王广庭，张 爽，罗 凯，范春生，黄中柏

（国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430077）

0 引言

目前燃煤火力发电机组仍为国内电源主力机组，由于长期高温、高压、高转速运行，机组叶片断裂故障仍然时有发生［1-8］，对机组安全稳定运行产生很大影响。利用发电机组振动信号变化特征诊断机组故障，是目前故障诊断主要手段之一［9-30］。

1 机组轴系及结构特点

某发电公司4号汽轮发电机组是由东方电气联合公司生产的N300－16.7/537/537－4 型、亚临界、双缸双排气、一次再热凝汽式汽轮机和QFSW－30－2型氢冷发电机组。

机组共有7个轴承，其中：1号、2号轴承支撑汽轮机高中转子，3号、4号轴承支撑汽轮机低压转子，5号、6号轴承支撑发电机转子，7号轴承支撑碳刷。整个轴系支撑结构简图如图1所示。

图1 轴系结构简图Fig.1 Shaft structure diagram of unit

2 机组振动现象及历史数据分析

2015 年4 月5 日06：30，4 号机组振动出现突增现象，2号、3号、4号号轴承座振动均明显增大。调取机组振动突变前后的DCS 历史数据，可以看出：在1 s 内，2X-5X 轴振幅值分别从52 μm、71 μm、57 μm 突增至102 μm、163 μm、170 μm，幅值增大量为60 μm，92 μm，113 μm；15S内，2 V-4 V瓦振幅值分别从7 μm、15 μm、32 μm突增至10 μm、47 μm、72 μm，幅值增大量分别为3 μm，32 μm，40 μm，详细数据如表1所示。

表1 故障突发前后机组振动DCS历史数据（单位：μm）Table 1 Historical data of DCS of unit Vibration before and after fault outbreak(unit:μm)

3 机组振动测试数据分析

2015年4月5日16：44，负荷160 MW，用振动测试仪对机组振动进行全面测试，从测试数据可以看出：3X-4X 轴振分别为154 μm∠231o、140 μm∠6o，3Y-4Y轴振分别79.9 μm∠340o、110 μm∠100o，3V-4V 轴振分别59.2 μm∠326o、99.6 μm∠134o，5X 轴振同4X 轴振接近，6X轴振明显偏小，具体数据如表2所示。

从机组频谱图可以看出，2X-5X 轴振1 倍频分量（通频值）分别为：139（145）μm、153（163）μm、140（154）μm、91.4（99.3）μm，1倍频分量均占了主导地位且相位稳定；2 V-4 V 瓦振1 倍频分量（通频值）分别为：10.3（13.8）μm、59.2（64.4）μm、99.6（112）μm，1倍频分量也占了主导地位且相位稳定。具体情况如图2～图5所示。

表2 故障发生后机组振动测试数据（单位：μm）Table 2 Vibration test data of unit after failure(unit:μm)

图3 4X/5X频谱图Fig.3 The 4X/5X spectrum

图4 2 V/3 V频谱图Fig.4 The 2 V/3 V spectrum

图5 4 V频谱图Fig.5 The 4 V spectrum

4 机组停机过程振动数据分析

2015年4月5日17：52，打闸，破坏真空停机，从机组停机振动波德图变化情况可以看出：机组振动随着转速下降逐渐降低，且在在1 200 r/min 启动顶轴油泵时，机组瓦振出现峰值现象，而机组过临界时振动增加量不明显，详细情况如图6～图9所示。

5 机组振动特征及故障诊断

根据上述数据和机理分析可以看出机组振动特点：

1）机组振动突变前后轴振、瓦振幅值变化显著；

图6 2X/3X轴振波德图Fig.6 2X/3X axial vibration bode diagram

2）机组振动突变后，幅值相位均维持稳定；

3）3 号、4 号轴承支撑的低压转子振动变化最为突出；

4）机组堕走振动幅值随转速下降明显降低。

汽轮发电机组的振动可分为强迫振动和自激振动两大类，根据振动力学原理，强迫振动的振幅可以表示为：

式（1）中：A 为振幅，mm；E 为常数；P 为不平衡量，N；K为轴承座刚度，N/mm。

图7 4X/5X轴振波德图Fig.7 4X/5X axial vibration bode diagram

图8 2 V/3 V瓦振波德图Fig.8 2 V/3 V Bearing vibration bode diagram

图9 4 V轴振波德图Fig.9 4 V Bearing vibration bode diagram

从式（1）可知振动的振幅与不平衡量成正比，与轴承座刚度成反比；因此当轴承座的刚度一定而不平衡量发生变化时，汽轮发电机组的振动就会随之变化，当转子上有大幅不平衡量变化时，机组振动将会发生显著变化。

综上所述，故障发生前机组不存在振动突变或增大的趋势，故障发生后，机组振动呈现出阶跃突增现象，因此，可认为该故障是由于低压转子上有部件脱落而引起质量不平衡所致。

6 机组故障检查

机组停机，待低压缸的温度冷却后，通过人孔门对低压转子进行检查，发现低压转子反向第一级9号叶片断裂，叶片断裂长度约为25 cm，具体情况如图10所示。

图10 转子断裂部位Fig.10 Rotor fracture site

7 机组叶片修复后振动情况

对机组叶片进行更换，修复正常后，再次点火启动带负荷，对机组振动测试详细情况如下：机组3 000 r/min空载和带负荷工况下，振动均合格，具体数据见表3所示。

表3 叶片修复后机组空载和带负荷振动数据（单位：μm）Table 3 Vibration data of the unit without load and with load after blade repair(Unit:μm)

8 结语

本文通过机组振动突变前后、振动稳定后、停机堕走等3个阶段的机组轴振、瓦振数据变化的详细情况，来分析机组振动特征和规律，成功诊断出该机组由于低压转子叶片断裂引发的振动故障，该案例可作为同类故障诊断问题的参考。

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