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1、第 卷 第 期 年 月 动 力 工 程 学 报 文章编 号 ： （ ） 中图分类 号 ： 文献标识 码 ： 学科分类 号 ： 汽轮机组汽流激振故障原因及分析 宋光雄 ， 陈松平 ， 宋君辉 ， 梁会钊 （ 华北电力大学 能源动力与机械工程学院 ， 电站设备状态监测与控制教育部重点实验室 ， 北京 ； 苏州热工研究院有限公司 ， 苏州 ） 摘 要 ： 通过对近年来我国汽 轮机组汽流激振故障案例进行整理 ， 归纳分析 了汽流激振事故原因 ， 得出蒸汽激振力过大和轴瓦稳定性差这两个方面为汽流激振的主要原因 从发生部位 、 低频振动频 率特征 、 低频振动振幅变化 、 与运行参数的关系以及其他相关特征
2、几个方面分析了汽流激振的主要 振动特征 根据分析结果 ， 总结提出了汽流激振故障诊断的依据 ， 并提出采用降低蒸汽激振力 、 提高 轴瓦稳定性等主要措施预防汽流激振故障 ， 为机组安全稳定运行提供技术参考 关键词 ： 汽轮机组 ； 汽流激振 ； 故障原因 ； 振动特征 ； 故障诊断 ， ， ， （ ， ， ， ， ， ， ； ， ， ， ） ： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ； ； 采用高参数 、 大容量是提高汽 轮机组热效率的 重要途径之一 蒸 汽参数提高 ， 蒸 汽密度增大 ， 则 发 生汽 流激振的可能性 增 加 随 着 、 超临界及以上大型机组大量投运 ， 汽
3、 流激振已 成 为机组面临的主要振动问题之 一 汽 流激振 是 由蒸汽激振力诱发在汽轮机转子上产生的一种自 激 振动 ， 使轴系稳 定 性降 低 ， 产 生很大低频振 动 ， 诱 发 转子 失 稳 ， 影响机组运行的安全和可靠 性 ， 限制机 组 收稿日 期 ： 基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （ ）； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 作者简 介 ： 宋 光 雄 （ ） ， 男 ， 吉 林延吉 人 ， 副 教 授 ， 硕 士生导 师 ， 主要从事发电设备状态监测与故障诊断方面的研 究 电 话 （ ） ： ； ： 第 期 宋光雄 ， 等 ： 汽轮机组汽流激振故障原因及分析 出力
4、目前 ， 国 内已有不少机组在运行中发生汽流激 振引起的不稳定低频振动事故 笔 者通过整理近年 来我国汽轮机组汽流激振事故的典型案例 ， 归 纳分 析汽流激振故障原因和振动特征 根据分析结果 ， 提 出了汽流激振故障诊断的依据 、 预防及处理措施 ， 为 机组安全稳定运行提供技术参考与借鉴 汽流激振故障案例 表 汇总了几年来国内汽轮机组发生的典型汽 流 激振故障案 例 分 析 表 可 知 ， 故 障主要发 生 在 及以上功率机 组 ， 如图 所 示 机组发生故障 的 次数最 多 ， 主 要因为过去十几年 该 功率机组是国 内 火力发电的主力机 组 ， 随 着机组 容 量从 向 及以上发 展 ，
5、 机 组发生 汽 流激振 事 故 的 可 能 性 增 加 分 析 发 现 ， 配 汽 方 式 不 当 、 动静间隙不 均 、 轴瓦稳定性差是引起汽流激振 的 主要原 因 汽流激振的诱发因素示于 图 表 汽轮机组汽 流激振事故分析 序号 机组 发生部位 故障原因 故障特征 某 电 厂 机组 号 、 号 轴承 配汽方式不当 ， 轴 瓦稳定性差 高负 荷 发 生 ， 低频成分不稳定波动 ， 重 复 性 很 好 ， 与 配 汽 方式有关 绥中电厂 号 机组 号轴承 配汽方式不当 ， 安 装偏差 高负荷突发低频振动 ， 波 及 相 邻 轴 承 ， 重 复 发 生 ， 降 负 荷 恢复正常 海 门 电 厂
6、 号 机组 高压转子 高中 压 转 子 偏 斜 ， 配 汽 方 式 不 当 ， 系 统阻尼低 满负荷突发 ， 与配汽方式有关 ， 门槛负荷后出现 倍频 低频振动 富腾热电厂 机组 前轴承 安装 时 汽 缸 跑 偏 ， 对 中 不 良 ， 设 计严重缺陷 投可调节抽汽多次振动 、 高 跳机 ， 频率为一阶临界转速频 率 ， 良 好再现性 东 华 热 电 厂 号 机组 号 、 号 轴承 激振力大 ， 号轴承座标高变 化 高负荷突发 ， 波 及相邻轴承 ， 低负荷振动良好 某 电 厂 号 机 组 号 、 号 轴承 配汽方式不当 顺序阀时振动正常 ， 单阀进汽时高负荷振动增大 ， 主 频为 半频 ，
7、伴 有很多低频 ， 相 位也变化 襄 樊 电 厂 号 机 组 号轴承 高中压缸跑偏 ， 激 振力大 振动随负荷增加而增大 ， 多次发生导致跳机 ， 主 要为半频 分量 某 机组 号 、 号 轴承 配汽方式不当 高负荷出现随机不稳定低频振动 ， 低 负荷正常 ， 与 配汽方 式有关 ， 某 机组 号 、 号 轴承 配汽方式不当 ， 轴 瓦稳定性差 高负荷振动增大 ， 受主汽门影响大 ， 低频为一阶临界转速 频率 ， 轴心位置波动大 ， 轴 心轨迹紊乱 某 机组 号 、 号 轴承 激振力大 ， 轴瓦稳定性差 高负荷振动异常 ， 为 倍 频成分 德州某电 厂 号 、 号机组 高压转子 高压转子在汽缸
8、中偏移 高负荷突发 ， 低 频成分为 ， 振动随负荷增加而增大 ， 良好重复性 ， 号机组故障与调门开度有关 杨 树 浦 电 厂 号 机组 第二轴承 自激振动 ， 轴 承稳定性差 高负荷时呈阵发性 、 突 发 性 发 生 ， 随负荷增加而增大 ， 降 负荷振动减少或消除 ， 低频为一阶临界转速频率 某 电 厂 号 机 组 号 、 号 轴承 转子 不 平 衡 ， 轴 瓦 稳 定 性 差 ， 激 振力大 工频较大但不变 ， 倍频低频成分不稳定跳动 ， 随 负 荷 增加而增大 ， 与配汽方式有关 ， 润滑油温升高时低频减小 某 电 厂 号 机 组 高中压转子 配汽方式不当 高负荷多次发生汽流激振 ，
9、 频 率为 张 家 口 某 电 厂 号机组 号 、 号 轴承 激振力大 ， 轴 瓦稳定性差 高负 荷 多 次 突 发 ， 降一定负荷后正常 ， 振动以半频为主 ， 幅值远大于基频 ， 极 不稳定 某 机组 号轴承 配汽方式不当 ， 转子或汽缸偏心 高负 荷 多 次 发 生 ， 随 负 荷 增 加 ， 振幅和相位大幅波动 ， 振 动以低频为主 ， 降 负荷正常 动 力 工 程 学 报 第 卷 续表 序号 机组 发生部位 故障原因 故障特征 某 电 厂 号 机 组 号 、 号 轴承 轴瓦稳定性差 ， 激 振力大 高负荷波动大 ， 低频接近高压转子一阶临界转速频率 ， 基 频幅值和相位稳定 ， 低
10、负 荷 消 失 ， 良 好 再 现 性 ， 波 形 为 正 弦波 某 机组 号轴承 轴瓦稳定性差 ， 激 振力大 工况 和 时 不 稳 定 ， 次 升 负荷 ， 次 降负荷 ， 频 率 成 分 突 升 ， 良 好 再 现 性 ， 对 调门开度敏感 ， 轴 心轨迹畸变 （ 内 ）， 涡动前各瓦含分频 某 机组 号 、 号 轴承 轴瓦稳定性差 ， 激 振力大 工况 振动最大 ， 高 于 后 正 常 ， 对 配汽方式敏感 ， 最 初涡动在 倍频成分 之 间 扰动 ， 稳 定后为 倍 频成分 某 供热 机 组 号轴承 叶顶汽封间隙分布不均匀 振动 、 背压对负荷敏感 ， 达一定负荷后发生 ， 主 要接
11、近 倍频成分 韶关电厂 号 机 组 号轴承 汽流激振与半速 涡动 ， 轴 瓦 稳 定 性差 高负荷多次突增引起跳机 ， 对配汽方式敏感 ， 出 现大量一 阶临界转速频率分量 ， 跳机后转速下降 ， 振 动迅速减小 湛江电厂 台 机组 号轴承 汽封径向间隙不 一致 ， 配 汽 方 式 不当 高负 荷 、 调门开度变化时突增 ， 振动以半频为主 ， 与 运 行 参数有关 ， 瓦 振很小 ， 降 负荷后正常 某 机组 号 、 号 、 号 轴承 号 、 号 轴瓦基础变 形 ， 支 撑 刚 度不足 ， 结 构共振 ， 激 振力大 机组在减负荷过程中突发轴振变化 ， 调门变化时突发振 动 邹 县 电 厂
12、号 机 组 号 、 号 轴承 转子 自 振 频 率 低 ， 激 振 力 大 ， 安 装质量差 高负荷突发 ， 减负荷或降低高调门指令后恢复正常 西 固 热 电 厂 号 机组 高压转子 导汽管 返 修中失误致高压缸偏 斜 主汽流量在某门槛值以上 任何工况都易突发强烈振动 ， 振动随意性大 图 事故机组功率分析 图 汽流激振诱发原因 汽流激振原因分析 通过总结分析汽流激振事故案例可知 ， 引 起汽 流激振的主要原因分为蒸汽激振力过大和轴瓦稳定 性差两方面 汽轮 发电机组汽流激振故障的具体原 因分析见图 图 汽轮机组汽流激振故障原因分析 蒸汽激振力大 随着蒸汽参数的提高 ， 蒸汽密度增大 ， 作用在
13、汽 轮机转子上的激振力也增大 在 超过某个门槛负荷 后 ， 激振力扰动克服系统阻尼抑制 ， 使转子运行的稳 定性下降 ， 诱发轴系失稳 汽轮机蒸汽激振力主要包 括叶顶间隙激振力 、 汽 封蒸汽激振力和不 对称蒸汽 力及力矩 ， 主要由动静间隙不匀和配汽因素造成 （ ） 汽封设计不当主要指叶顶汽封 、 隔板汽封及 第 期 宋光雄 ， 等 ： 汽轮机组汽流激振故障原因及分析 高压转子前后轴封的间隙或结构设计不当 ， 使 动静 间隙沿圆周方向分布不均匀 ， 蒸 汽在不同位置泄漏 量不同 ， 在转子上产生一个不平衡的力矩 高负荷时 该力矩增大 ， 导 致轴系失稳 如 富腾热 电 厂 号 机组调试期间突
14、发汽流激振故障 ， 由 于设计不 合 格 ， 只 能 更 换 转 子 ， 对 内 缸 进 行 改 造 来 消 除 故障 （ ） 汽缸或转子偏移使汽缸与转 子不同心 ， 高压 转子轴封和 隔 板 汽 封 的 蒸 汽 压 力沿周向分布不均 匀 ， 趋 向 于 使 转 子 产 生 涡 动 如 襄 樊 电 厂 号 机 组 因 高 中 压 缸 跑 偏 ， 多 次 发 生 振 动 ， 突 发 跳 机事故 （ ） 轴系不对中分为联轴器不对中 、 轴瓦中心标 高变化及转子与静子不同心三类 轴系不对中会造 成轴承载荷变化和动静间隙周向分布不均 ， 引 起转 子转矩沿径向不平衡 ， 严重时 可诱发高负荷下低频 振
15、动 ， 是 导 致 汽 流 激 振 的 直 接 原 因 之 一 如 某 机 组 因 号 轴 承 座 下 沉 引 起 不 对 中 ， 在 工况附近出现低频扰动 （ ） 汽缸膨胀不畅引起汽缸跑偏或动静碰摩 ， 也 会引起蒸汽压力分布不均匀和转子转矩沿径向不平 衡 如湛江电厂 台机组冷态开机时 ， 高中压汽缸膨 胀不畅 ， 使高压转子和汽封齿发生动静碰摩 ， 造成汽 封径向间隙不一致 （ ） 安装与检 修偏差是引起机组汽流激振的重 要原因 ， 很多机组 故障都是由安装质量差或检修或 复装误差等引起的 ， 安装质量差可 导致动静间隙分 布不均 、 转 子与汽缸同心度差等 如徐州电厂 号机 组在一次大修
16、后一年内发生 多次汽流激振故障 （ ） 调门运行 方式不当包括调门开启顺序不当 和调门开度不当两方面 调门 运行方式不当会引起 不对称蒸汽力和力矩 ， 该力可 以影响轴颈在轴承中 的位置 ， 改变轴承 承载 ， 造 成转子失稳 ， 也 会使转子 在汽缸中的径向位置发生变化 ， 引 起通流部分间隙 变化 ， 导 致 激 振 力 增 大 如 某 电 厂 号 机 组突发低频振动 ， 在改变调门开启 顺序后彻底消除 故障 （ ） 主蒸汽管道与汽 缸连接不对 中 如西固热 电 厂 号机组因 导 汽管返修缺 陷 ， 导 致高压缸扭曲 偏 斜 ， 从而引起汽流激 振 （ ） 运行参数变化 有些运行方式敏感于
17、运行参 数 ， 如 主蒸汽流量 、 主 汽温 、 主 汽压 ； 润 滑油温度 ； 凝 汽器真空 、 轴封参数 、 轴系不平衡 、 高压胀差突变等 如某 机组突发低频振动 ， 振幅敏感于主汽 压变化 蒸汽激振力过大通常只发生在高负荷状态下的 高中压转子上 当转子存在上述缺陷时 ， 汽流激振会 在通过某个门槛负荷或高负荷时 ， 在 配汽方式调节 负荷过程中被激发 轴瓦 稳定性差 轴瓦稳定性下降使系统阻尼减小 ， 降 低诱发汽 流激振的门槛 ， 造成振动突发 ， 是引起汽流激振的重 要原因之一 轴瓦 稳定性差的原因包括轴瓦型式不 当 、 轴承座标高变 化 、 轴 瓦叶顶间隙过大等 ， 这 些故 障可
18、能来自设计选型 、 安 装 、 检修和运行等各方面 具体分析如下 ： （ ） 轴 瓦 型 式 不 当 不 同 轴 瓦 的 稳 定 性 裕 度 不 同 ， 可倾瓦的稳定性高于椭圆瓦 ， 而椭圆瓦的稳定性 高于圆筒 瓦 ， 稳 定 性 最 差的为三油楔瓦 如 某 机 组 采 用 三 油 楔 瓦 轴 承 ， 稳 定 性 差 ， 导 致 易 发 生汽流激振故障 （ ） 轴瓦叶顶间隙过大 叶顶间隙过大会显著降 低轴瓦的稳定性 如海门电厂 号 机组 、 绥中电厂 机组等 通过调整叶顶间隙 来 提 高轴瓦的稳定性 （ ） 轴承座标高变化 标高变化会使轴系中某些 轴承承载变低 、 比压减小而失稳 如德州电厂
19、号机 组调试期间高负荷时突发汽流激振就是因为轴承座 标高变化和润滑油温度低所致 （ ） 轴承比压 小 、 长 径比大 轴 承比压是指轴瓦 单位工作面积上所承受的载荷 减 小长径比会增大 比 压 ， 并使下瓦油 膜力减小 ， 增 加轴瓦稳定性 如 张 家口某 机组通过增大比压 、 减 小长径比来 增加轴瓦稳定性 （ ） 润滑油黏 度高 随 着润滑油黏度提高 ， 轴 瓦 稳定性降低 ， 因此 改变润滑油温度是防止低频振动 的有效措施之 一 如 某 机组汽流激振受 润 滑油温影响明 显 ， 温度提高 ， 低频振动减 少 轴瓦稳定性差的具体原因所占比重见图 图 轴瓦稳定性差的具体原因所占比重 故障特征
20、 汽流激振属于典型的自激振动 ， 研 究其故障特 动 力 工 程 学 报 第 卷 征有利于运行中迅速准确地判断故障类型及原因 ， 制定处理措施 ， 并及时消除故障 发生部位 由 表 案例统计发 现 ， 事故 均 发生在高压转 子 或高 中压转子 上 根 据故障原因分 析 ， ， 叶 顶间 隙 激振力随叶轮 的 级功率提高而增 大 ， 随 动叶的平 均 节径 、 高度和转速减小而减 小 ； 汽封蒸汽激振力与汽 封几何尺寸 ， 蒸汽流 量 、 压力 、 温度 ， 轴封齿平均间隙 等有关 ； 不对称的蒸汽力及力矩受调节级进汽影 响 而汽轮机高压转 子 （ 或 高中压转 子 ） 处 于大功率 区 ，
21、叶轮直径小 ， 叶片较 短 ， 蒸汽压力 高 ， 汽封漏汽量 大 ， 轴封或隔板汽 封 高压端间隙大于低压端间 隙 ， 且 受 配汽调节直接 影 响 ， 所以汽流激 振 多发生在高参 数 大功率机组的高压转子 上 低频振动频率特征 汽 流激振属典型低频失稳振 动 低 频成分与 转 子工作转速无 关 ， 但大多情况下低频成分以接 近 倍频分量为 主 ， 轻度汽流激振时略小 于 倍频 ， 严 重时与高 中 压 转 子 一 阶 临 界 转 速 相 吻 合 如 某 机组发生严 重 汽流激 振 ， 振 动主频率与 其高 压 转子一阶临界转速一 致 实 际 蒸汽激振力和轴 承 油膜阻尼力呈 非 线性特 征
22、 ， 有 时 还会出现一些谐 波 成分 汽流激振频谱与随机振动不 同 ， 随机振动的 低 频成分为连续 谱 ， 且主频率不稳 定 ， 而汽流激振可能 含单一或 多 个 低 频 成 分 ， 如 图 和 图 所 示 ， 有 时也呈连续 状 ， 但 含有稳定的主 频 ， 如 图 所 示 在 汽流激振发生 前 ， 有些机组会有一段低频涡动状 态 ， 这 时 低 频 在 某 一 频 段 波 动 ， 呈 连 续 谱 状 如 某 图 某 机组汽流激振频谱 图 某 机组汽流激振频谱 图 某 机组汽流激振频谱 机 组 最 初 涡 动 频 率 在 倍 频 之 间 ， 稳定后 为 倍频 ， 机组失 稳 低频振动振幅
23、变化 通 过研究故障机理及事故案例发 现 ， 汽 流激 振 是突发性故 障 在通过门槛负荷后或高负荷 下 ， 如 配 汽方式改 变 、 运 行 参数变化或运行中轴承座标高 变 化等因素导致 轴 瓦稳定性降 低 ， 则 容易诱发汽流 激 振 故障发生 后 ， 其 通频振幅迅速增 大 ， 而 增大的 频 率成分主要为低 频 图 为 某 机组突发 汽 流 激 振 时 通 频 振 幅 的 变 化 情 况 图 为 某 机组 突 发汽 流 激振 前 后各频率成分振 幅 的 变 化情 况 结 合 突 发 汽 流 激 振 前 的 频 谱 特 征 ， 在 事 故机组振动突 发 前的升负荷阶 段 ， 已 能监测到
24、明 显 的低频成 分 ， 且 随 时间延长低频成分呈不断增加 趋 势 ， 直 至 某 一 门 槛 负 荷 后 突 然 增 加 如 某 机组进行变负荷试 验 ， 稳 定 在 时 在 号 、 号轴承上监测到少量低频成 分 ， 升负荷 至 ， 出现明显的频 率 为 的 分 量 ， 继 续升 负 荷 ， 低频成分明 显 增 加 ， 达到工频成分 的 倍以 上 ， 如图 所 示 图 某 机组突发汽流激振时通频振幅的变化情况 与运行参数关系 受机组负荷影响 随负荷增大 ， 叶 顶间隙和密封蒸汽激振力有增 大趋势 ， 进汽不对称时产生的力也会增大 ， 因此故障 一般发生于高负荷时 ， 且 随负荷增大 ， 振
25、 动加剧 突 发性 振动通常有一个门槛负荷 ， 超过此负荷时 ， 振动 会在数秒或数分钟内被激发 ， 而 降至一定负荷后振 动消失 ， 具有良好的再现性 通常振动消失负荷低于 门 槛 负 荷 如 德 州 电 厂 号 机 组 升 负 荷 至 第 期 宋光雄 ， 等 ： 汽轮机组汽流激振故障原因及分析 （ ） 突发汽流激振前 （ ） 突发汽流激振后 图 某 机组突发汽流激振前后各频率成分振幅变化情况 图 某 机组升负荷轴振瀑布图 时突发强烈振 动 ， 降 负荷 至 时 异 常振动消 失 图 给 出 了 某 机 组 振 动 试验过程中低频分量振幅随负荷变化的情 况 图 某 机组发生汽流激振时低频分量
26、振幅 随负荷的变化 图 给出了 近年来突发汽流激振时事故机组 带 负荷率的情况 由 图 可 以看出 ， 汽 流激振主要 图 汽流激振发生负荷区间 发生在机组带 额 定 负 荷 以 上 由 图 又 知 ， 机 组功率越大 ， 发生汽流激振的概率越大 调门开启顺序及开度影响 配 汽不当会引起不对称蒸汽力和力 矩 ， 是 导 致 汽流激振最重 要 的原因之 一 ， 如 果机组振动受调 门 变 动 影 响 ， 则 更 能反映故障原 因 如 某 机 组在高负荷下 顺 序阀运行 时振动良 好 ， 切 换到单 阀 运行 时则振动波动很 大 ； 某 机组满负 荷 时将 号 调 门全 开 ， 号调门开度 在 以 上 ， 能很 好地抑制汽流激 振 ； 某 机组在运 行 中 进 行 阀 切 换 ， 低 频 振 动 立 即 出 现 大 幅 波 动 （ 图 ） 图 某 机组汽流激振 倍频分量变化曲线