CN102095561A

CN102095561A - 一种大型汽轮机转动部件脱落故障定位方法

Info

Publication number: CN102095561A
Application number: CN 201010571506
Authority: CN
Inventors: 应光耀; 童小忠; 吴文健
Original assignee: Zhejiang Electric Power Test and Research Insititute
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: CN102095561B

Abstract

本发明公开了一种大型汽轮发电机组转动部件脱落故障定位方法。在进行汽轮机突发振动故障诊断时，辨识是否存在转动部件脱落故障是主要内容，目前汽轮机转动部件的断裂和脱落事故时有发生，对机组的安全运行构成了严重威胁。本发明的特征在于结合振动变化量和振动变化量的不平衡响应特性，给出了转动部件脱落轴向定位位置计算公式、飞脱质量计算公式、转动部件脱落判据准则，并引入实际工程应用修正因素，对转动部件脱落故障进行辨识计算。在此基础上，可对轴系靠背轮失重和错位故障进行进一步的辨识，为突发振动故障诊断提供依据，确保诊断的正确性。

Description

一种大型汽轮机转动部件脱落故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种大型汽轮发电机组突发性振动故障中的转动部件断裂和脱落故障定位方法。

背景技术

随着节能减排的要求和技术的进步，汽轮机往高参数、大容量方向发展，使得汽轮发电机组转动部件在运行中承受更为巨大的离心力，工作环境更为复杂和恶劣；且由于设备生产周期紧、材料设计制造缺陷、复杂的运行条件以及运行操作不当，汽机的转动部件的断裂和脱落事故时有发生，对机组的安全运行构成了严重威胁，轻则造成机组振动异常、停运，重则发生灾难性的设备损坏事故。据不完全统计，某厂生产的汽轮机低压末次叶片围带脱落断裂事故已发生10台次以上，严重影响安全生产和经济效益。对这一振动故障进行迅速和准确的诊断，分析计算出机组转动部件飞落的轴向位置和质量，再提出合理的治理措施，可有效提高机组运行的安全性和经济性，对避免重大事故的出现具有重大意义。

靠背轮错位振动故障与转动部件脱落故障，所引起的振动特征有部分相似性，如突发性、振动呈阶跃变化、振动变化后就稳定等，这增加正确诊断突发性振动故障的难度。

发明内容

为解决现有汽轮机的突发性振动故障识别问题，本发明提供了一种汽轮机转动部件脱落故障定位方法，其通过机组振动不平衡响应特性和谐分量动平衡法，给出了脱落故障定位的轴向位置、质量的公式，能够精确诊断出转动部件脱落故障。

汽轮发电机组轴系上易发生断裂的部件主要有转子叶片、围带、平衡块、靠背轮上的挡风板等部件。转动部件失重引起轴系振动的变化量是故障诊断的关键，本发明结合谐分量、影响系数动平衡法，考察失重的不平衡响应特性，推导出失重的位置和质量，并进一步辨识靠背轮错位振动故障。

大型汽轮发电机组都配有在线振动监测保护系统(TSI)和故障诊断系统(TDM)，在各个轴承附近安装2个涡流传感器监测机组轴振动，本发明根据TSI和TDM测试得到的振动不平衡响应数据，转子跨度内失重由下式得出轴系轴向定位位置计算公式：

La = \frac{1}{2} (1 - (&PlusMinus;) | \frac{{\overset{V}{K}}_{d}}{{\overset{V}{K}}_{f}} \frac{Δ {\overset{V}{Q}}_{A} - Δ {\overset{V}{Q}}_{B}}{Δ {\overset{V}{Q}}_{A} + Δ {\overset{V}{Q}}_{B}} |) \times L - - - (1)

式1中L_a为脱落位置与末端加重平面A的轴向距离，L为加重平面位置(A和B)的轴向距离，

是加重平面A、B处的同相分量影响系数，

是加重平面A、B处的反相分量影响系数，

和对特定的机组都是定值，

和

为轴承A和轴承B上产生的振动变化量，由式2得出。

为振动变化量的反相分量可计算为A_d∠α，

为振动变化量的同相分量可计算为A_f∠β，A_d、α为振动变化量同相分量幅值、相位，A_f、β为振动变化量反相分量幅值、相位。

其中，

和

为轴承A和轴承B初始状态的振动不平衡响应矢量，

和

为振动突变后轴承A和轴承B振动不平衡响应矢量(由机组TSI直接测量出的不平衡响应)。

脱落质量的计算公式：

m = {\overset{V}{M}}_{d} + {\overset{V}{M}}_{f} = \frac{(Δ {\overset{v}{Q}}_{A} + Δ {\overset{v}{Q}}_{B})}{2 {\overset{V}{K}}_{d}} + \frac{(Δ {\overset{v}{Q}}_{A} - Δ {\overset{v}{Q}}_{B})}{2 {\overset{V}{K}}_{f}} \times \frac{L}{(L - 2 La)} - - - (3)

其中：

{\overset{V}{M}}_{d} = \frac{(Δ {\overset{v}{Q}}_{A} + Δ {\overset{v}{Q}}_{B})}{2 {\overset{V}{K}}_{d}},

{\overset{V}{M}}_{f} = \frac{Δ {\overset{v}{Q}}_{A} - Δ {\overset{v}{Q}}_{B}}{2 {\overset{V}{K}}_{f}} \times \frac{L}{(L - 2 La)}

和

分别为同相和反相质量。可根据飞落质量的大小辨识为围带、叶片、平衡块、挡风板等转动部件。

当飞脱质量在靠轴承A侧，则轴承B侧的合成质量为零，式1可改为：

其判断条件为α-β＝90°(4)

当飞脱质量在靠轴承B侧，则轴承A侧的合成质量为零，式1可改为：

其判断条件为α-β＝-90°(5)

当飞脱质量在转子中部，即式1为

即振动变化量的反相分量为零(6)

由以上三式可知，运行中突发叶片飞脱故障应满足α与β成正交关系的条件。α-β＝90°说明飞脱质量靠A轴承，α-β＝-90°说明飞落质量靠B轴承。在满足正交判断准则的情况下，飞落的轴向位置可由振动变化量的反相分量和同相分量的比例关系计算。

上述计算分析是在转子跨度内的，靠背轮已在转子末端加重平面外，靠背轮失重的故障诊断不适用于式1，本发明给出靠背轮失重的故障诊断计算公式：

La = \frac{1}{2} (1 + | \frac{{\overset{V}{K}}_{d}}{{\overset{V}{K}}_{f}} \frac{Δ {\overset{V}{Q}}_{A} - Δ {\overset{V}{Q}}_{B}}{Δ {\overset{V}{Q}}_{A} + Δ {\overset{V}{Q}}_{B}} |) \times L - - - (7)

式7仍可使用式2和式3的计算依据。但是对于轴系突发故障诊断，振动数据的变化可反映在多个轴承上，需要诊断就是飞落的具体轴向位置，在诊断计算时，不可能事先知道跨度内失重还是靠背轮失重，需要统一式1和式7。如果把转子跨度两端的轴承的不平衡响应换成靠背轮两端轴承不平衡响应计算，这样靠背轮失重就变成是靠背轮两端轴承的中间失重，就可以借助式1和式6来分析计算。由式6可知，靠背轮失重对靠背轮两端轴承的不平衡响应为同相分量为主，振动变化量的反相分量接近于零；而靠背轮错位故障时，对靠背轮两端轴承振动影响为反相分量，振动变化量的同相分量接近于零。可根据这一特点，辨识靠背轮错位和失重故障。

在实际工程应用中，由于轴承刚度各向异性、影响系数分散度、振动数据选取、油膜力非线性等因素影响，所以本发明对上述公式4、5、6的适用条件做出修正：α和β相位并不完全正交关系时，如果α和β相位误差范围在30°内，可以适用式4、5，如果α和β的角度的正交关系很弱，且不存在同相分量为主，或反相分量为主的情况下，则可以排除叶片飞脱的可能性。如果计算出额定转速的振动变化量同相分量比较小，计算误差会比较大，可以选取过临界转速同相分量作为计算依据。

在大多数情况下，振动变化量的反相分量只接近零，即振动变化量同相分量远大于反相分量，一般同相分量是反相分量的5倍，可以诊断为靠背轮失重，则式6改为：

| \frac{{\overset{V}{K}}_{d}}{{\overset{V}{K}}_{f}} \frac{Δ {\overset{V}{Q}}_{A} - Δ {\overset{V}{Q}}_{B}}{Δ {\overset{V}{Q}}_{A} + Δ {\overset{V}{Q}}_{B}} | \leq 0.04 - - - (8)

应用本发明，可在机组轴系振动发生阶跃式突变后，可辨识转动部件脱落故障和靠背轮错位故障，得到转动部件脱落的轴向位置和质量，从而对后续的安全运行和检修措施做出合理的安排，取得显著的经济效益。

下面结合说明附图和具体实施方式对本发明的实质性特点作进一步说明。

附图说明

图1为某电厂#4机轴系结构布置示意图。

具体实施方式

某电厂#4号汽轮发电机组是哈电集团生产的N600-24.1/566/566-1型600MW超临界、一次中间再热、单轴、三缸、四排汽凝汽式汽轮机。机组轴系转子间刚性连接，轴系布置图如附图1所示。每道轴承座45°、135°方向各配置一个涡流传感器，测量转子轴振。

2010年3月23日，某电厂#4机组在正常带525MW负荷运行时，在较短的间隔时间，振动突然阶跃增大，其中尤以5、6号轴振增大最为明显，振动突变前后的数据见表1。

表1中数据为低压转子A后轴承4号轴承、低压转子B的5、6号轴承，发电机前轴承7号轴承的振动情况，各瓦振动数据为轴振通频值，1倍频幅值和相位。由表1可知：

(1)某电厂#4机振动以1X倍频为主，振动突然变化量也以1X倍频为主，振动变化呈阶跃性质，振动主要表现在低压转子B两端轴承上，由这些振动特征可知，低压转子B的失重可能性比较大。

(2)因此计算定位低压转子B失重的位置和质量，来判断低压转子B上叶片断裂或围带脱落的可能性。

表1某电厂#4汽轮发电机组振动异常数据表

表1已列出各瓦振动变化量再计算

的

和

由式2得出：

X方向：

{\overset{v}{A}}_{d} = 14.35 &angle; 127.5,

{\overset{v}{A}}_{f} = 38.4 &angle; 37.5

Y方向：

{\overset{v}{A}}_{d} = 12.9 &angle; 225.5,

{\overset{v}{A}}_{f} = 40.4 &angle; 164.3

X方向的

和

的相位差为α-β＝90°，Y方向的

和

的相位差为α-β＝62°，可知振动变化量的同相分量和反相分量成正交关系，符合转动部件飞落的判据，低压转子B存在叶片断裂或部件脱落。

(3)转动部件可能脱落位置为

由X向振动变化量计算，La＝0.23L；

由Y向振动变化量计算，La＝＝0.19L。

综合X、Y方向不平衡响应数据，脱落质量为：m＝0.537～0.716kg。

可知，脱落位置在低压转子B，距离5号瓦加重平面为0.2L左右，为低压次末级叶片位置；脱落质量0.537～0.716kg，600MW机组一只次末级叶片质量约7.8kg，脱落质量比较少，应是叶片围带部件。

综合上述分析，某电厂#4机突变振动增大诊断为低压转子B靠5号瓦次末级围带飞落，飞落质量约0.537～0.716kg。

(4)根据上述分析结论，结合电厂检修计划，安排汽机低压缸开外缸检修，发现了低压转子B靠近#5瓦次末级编号为23的叶片围带飞落，飞落质量为0.55kg，跟诊断方法分析计算结果完全一致。