浅谈三门核电汽轮机振动监测及诊断系统

摘要：汽轮发电机组的振动是关系到电站安全经济运行的重要指标，文章介绍了汽轮机振动常见故障产生的原因及其特征，探讨了汽机振动的危害，阐述了三门核电的汽轮机监测诊断系统的重要性。

关键词：三门核电；汽轮机；汽机振动；振动监测；振动诊断 文献标识码：A

中图分类号：TK268 文章编号：1009-2374（2015）24-0061-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.24.030

随着汽轮机向大型化方向发展，机组振动问题日益突出，剧烈的振动将威胁着机组的安全。迫切需要先进的状态监测与故障诊断技术，尤其对于三门核电1251MWe的大型汽轮机组，振动的危害将更加巨大，所以对汽机振动的监测和分析诊断显得尤为重要。

1 汽机振动的常见原因及特征

1.1 转子质量不平衡及转子热弯曲振动

产生机理：由于转子制造误差、装备误差以及材质不均匀等原因或由于转子上不均匀结垢，介质中粉尘的不均匀沉积，介质中颗粒对叶片及叶轮的不均匀磨损以及工作介质对转子的腐蚀等，引起质心偏离几何中心，转子在高速运行时，微小的质子偏心也能引起较大的振动。转子不平衡是旋转机械最常见的故障。据不完全统计，有一半以上的振动故障与转子不平衡有关。

故障特征：（1）时域波形图：波形近似为正弦波；（2）频谱图：谐波能量集中于基频并且会出现较小的高次谐波，使整个频谱呈所谓的“枞树形”；（3）振动随转速变化而发生较大变化；（4）轴心轨迹：轴的X、Y方向上刚度有差别导致转子对平衡质量的影响在X、Y方向振幅不同且相位差也不同，故转子的轴心轨迹不是圆而是椭圆；（5）振动随油温或介质温度变化不显著。

1.2 油膜振荡

产生机理：当汽轮机的转速高于两倍转子的第一临界转速发生的轴瓦自激振动通常为油膜振荡。即半速涡动的涡动速度正好与转子的第一临界转速相重合，此事的半速涡动被放大，从而产生剧烈振动。

故障特征：（1）频谱图：低频成分明显，<0.5X频；（2）振荡突然增大后，即使转速再升高，振动值也不变化。

1.3 动静件摩擦振动

产生机理：由于汽机轴封、级间密封、油封间隙和叶片顶隙等间隙都比较小，较小的间隙会引起流体动力激振，也会发生转子与静止部件之间的摩擦。其中转子的不平衡、转子与静子的热膨胀不一致、密封力作用以及转子对中不良等原因，都会引起动静件摩擦振动。

故障特征：（1）时域波形图：有单边波峰“削波”现象；（2）频谱图：含有高次谐波；（3）摩擦局部会有温升。

1.4 转子不对中

产生机理：弯曲变形的转子由于转轴内阻现象以及转轴表面与旋转体内表面之间的摩擦而产生的相对滑动，使转子产生自激旋转振动，当主动转子按一定转速旋转时，从动转子的振动会产生周期性变动，每转动一周变动两次。

故障特征：（1）时域波形：是1X频与2X频叠加的波形；（2）频谱图：2X频明显偏高；（3）振动随转速变化而发生较大变化；（4）振动随油温或介质温度变化敏感。

2 汽机振动的危害

2.1 机组经济性降低

汽轮机在运行期间，良好的汽封间隙有助于提高机组的热经济性，但如果振动过大，则会改变汽封间隙，从而影响机组的热经济性。

2.2 使机组动静部分及支撑部件产生损坏

机组由若干个不同的部件组成，如端部的轴封、叶片、围带、叶轮、轴瓦等，当机组产生强烈振动时，引起动静摩擦，会引起部件严重受损。

2.3 造成电站停运

如果振动过大时，甚至会导致机组上的一些仪表的工作无法正常工作，发生误动作，导致停机事故的发生。

3 三门核电汽机振动监测与诊断功能

三门核电汽轮机振动监测与诊断系统，主要分为汽机振动监测系统TSI和汽机振动诊断系统TDM两部分。

3.1 汽机振动监测系统TSI

TSI提供模拟量监测输出和数字量跳闸输出至汽机控制和保护系统，也提供泵（如给水泵和凝结水泵）振动检测模拟量输出和数字跳闸输出至全厂DCS。TSI主要包括探头、前置器、专用电缆、带信号整定的机柜、监视器及其他设备。TSI振动测量包括：

3.1.1 轴振监测。轴振测量分为相对轴振测量和绝对轴振测量。相对轴振是指相对于轴瓦而言轴的振动。绝对轴振为轴相对于静止点的振动，通过轴的相对振动和壳振的合成，可以得出轴的绝对振动。

3.1.2 瓦振监测。瓦振即壳振、轴承振动，在轴旋转振动的过程中，必然会引起轴承的振动，通过速度传感器或加速度传感器可以测量瓦振。

3.1.3 轴向位移及胀差监测。布置两个轴向位移传感器，满足冗余和表决需要。轴向位移的突变可能导致动静部件的摩擦碰撞，轴向位移是很关键的参数。胀差是由于膨胀速度不一样，在轴向，气缸和转子膨胀的差值。胀差测量通过相对测量即可得到，传感器安装于气缸上，监测轴的位置变化，输出就是胀差。

3.1.4 壳胀、阀位监测。通过在汽轮机机壳两侧各装一个LVDT传感器，监测汽轮机热变形。一般安装在汽机底座上，顶端接触到气缸外壳，测量其相对于底座的膨胀。

3.2 汽机振动诊断系统TDM

TDM执行汽轮发电机振动诊断功能。主要特点为：永久性安装、不间断地对机组运行状态进行在线实时监测；完整保留机组振动的历史数据、起停机数据和升降负荷数据；提供丰富的专业诊断图谱，帮助专业管理人员随时观察机组运行情况、并对机组状态进行深入分析和诊断；可以长时间、大容量地保存机组的历史诊断数据；当机组发生故障后，能方便地查询机组的故障变化趋势。主要包括：数据分析、数据诊断两部分。

3.3 数据分析

3.3.1 数据获取和分析的时间间隔。对于振动向量、电厂数据（负荷），系统每秒钟获取并分析一次；对于频谱，系统每两小时分析一次。当振动向量或负荷超过限值，或者操纵员要求时立即执行。

3.3.2 检查数据是否超过限值。当系统监测到振动或轴承温度超过限值时，会在LCD报警窗口上显示一个报警信息。如果振动或轴承温度降到限值一下，系统会清除报警信息并显示一个“恢复正常”信息。

3.3.3 显示。分析结果显示包括主监视图、棒图、振动表格、过程量表格、波形、频谱、轴心轨迹、轴系仿真、轴心位置图、波特图、极坐标图、级联图、相关趋势图及列表。

显示窗口硬拷贝。

数据保存：正常工况下，系统最少可以保存十年的数据。

3.4 数据诊断

故障诊断是一个独立运行的工程师帮助软件或称专家系统，该系统通过人机对话方式，用于诊断机组是否正常运行、是否发生异常故障的可信度、故障发生的原因以及排除故障的措施等。由于现场情况的复杂性，诊断结果只能供有关人员进行决策时起参考作用。故障诊断软件系统由三个库和六个功能模块组成。三个库是指机组数据库、征兆事实库和诊断知识库；六个功能模块是指信号分析、征兆获取、自动诊断推理、诊断解释、故障处理和对话诊断。系统自动诊断出的原因举例如下：轴不平衡、轴裂缝、轴承磨损、转子未对中、油膜振荡/涡动、转子弯曲、摩擦、转动部件松动、发电机热弯曲、联轴器不耦合、转子不对称。

4 结语

对汽轮机进行在线振动监测，并及时准确地分析和诊断，对于指导机组安全稳定运行，防止机组发生重大事故，及时进行故障诊断和处理具有重要意义。利用在线振动监测和诊断系统，可准确预测设备性能和潜在的事故趋势，为电厂实时状态检修提供可靠的技术依据。

参考文献

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[2] 李录平.汽轮机组故障诊断技术[M].北京：中国电力出版社，2001.

[3] 韩捷，张瑞林.旋转机械故障机理及诊断技术[M].北京：机械工业出版社，1997.

[4] 顾军.AP1000核电核电厂系统与设备[M].北京：原子能出版社，2010.

作者简介：陶佳林（1986-），男，浙江嘉兴人，中核集团三门核电有限公司助理工程师，研究方向：振动监测。

（责任编辑：陈 倩）