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[摘 要]本文笔者根据自己的工作经验，阐述了300MW汽轮机故障诊断系统总体结构，探讨了300MW汽轮机常见故障征兆。具有重要的现实意义。
[关键词]300MW汽轮机；故障诊断；故障征兆
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0000-01
引言
汽轮发电机组是电力生产的重要设备，由于其设备结构的复杂性和运行环境的特殊性，汽轮发电机组的故障率不低，而且故障危害性也很大。因此，汽轮发电机组的故障诊断一直是故障诊断技术应用的一个重要方面。下面笔者探讨了300MW汽轮机故障诊断与分析。
一、300MW汽轮机故障诊断系统总体结构
汽轮机故障诊断系统总体结构如图1所示。
整个系统分为3部分：第I部分为振动信号高速、同步、瞬态数据采集；第II部分为高速数字信号处理；第III部分为故障诊断软件包。
1、振动信号采集
（1）锁相环技术的应用。在整周期控制电路中，为确保相位的稳定性，采用了锁相环技术。整形后的键相信号经锁相电路倍频后，控制A/D转换器的采样速率。旋转机械振动数据的采集由启动控制逻辑控制。启动逻辑信号发生后，采样控制电路工作，对多通道振动信号进行整周期采样，采样点数为每通道1024点。在数据采集系统中，采用一个同步脉冲的上升沿同时锁定数据信号，以保证采集数据的同步精度。
（2）采样频率的设定。振动信号采样是整周期采样，汽轮机每转动一周采样64点，即采样频率是汽轮机转动频率的64倍。数据的采样频率的具体实现过程：首先由键相信号确定汽轮机的转速及整周期采样的起点，再根据当时汽轮机的转速计算出相应的采样频率（f=n/64），然后由数字信号处理芯片中的初始化程序完成采样频率的计算和数据采集。
2、高速数字信号处理
高速数字信号处理部分是指以DSP为核心的数字信号处理板卡，主要用来实现振动信号的数字滤波、快速傅里叶变换和快速小波包分解。高速数字信号处理的结果通过上传给上位机，提供给故障诊断软件包做进一步的处理和分析。
3、故障诊断软件包
故障诊断软件包通过各种故障诊断的分析算法，对经过高速信号处理后的数据进行分析和计算。提供了多种故障分析手段和辅助工具，包括转子位置图、轴心轨迹图、频谱图、波德图、级联图、极坐标图等。可用于诊断下列故障：不平衡、初始弯曲、对中度不好、轴瓦不稳定、油膜振荡、汽流激振、动静碰磨、轴承座松动、共振和高次谐波共振。
二、300MW汽轮机常见故障征兆
1、转子不平衡的频谱征兆
（1）转子质量不平衡
转子质量不平衡故障产生的机理是，转子的各横截面的质心连线与各截面的几何中心的连线不重合，从而使转子在旋转时，各截面离心力构成一个空间连续力系，转子的挠度曲线为一连续的三维曲线。这个空间离心力力系和转子的挠度是旋转的，其旋转的速度与转子的转速相同，从而使转子产生工频振动。
当转子有质量不平衡故障时，在不平衡力的作用下，振动的主要特征有：转子的振动是一个与转速同频的强迫振动，振动幅值随转速及振动理论中的共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值。因此，转子不平衡故障的突出表现为一倍频振动幅值大；在一定的转速下，振动的幅值和相位基本上不随时间发生变化；轴心运动轨迹为圆形或椭圆形；动态下，轴线弯曲成空间曲线，井以转子转速绕静态轴心线旋转。
（2）转子初始弯曲
所谓转子初始弯曲，是指在冷态和静态条件下，转子各横截面的几何中心线与转子两端轴承的中心连线不重合，从而使转子产生偏心质量，导致转子产生不平衡振动。有初始弯曲的转子具有与质量不平衡转子相似的振动特征，所不同的是初弯转子在转速较低时振动较明显，趋于弯曲值。在汽轮机组中，通常用盘车时和盘车后测量到的晃度的大小来判断转子是否存在初始弯曲。
（3）转子热态不平衡
在机组的启动和停机过程中，由于热交换速度的差异，使转子横截面产生不均匀的温度分布，使转子发生瞬时热弯曲，产生较大的不平衡，从而使转子产生振动。转子热态弯曲引起的振动一般与负荷有关，改变负荷，振动相应地发生变化，但在时间上较负荷的变化滞后.随着盘车或机组的稳态运行，整机温度趋于均匀，振动会逐渐减小。
当转子有热不平衡故障时，在不平衡力的作用振动的主要特征有：转子的振动频谱与质量不平衡时的振动频谱类似；振动的幅值和相位随负荷发生变化；在一定的负荷下，振动的幅值和相位随时间发生变化；轴心运动轨迹与质量不平衡时的轴心运动轨迹类似。
（4）转子部件脱落
平衡状况良好的转子在运行中突然有部件脱落时，会引起转子质量不平衡，在不平衡质量的作用下会使转子发生振动。当脱落的部件质量相当大时，会使转子出现严重的质量不平衡，从而使转子的振幅值突然增大。尤其是，若转子的振幅值非常大时，就会导致二次事故的发生。
当转子有质量不平衡故障时，在不平衡力的作用下振动的主要特征有：转子部件脱落后，转子的振动频谱与质量不平衡时的振动频谱类似；转子部件脱落的前后，振动的幅值和相位突然发生变化；部件脱落一段时间后，振动的幅值和相位趋于稳定；轴心运动轨迹与质量不平衡时的轴心运动轨迹类似。
（5）转子部件结垢
如果蒸汽的品质长期不合格，随着时间的推移，将在汽轮机的动叶和静叶表面上结垢，使转子原有的平衡遭到破坏，振动增大。由于结垢需要相当长的时间，所以，振动是随着年月逐渐增大的。并且，由于通流条件变差，轴向推力增加，机组级间压力逐渐增大，效率逐渐下降。
当转子有质量不平衡故障时，在不平衡力的作用下，振动的主要特征有：转子的振动频谱与质量不平衡时的振动频谱类似；轴心运动轨迹与质量不平衡时的轴心运动轨迹类似；振动的幅值和相位随时间发生极为缓慢的变化，这种变化有时需要一个月甚至数个月才能发现明显的差别；机组的出力和效率逐渐下降；各监视段的压力随时间的变化而缓慢增加。
2、转子动静碰磨的故障频谱征兆
汽轮机组的径向和轴向碰磨通常发生在隔板汽封、叶片围带汽封以及轴端汽封部位，径向碰摩还可能发生在各轴承的油挡、挡汽片部位。发电机的径向碰磨通常发生在密封瓦处。
按摩擦的部位可分为径向碰磨、轴向碰磨和组合碰磨。转子外线与静止部件接触而引起的摩擦称为径向碰磨；转子在轴向与静止部件接触而引起的摩擦称为轴向碰磨；既有径向摩擦又有轮向摩擦的碰磨称为组会碰磨。按转子在旋转一周内与静止部件的接触情况分为整周碰磨和部分碰磨。转子在旋转的一周中始终与静止的碰磨点保持接触，称为整周碰磨；转子在旋转的一周中只有部分孤段发生接触，称为部分碰磨。另外，按照摩擦的程度分为早期碰磨、中期碰磨和晚期碰磨。
结语
以上本文对300MW汽轮机故障诊断进行了粗略的探讨，由于时间和篇幅有限，还有许多内容没涉及到，比如：轴承松动故障的频谱征兆、转子不对中等等，在今后的工作中，笔者将继续研究。
参考文献
[1] 施圣康.汽轮发电机组振动故障诊断技术的发展现状[J].动力工程，2001（4）.
[2] 姚其峰，刘建民，玉立江等.汽轮机转子不平衡的诊断及治理.中国修船，2004，4.
[关键词]300MW汽轮机；故障诊断；故障征兆
中图分类号：TD327.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）31-0000-01
引言
汽轮发电机组是电力生产的重要设备，由于其设备结构的复杂性和运行环境的特殊性，汽轮发电机组的故障率不低，而且故障危害性也很大。因此，汽轮发电机组的故障诊断一直是故障诊断技术应用的一个重要方面。下面笔者探讨了300MW汽轮机故障诊断与分析。
一、300MW汽轮机故障诊断系统总体结构
汽轮机故障诊断系统总体结构如图1所示。
整个系统分为3部分：第I部分为振动信号高速、同步、瞬态数据采集；第II部分为高速数字信号处理；第III部分为故障诊断软件包。
1、振动信号采集
（1）锁相环技术的应用。在整周期控制电路中，为确保相位的稳定性，采用了锁相环技术。整形后的键相信号经锁相电路倍频后，控制A/D转换器的采样速率。旋转机械振动数据的采集由启动控制逻辑控制。启动逻辑信号发生后，采样控制电路工作，对多通道振动信号进行整周期采样，采样点数为每通道1024点。在数据采集系统中，采用一个同步脉冲的上升沿同时锁定数据信号，以保证采集数据的同步精度。
（2）采样频率的设定。振动信号采样是整周期采样，汽轮机每转动一周采样64点，即采样频率是汽轮机转动频率的64倍。数据的采样频率的具体实现过程：首先由键相信号确定汽轮机的转速及整周期采样的起点，再根据当时汽轮机的转速计算出相应的采样频率（f=n/64），然后由数字信号处理芯片中的初始化程序完成采样频率的计算和数据采集。
2、高速数字信号处理
高速数字信号处理部分是指以DSP为核心的数字信号处理板卡，主要用来实现振动信号的数字滤波、快速傅里叶变换和快速小波包分解。高速数字信号处理的结果通过上传给上位机，提供给故障诊断软件包做进一步的处理和分析。
3、故障诊断软件包
故障诊断软件包通过各种故障诊断的分析算法，对经过高速信号处理后的数据进行分析和计算。提供了多种故障分析手段和辅助工具，包括转子位置图、轴心轨迹图、频谱图、波德图、级联图、极坐标图等。可用于诊断下列故障：不平衡、初始弯曲、对中度不好、轴瓦不稳定、油膜振荡、汽流激振、动静碰磨、轴承座松动、共振和高次谐波共振。
二、300MW汽轮机常见故障征兆
1、转子不平衡的频谱征兆
（1）转子质量不平衡
转子质量不平衡故障产生的机理是，转子的各横截面的质心连线与各截面的几何中心的连线不重合，从而使转子在旋转时，各截面离心力构成一个空间连续力系，转子的挠度曲线为一连续的三维曲线。这个空间离心力力系和转子的挠度是旋转的，其旋转的速度与转子的转速相同，从而使转子产生工频振动。
当转子有质量不平衡故障时，在不平衡力的作用下，振动的主要特征有：转子的振动是一个与转速同频的强迫振动，振动幅值随转速及振动理论中的共振曲线规律变化，在临界转速处达到最大值。因此，转子不平衡故障的突出表现为一倍频振动幅值大；在一定的转速下，振动的幅值和相位基本上不随时间发生变化；轴心运动轨迹为圆形或椭圆形；动态下，轴线弯曲成空间曲线，井以转子转速绕静态轴心线旋转。
（2）转子初始弯曲
所谓转子初始弯曲，是指在冷态和静态条件下，转子各横截面的几何中心线与转子两端轴承的中心连线不重合，从而使转子产生偏心质量，导致转子产生不平衡振动。有初始弯曲的转子具有与质量不平衡转子相似的振动特征，所不同的是初弯转子在转速较低时振动较明显，趋于弯曲值。在汽轮机组中，通常用盘车时和盘车后测量到的晃度的大小来判断转子是否存在初始弯曲。
（3）转子热态不平衡
在机组的启动和停机过程中，由于热交换速度的差异，使转子横截面产生不均匀的温度分布，使转子发生瞬时热弯曲，产生较大的不平衡，从而使转子产生振动。转子热态弯曲引起的振动一般与负荷有关，改变负荷，振动相应地发生变化，但在时间上较负荷的变化滞后.随着盘车或机组的稳态运行，整机温度趋于均匀，振动会逐渐减小。
当转子有热不平衡故障时，在不平衡力的作用振动的主要特征有：转子的振动频谱与质量不平衡时的振动频谱类似；振动的幅值和相位随负荷发生变化；在一定的负荷下，振动的幅值和相位随时间发生变化；轴心运动轨迹与质量不平衡时的轴心运动轨迹类似。
（4）转子部件脱落
平衡状况良好的转子在运行中突然有部件脱落时，会引起转子质量不平衡，在不平衡质量的作用下会使转子发生振动。当脱落的部件质量相当大时，会使转子出现严重的质量不平衡，从而使转子的振幅值突然增大。尤其是，若转子的振幅值非常大时，就会导致二次事故的发生。
当转子有质量不平衡故障时，在不平衡力的作用下振动的主要特征有：转子部件脱落后，转子的振动频谱与质量不平衡时的振动频谱类似；转子部件脱落的前后，振动的幅值和相位突然发生变化；部件脱落一段时间后，振动的幅值和相位趋于稳定；轴心运动轨迹与质量不平衡时的轴心运动轨迹类似。
（5）转子部件结垢
如果蒸汽的品质长期不合格，随着时间的推移，将在汽轮机的动叶和静叶表面上结垢，使转子原有的平衡遭到破坏，振动增大。由于结垢需要相当长的时间，所以，振动是随着年月逐渐增大的。并且，由于通流条件变差，轴向推力增加，机组级间压力逐渐增大，效率逐渐下降。
当转子有质量不平衡故障时，在不平衡力的作用下，振动的主要特征有：转子的振动频谱与质量不平衡时的振动频谱类似；轴心运动轨迹与质量不平衡时的轴心运动轨迹类似；振动的幅值和相位随时间发生极为缓慢的变化，这种变化有时需要一个月甚至数个月才能发现明显的差别；机组的出力和效率逐渐下降；各监视段的压力随时间的变化而缓慢增加。
2、转子动静碰磨的故障频谱征兆
汽轮机组的径向和轴向碰磨通常发生在隔板汽封、叶片围带汽封以及轴端汽封部位，径向碰摩还可能发生在各轴承的油挡、挡汽片部位。发电机的径向碰磨通常发生在密封瓦处。
按摩擦的部位可分为径向碰磨、轴向碰磨和组合碰磨。转子外线与静止部件接触而引起的摩擦称为径向碰磨；转子在轴向与静止部件接触而引起的摩擦称为轴向碰磨；既有径向摩擦又有轮向摩擦的碰磨称为组会碰磨。按转子在旋转一周内与静止部件的接触情况分为整周碰磨和部分碰磨。转子在旋转的一周中始终与静止的碰磨点保持接触，称为整周碰磨；转子在旋转的一周中只有部分孤段发生接触，称为部分碰磨。另外，按照摩擦的程度分为早期碰磨、中期碰磨和晚期碰磨。
结语
以上本文对300MW汽轮机故障诊断进行了粗略的探讨，由于时间和篇幅有限，还有许多内容没涉及到，比如：轴承松动故障的频谱征兆、转子不对中等等，在今后的工作中，笔者将继续研究。
参考文献
[1] 施圣康.汽轮发电机组振动故障诊断技术的发展现状[J].动力工程，2001（4）.
[2] 姚其峰，刘建民，玉立江等.汽轮机转子不平衡的诊断及治理.中国修船，2004，4.