏，因此测量汽轮机转轴振动时，传感器必须安装在轴瓦 内。 ( 2 ) 避免交叉感应和过小的侧向间隙 当两个垂直或平行安装的传感器相互靠近时，它们之间将产生交叉感应，使传 感器输出灵敏度降低。为了降低交叉感应，两个传感器不能靠得太近。对于不同形 式的电涡流传感器而言，这一距离是不同的。飞利浦( e p r o ) 公司生产的p r 6 4 2 3 型位移传感器，这一距离应大于4 0 r a m 。传感器头部两侧存在导体，过小的侧向间 隙也会使传感器输出灵敏度显著降低。正确的侧隙应大于传感器顶部线圈直径。侧 向间隙不仅要考虑冷态，而且还要考虑汽缸和转子受热后的膨胀。 传感器头部外露高度，一般没有特别规定，但现场使用证明，这一高度太小也 会使传感器灵敏度显著降低，正确的安装方法是使传感器头部外露高度大于传感器 顶部线圈直径。 ( 3 ) 避免支架共振和松动 传感器支架在测振方向的自振频率必须高于机器的最高转速对应的频率，否则 会因支架共振而使测量结果失真。一般支架测振方向的自振频率应高于2 3 倍的转 子工作频率。为了提高自振频率，支架一般采用6 - - - 8 m m 厚的扁钢制成，其悬臂长度 不要超过1 0 r a m ；当悬臂较长时，应采用型钢，例如角铁、工字钢等，以便有效地 提高支架自振频率。 测试中，为防止支架或传感器发生松动，支架必须紧固在稳固性好的支承部件 上，最好固定在轴瓦或轴承座上，传感器与支架的连接应采用支架上攻丝再用锁母 拼紧，不宜采用支架上打孔用双螺母拼紧。 ( 4 ) 正确的初始间隙 在安装电涡流传感器时，要注意初始平均间隙的选取。要求平均间隙加上振动 间隙，即总间隙应处在传感器线性工作范围之内，否则，在非线性段的灵敏度变化 将带来测量上的误差和波形失真。一般来说，平均间隙选在线性段的中点，这样， 在平均间隙两边容许有最大的动态振幅。如图4 所示，如果传感器初始安装位置为 d o 处，则传感器可测的振动范围约为2 r a m ；相反如初始安装位置为d 1 处，则传感 器可测的振动范围约为0 f r o m 。因此安装探头时，一定要注意这一点，使探头表面 与被测物表面之间的距离，无论如何变化都应处在线性范围之内。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 1 电涡流传感器安装的另一项重要工作是调整间隙电压，即调整传感器前端面与 转轴表面的距离。调整时需将传感器探头接到前置器上，给前置器提供- 2 4 v 电源， 然后松开探头紧固螺母，调整探头并测量前置器输出电压在传感器特性曲线线性中 点附近，一般调整至间隙电压为一1 0 v 一1 2 v 之间即可。 电涡流传感器安装时测量面的选择是非常关键的环节，测量表面应尽量光滑， 不能有明显的表面缺陷，否则将会影响测量的真实性。另外，如测量表面存在剩 磁、局部应力集中、热处理不均匀或镀层厚度不匀等均会导致电磁径向跳动，即前 置器输出信号中的变化，不是由于探头与轴表面间的问隙变化，而是由于轴表面的 电导率和磁导率的变化造成的。 较明显的横向振动，引起测量误差。为了避免传感器 图6 速度传感器安装图 12 基于t n 8 0 0 0 系统的6 0 0 删汽轮机组振动分析 固定在振动物体上发生共振，其连接螺丝不能小于m 8 ，而且传感器与被测物体之 间的接触面要平整，接触面的直径不能小于2 0 m m 。如果采用外加的夹具把传感器 固定在轴承座上，夹具高度应尽量降低，否则会把被测的振动放大。 ( 3 ) 安装时要注意使传感器工作于特性曲线的线性区。 3 3 传感器标定 根据汽轮机二次监测系统m m s 6 0 0 0 说明书给出的传感器标定数据，进行拟 合分析。 3 3 1p r 6 4 2 3 型位移传感器标定 表2p r 6 4 2 3 型位移传感器标定 通过拟合分析，得出p r 6 4 2 3 型位移传感器的标定方程为： y = 一8 x - 4( 1 ) r 2 = 1 s = g m v t t m 式中：x ：位移，m i l l ； y ：电压，v 。 位移x ( 根据表2 的标定数据，拟 合出p r 6 4 2 3 型位移传感器的 标定曲线如图7 所示。 由拟合结果可知，测振位 移均在传感器的线性工作段。 因此，所选传感器符合测试要 求。 电压y ( v ) 围7p r 6 4 2 3 型位移传戆器标定曲线 5 o 咱 m 啪 哪 嗡 内蒙吉农业大学硕士学位论文 3 3 2p r 9 2 6 8 型速度传感器标定 表3f 嘬9 2 6 8 型速度传蘑器标定 通过拟合分析，得出p r 9 2 6 8 型速度传感器的标定方程为： y = 2 8 4 7 4 x + 0 0 9 7 2( 2 ) r 2 = 1 s = 2 8 4 7 4 m v m r r d s 式中：x ：速度，m m s ； y ：电压，v 。 传感器输出的电压信号送入t s i 系统，转换为位移量，根据附表3 的测试数据 确定的转换关系为： y = 1 2 3 6 6 x + 0 2 5 7 8 r 2 卸9 9 9 9 附袭3 电压位移转换关系表 位移y ( 圈8 电压、位移转换关系曲线 1 4 基于t n 8 0 0 0 系统的6 0 0 嗍汽轮机组振动分析 4 振动信号的测试分析 4 1 关于t n b 0 0 0 系统 本文利用北京华科同安监控技术有限公司开发研制的“t n 8 0 0 0 机组振动在线监 测分析故障诊断系统”对所研究汽轮机轴系振动信号进行分析，通过对所测信号在 时域和频域的分析处理，并结合统计分析的结果对故障进行诊断。 t n 8 0 0 0 系统由四部分组成：智能数据采集站、工程师站、m i s 网工作站、远程 分析诊断中心。图9 是两台机组的t n 8 0 0 0 在线监测分析故障诊断系统构成。 t n 8 0 0 0 系统功能：信号监测和报警；数据存储和数据管理；信号分析；故障诊 断；状态报告功能；网络通讯功能m 。 固g 两台机组的t n 8 0 0 0 在线监测分析故障诊断系统 4 23 号机测试结果分析 托克托发电厂共有8 台6 0 0 m w 汽轮发电机组，现已全部投产。其中3 号机组于2 0 0 4 年7 月1 4 日投产运行。根据记载，2 0 0 5 年9 月1 2 同0 点4 6 分，在机组运行过程 中，监视屏幕显示3 号机组3 号轴承处振动超标，水平方向轴振峰峰值由3 9 9 m 增大 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 5 到9 1 p m ；垂直方向轴振峰峰值由3 6 增大p m 到1 0 6 i _ t m ；瓦盖振动峰峰值由4 0 u m 增 大到9 0 p m 。现场检查3 号机组，没有金属摩擦声以及其它异常情况，各轴承回油温 度正常，汽轮机打闸停机。当时机组运行参数为：机组转速3 0 0 0 r m i n ，负荷 4 6 7 5 m w ，主蒸汽压力1 5 6 m p a ，润滑油温度4 0 7 0 c ，三号瓦瓦温7 3 8 0 c 。 为了弄清故障原因，本文对当时电厂记录的信号进行全面分析探讨。图1 0 是传 感器监测到的三号瓦水平方向( x ) 轴振( 图a ) 、垂直方向( y ) 轴振( 图b ) 和瓦 盖( w ) 振动( 图c ) 的通频、基频时域波形，通过与基频时的正弦波形比较可见， 通频时域波形基本为正弦波，这说明基频分量是主要成分。振动周期：t = 2 0 m s ；振动 频率：f = i 0 0 2 = 5 0 h z 。 为了进一步分析3 号瓦振动信号的组成成分，利用t n 8 0 0 0 系统对监测的时域 信号进行频谱分析。将图l o 的通频时域波形经快速傅立叶变换( f f t ) n m 后得到对 应的频谱图如图1 l 所示。 图1 0 ( a )3 瓦x 方向轴振时域波形 ( 上图一通频；下图一基频) 围1 0 ( b )3 瓦y 方向轴振时域波形 ( 上圈一通频；下图一基频) 围1 0 ( c )桕瓦瓦盖振动的时域波形围1 1档瓦轴振、瓦振频谱图 ( 上图一通频：下图一基频) 16 基于t n 8 0 0 0 系统的6 0 0 1 唧汽轮机组振动分析 由频谱图可以看出：3 号瓦x 方向轴振信号主要是频率5 0 h z 的基频成分，其幅 值是8 9 9 i n ，同时伴有少量的二次谐波成分，其幅值是9 儿m 左右，基频分量占通频 量的9 7 左右；3 号瓦y 方向轴振信号主要是频率5 0 i - i z 的基频成分，其幅值是 1 0 0 m ，同时伴有少量的二次谐波成分以及频率为1 2 9 h z 的信号成分，二次谐波幅 值7 “m ，基频分量占通频量的9 6 左右；从频谱图可见，3 号瓦瓦盖振动信号完全 是频率为5 0 h z 的基频成分，其幅值是9 0 “m 。因此，通过频谱图可以确定振动信号 主要是频率与转子转速同频的基频信号，同时伴有少量的二次谐波以及极少量的低 频分量。由于瀑布图可显示机组在某一段时间内各种频率成分的大小随时问的变化 趋势，它是在一段时间内连续测得的一组频谱图顺序组成的三维谱图，可用来分析 额定转速下的机组振动变化情况，因此，从3 号瓦振动信号的三维瀑布图( 图1 2 ) 也可以验证以上振动信号特征。表4 是振动故障发生前后各瓦振动的通频峰峰值。 各瓦振动数据表明；故障后，只有三号瓦处振动大，其它各瓦振动正常。由于振动 信号中没有2 5 h z 附近的低频成分，因此可排除油膜涡动及油膜振荡( 油膜涡动甚 至油膜振荡发生时，振动信号的主要是频率为0 3 6 0 4 8 倍额定频率的成分) w c 帕c m n 屯3 号瓦位于低压a 缸，低压a 缸转子的一阶临界转速为：n = 1 6 7 0 r m i n ，对 应的频率是：f = 1 6 7 0 6 0 = 2 7 8 h z ，在振动频谱中接近2 7 8h z 的信号成分也不存在，因 此，不是汽流激振引发的振动m “w n n ”n ”；转子不对中引发的振动信号中，二倍频成 分是大量的m “，3 号瓦处的振动信号中虽然有二倍频谐波成分，但其所占比例很 小，因此3 号瓦处振动偏大的主要起因不是轴系不对中。 图1 23 瓦轴振、瓦振瀑布围 内蒙古农业大学硕士学位论文1 7 排除上述因素后，产生图l o 至图1 2 振动信号特征的可能振源是m m m w ： ( 1 ) 转子质量不平衡； ( 2 ) 转子轴向碰摩； ( 3 ) 转子初始弯曲； ( 4 ) 转子热态不平衡。 因为以上四种故障引发的轴系振动信号中，基频分量均为主要成分。 4 2 1 振动原因分析 为了找出故障源，分别对汽轮机组进行了电负荷变化试验、高负荷试验，快速 减负荷停机试验、机组升速过临界试验。 4 2 1 1 电负荷变化试验 为了检测负荷变化对振动的影响，维持机组其它参数不变，将负荷从4 3m w 降 到3 2 m w ，历时2 0 分钟，各点振动数据见表5 。由测试结果可以发现，负荷变化对振 动数值影响不大，基频分量仍然是主要成分，排除了因负荷变化及蒸汽迸汽量变化 引起通流叶片振动的可能性。 同时，在运行工况改变时，各测点测取的3 号瓦处振动信号相位如图1 3 所 示，水平方向轴振信号相位在2 8 0 。附近波动；垂直方向轴振信号相位在1 6 5 0 附近波 动；瓦盖振动信号相位在5 6 。附近波动；即负荷变化时3 号瓦处振动信号的幅值和 相位参数基本不变，因此可以初步排除负荷变化引起转子受热不均产生热变形导致 转子暂时弯曲而引发振动增大，引起这一故障的原因仍可能为： 1 8 基于t n 8 0 0 0 系统的6 0 0 删汽轮机组振动分析 围1 3振动信号相位 4 2 1 2 快速减负荷停机试验 为了确定转子是否存在热弯曲变形，对汽轮机进行了快速减负荷停机试验。试 验前机组的电负荷3 2m w ，主蒸汽压力7 4 m p a ，润滑油温4 0 9o c 。汽轮机振动数 据见表6 。 从试验结果可见，机组解裂前后，轴瓦温度发生变化而振动大小没有突变。因 此，可以排除汽轮机转子发生较大热弯曲。但是解裂前后，3 号瓦的振动仍然超 标，且主要是一倍频分量，说明振动主要由转子质量不平衡、转子初始弯曲或者转 子轴向碰摩引起，位置基本可确定在3 号瓦处。 内蒙古农业大学硕士学位论文1 9 4 2 1 3 高负荷试验 维持机组负荷为额定值6 0 0 m w ，机组转速3 0 0 0 r m i n 的情况下运行3 0 分钟， 对汽轮机进行了振动测试，振动数据见表7 。这一振动数据与表4 中故障时的振动 数据相比，几乎没有变化。振动超标的仍然只有3 号瓦，其它各瓦振动正常。 表7高负荷试验振动数据 由3 号瓦处振动的时域波形及频谱图( 图1 4 ) 可见，振动信号成分主要是基频 分量，伴有少量二倍频分量，由这一特征已无法进一步确定故障原因。由于转子轴 向碰摩与转子质量不平衡的轴心轨迹进动方向正好相反一，因此可用轴心轨迹图来 2 0 基于t n 8 0 0 0 系统的6 0 0 m w 汽轮机组振动分析 区分故障源。所分析故障的轴心轨迹接近椭圆形、正进动( 图1 5 ) ，排除了转子轴 向碰摩的可能性。存在故障的部位应在3 号瓦处，故障的可能原因是转子质量不平 衡或初始弯曲。 瞳1 5 轴心轨迹图 图1 4 高负荷试验3 瓦振动时域波形、频谱图 图1 6 轴心位置图 4 2 1 4 机组升速过临界试验 为了确定机组振动的起因，对机组进行了升速过临界试验。振动数据监测如表 内蒙古农业大学硕士学位论文2 l 8 。若转子存在初始弯曲，在转速较低时振动应该很明显，但在机组升速过程中，当 转速较低时，振动很小且几乎不变，因此可以排除转子存在初始弯曲；在机组升速 过临界转速的过程中，三号瓦处振动幅值越来越大，振动信号仍然以一倍频为主， 在临界转速附近振动达到最大值11 7 p m ( 低压l 临界转速1 6 7 0 r r a i n ) ，说明机组三号 瓦处于共振状态；转速变化过程中，轴心位置稳定( 图1 6 ) 。由以上特征可以判 断，引起这一振动的激振力应该与转子同频，振动属于强迫振动w w m 。 表8 汽轮机升速过临界试验3 瓦振动数据 4 2 2 曲线拟合 为了确定激振力类型，将测得的振动数据进行曲线拟合。利用美国s a s 软件有 限公司研制的统计分析系统- - s a s ( s t a t i s t i c a la n a l y s i ss y s t e m ) 软件，分别进行数据处 理和拟合一m 。首先，根据表8 的测试结果，分别绘制反映转轴水平振动、垂直振 动和瓦盖振动的振幅与频率之间变化趋势的散点图( 图1 7 a 、b 、c ) 。由各散点的 分布趋势可知：各散点呈明显的二次曲线趋势，利用统计分析系统s a s 软件进 行回归分析，分别比较抛物线和指数模型，根据相关系数和残差大小最终确定抛物 线模型为最佳模型，采用抛物线模型拟合出的振幅一频率关系曲线如图1 7 a 、b 、o 中的曲线。 基于i n 8 0 0 0 系统的6 0 0 m w 汽轮机组振动分析 攘幅tp - ) 01 0a 0 频事( h z ， ( a ) 水平方向轴振 振幅p - ) 振