关键词：电厂汽轮机；振动；保护逻辑优化
引言
振动保护是汽轮机组重要的保护项目之一，随着汽轮机组不断向高参数、大容量的趋势发展，振动保护对汽轮机乃至其他大型旋转机械的重要性显得更加突出。根据《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中规定：汽轮机振动保护必须投入。但目前我国汽轮机组在出厂时的常规设计方案一般是单点保护，从生产现场的实际情况来看，这种方式存在单点保护误动的问题，因此一些电厂宁愿违反相关规定，在机组并网正常运行后即退出振动大保护，给汽轮机组的安全运行带来了极大的隐患。
1汽轮机振动危害
振动主要指的是偏离了原来的平衡位置，位能与动能出现了转换。振动幅度不超过一定范围的振动不会影响汽轮机的正常运行，没有危害，但当超过一定范围后，振动就会危害汽轮机，降低工作效率。轴系中心变化、发电机转子内冷水路局部堵塞以及轴承磨损等均属于汽轮机的异常振动，会导致整个机组零件的松动，甚至还会加剧内部动静摩擦，导致汽轮机磨损，加速了汽轮机的老化。振动由多种因素引起，安装汽轮机或检修后还应检查其振动程度，确保振动幅度在国家规定范围内，当前我国标准中，汽轮机振动幅度值应在0.05mm以内。
2汽轮机发生振动的原因
2.1气流激振引发的异常振动
气流激荡引发的振动是汽轮机异常振动的主要原因之一，气流激振具有以下两种特征。第一，气流激振低频分量值异常增大；第二，激振伴随着运行参数的突然变化。引起气流激振的可能性由很多，如静叶出口汽流不均匀引起的激振力；喷嘴调节、回转隔板和部分进汽级静叶片出口汽流不均匀引起的激振力。也可能是汽机负荷参数的设置不合理，或供汽方式错误造成的。振动故障诊断需要在振动问题表现出来以后才能进行，有些振动故障需要针对各个窗口下汽轮机振动记录信息进行分析，有的则需要进行相应的振动试验以后才能判断汽轮机的气流激荡现象。
2.2转子质量不平衡引起振动
（1）在机组运行中，叶片折断、脱落及不均匀磨损、腐蚀、结垢，或发电机转子绕组松动或不平衡等，都会使转子发生质量不平衡。由这两个原因引起转子质量不平衡后，转子每转1周，都会受到转子不平衡质量产生的离心力的冲击1次，引起机组振动。
（2）在不引起汽轮机动静部件间摩擦的情况下，转子发生弯曲，仍会引起振动，其振动特性除与转子质量不平衡振动情况类似外，轴向振动也较显著。
（5）汽轮机轴承油膜不稳定或遭到破坏，轴瓦乌金会很快被烧坏，轴颈因受热弯曲，致使机组发生剧烈振动。
（4）汽轮机运行时，通流分轴间隙或安装未达到设计标准；隔板发生弯曲，叶片变形；推力轴承工作不正常或安置不当；轴颈或轴承乌金侧向间隙较小等，这些都会使汽轮机内部产生摩擦，进而引起振动。
（5）蒸汽带水进入轮机内，发生水冲击时，将造成转子轴向推力增大和产生很大的不平衡扭力，使转子产生剧烈振动，甚至烧毁推力瓦。
（6）发电机内部故障，如发电机转子与定子间不均匀的空气间隙、发电机转子绕组短路等，都是会引起机组振动。
（7）汽轮机运行中常会因地脚螺丝等外部零件松动引起机组振动。
3电厂汽轮机振动保护逻辑的优化策略
3.1振动保护逻辑优化方案
由于没有国标或行业标准作为依据，之前国内汽轮机组出厂时的常规设置为在轴瓦的X/Y向各安装一个涡流探头，如图1所示，振动保护一般为单点保护，即当各轴瓦的X/Y向任一探头检测到振动值达到跳机值时，振动保护动作，机组跳闸。由于涡流探头测量从前置放大器到TSI系统采用负电压传输，在受到电磁干扰或传感器及卡件故障等情况下，机组容易出现误发信号的情况，此外，这种重要保护设置成单点保护也违反了热工重要保护应为“二取二”或“三取二”的可靠性配置设计原则。
.png)
图1轴振测量示意图
GB/T11348.2—2012《机械振动在旋转轴上测量评价机器的振动第2部分：功率大于50MW，额定工作转速1500r/min、1800r/min、3000r/min、3600r/min陆地安装的汽轮机和发电机》中4.2.3.3条新增如下内容为振动保护的设置提供了依据：“汽轮机和发电机通常是受自动控制系统控制的，如果超过停机振动值，自动控制系统使机器停机。为了避免虚假信号引起的不必要的停机，实际上通常采用多个传感器控制逻辑，并在触发机器自动停机的任何自控动作之前，规定一个时间延迟。因此，如果接收到振动停机信号，而且至少被两个独立的传感器确认超过了规定的有限的延迟时间才可以触发停机。典型的延迟时间是1～3s。为了慎重可以在报警值和停机值之间插入第二次报警，以预警操作人员正在接近停机值，他们可以采取任何校正措施（例如降低负荷或制造商建议的其他措施），避免满负荷停机。”
近几年来，随着汽轮机故障问题的增多以及火电厂对设备安全重视程度的提高，大多数电厂对振动保护的逻辑进行了针对性优化，普遍采取“二取二”的组合逻辑方案。常规的组合逻辑优化方案主要有：
（1）任意瓦的X/Y方向振动中一个达到报警值，另一个达到跳闸值即触发振动保护跳闸。
（2）任意瓦振动中任意一个达到跳闸值，且相邻瓦X/Y方向振动任意一个达到报警值即触发振动保护跳闸。
（3）任意瓦的X/Y方向振动中一个达到跳闸值，且除本瓦外任意瓦X/Y方向振动中一个达到报警值即触发振动保护跳闸。
3.2振动保护设置延时需注意的几个问题
除对振动保护的逻辑进行优化外，GB/T11348.2—2012中还提到了振动保护延迟时间的设置，并给出典型的延迟时间为1～3s的建议。因此，部分电厂在进行了振动保护逻辑优化后还设置了延迟时间，由于部分机组发生的重大轴系故障振动值变化过程非常短暂，可能未达到保护延迟时间，未达到振动保护动作条件，但实际汽轮机内部已经发生很严重的事故。某电厂机组1～5瓦X/Y向振动同时出现突增，其中3、4瓦X向均超过300μm，之后迅速恢复正常，整个过程超过振动跳闸值的持续时间约2s，未达到保护延迟时间3s的动作条件，后停机解体发现中压缸电端第二级隔板脱落、中压转子电端第二级动叶因磨损全部脱落、电端第一级动叶磨损。
结语
综上所述，引发汽轮机异常振动的因素多而复杂，如在汽轮机的运行过程中发现异常振动，技术人员应该根据故障特征分别进行排查，针对汽轮机异常振动的原因，制定相应的故障排除解决措施，优化振动保护逻辑，解决汽轮机异常振动，对于维护机组安全有着重要的意义。
参考文献
[1]王延博.汽轮发电机组轴系低频振动故障特征及其诊断实例[J].热力发电，2005，01：32-35.
[2]徐誉玮.火力发电厂大型汽轮机振动异常分析及故障判断[J].现代制造技术与装备，2017，07：119-120，128.
[3]张学延，王延博，张卫军.大型汽轮机汽流激振问题的分析和处理[J].热力发电，2004，02：47-55.
[4]张力海，蒋文辉.火电厂汽轮机异常振动故障排查技术分析[J].建筑知识：学术刊，2013（B01）：306.
[5]范红艳.浅谈引起汽轮机普通强迫振动的原因[J].黑龙江科技信息，2012（6）：34-36.
作者简介:张步和（1980-04-）男，汉族，籍贯：广西贺州，本科学历，工程师职称，主要从事工作:火电厂热控专业检修管理，天然气长输管道电气、仪表专业施工管理
论文作者:张步和
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第 21期
论文发表时间:2020/5/8