蒸汽联合循环机组汽轮机振动异常及处理措施

引言

蒸汽联合循环机组作为高效清洁的发电技术，在能源结构转型中扮演着重要角色。其独特的运行特性决定了汽轮机工作环境的复杂性：频繁的启停调峰使转子承受交变热应力，快速负荷响应导致蒸汽参数剧烈波动，高温高压工况下动静部件间隙控制难度增大。这些因素相互叠加，使汽轮机振动异常成为影响机组可靠性的关键技术难题。振动不仅加速设备疲劳损伤，缩短部件使用寿命，严重时还可能引发轴系断裂、叶片飞脱等灾难性事故，直接威胁电网安全稳定运行。因此，深入研究振动故障机理并制定科学的处理措施具有重要的工程应用价值。

1 蒸汽联合循环机组汽轮机振动异常故障机理分析

1.1 汽流激振引发的动力失稳

汽流激振的形成源于蒸汽流动的复杂性和转子系统的动力学特性相互耦合，当高压缸进汽不均匀时，蒸汽在叶片通道内形成偏心涡流，产生周期性的横向扰动力，这种扰动力随着负荷增加而增强，其频率特征与叶片通过频率和转子固有频率形成特定关系，机组负荷波动引起的蒸汽压力脉动进一步放大了这种不稳定性，使得原本稳定的汽流场变得紊乱，转子承受的径向力失去平衡，产生自激振动现象，这种振动一旦形成就会通过流固耦合机制不断强化，直至系统失稳。

1.2 转子热变形诱发的不平衡

转子热变形的本质是材料在非均匀温度场作用下产生的几何形状改变，高温蒸汽使转子表层快速升温而内部温度滞后，形成径向温度梯度，引起热应力集中，当这种应力超过材料屈服极限时产生塑性变形，启停过程中的温度交变使这种变形不断累积，转子各截面的热膨胀差异导致轴线偏离原始位置，质心偏移破坏了原有的动平衡精度，特别是在叶轮和轴封等质量集中部位，微小的热变形就会产生显著的离心力，激发强烈的同步振动。

1.3 动静部件碰摩产生的强迫振动

碰摩振动的复杂性在于接触状态的不确定性和能量传递的非线性，转子高速旋转时与静止部件的瞬时接触产生冲击载荷，这种载荷具有宽频特征，激发系统的多阶模态响应，摩擦热效应使接触区域温度急剧上升，材料膨胀加剧接触压力，形成热力耦合的正反馈机制，碰摩点的随机性使振动响应呈现混沌特征，转子运动轨迹从规则的椭圆逐渐演变为不规则的花瓣形，系统刚度和阻尼的时变特性使振动预测变得极其困难，最终可能导致转子失稳甚至断裂[1]。

1.4 轴承系统失效造成的支撑失稳

轴承失稳的根源在于油膜动力特性的恶化和支撑结构刚度的退化，油膜在高速剪切作用下产生的动压效应维持着转子的稳定运转，当油膜参数偏离设计值时，其刚度和阻尼特性发生改变，无法有效抑制转子的涡动，轴承间隙增大使油膜厚度分布不均，产生半速涡动和油膜振荡，支撑结构的刚度下降改变了系统的固有频率，使其更容易与激振频率重合，轴承座与基础的连接松动引入了额外的非线性因素，加剧了振动的复杂性和危害性。

2 蒸汽联合循环机组汽轮机振动异常综合治理策略

2.1 运行参数精准调控

联合循环机组运行参数调控的核心在于建立多层级联动控制体系，通过 DCS 系统设置负荷变化率限制逻辑，将升降负荷速率严格控制在 5MW/min 以内，同时在 AGC 指令接口增加速率限制模块，防止电网调度指令造成的负荷突变。调节阀控制策略改造需要重新标定各阀门流量特性曲线，按照 30%-50%-70%-90% 的开度顺序设定阀门切换点，确保每个阀门在最佳流量区间工作。蒸汽参数监控系统应采用三取二的冗余配置，在高压主汽门前、中压进汽管道、再热蒸汽管道分别布置测点，当 10 秒内压力波动超过额定值的 3% 或温度波动超过 10% 时，自动将负荷变化率降至 2MW/min。汽封间隙管理要建立台账制度，每 3000 运行小时进行一次间隙测量，采用塞尺和内径千分尺双重校验，发现径向间隙偏差超过 0.03mm 立即安排检修，通过车削或更换汽封齿的方式恢复标准间隙。

2.2 设备结构改造提升

转子材料改造应选用铬钼钒钢或 25Cr2Ni4MoV 等优质合金钢，通过真空脱气、电渣重熔等工艺提高材料纯净度，采用分级时效热处理消除残余应力，将材料的持久强度提高 15% 以上。挠性转子设计要重新计算临界转速分布，通过减小轴径、增加支撑跨距的方式将一阶临界转速降至工作转速的 70% 以下，同时在轴系中增设阻尼器结构，利用挤压油膜原理吸收振动能量。末级叶片防护采用等离子喷涂技术，在叶片进汽边涂覆厚度 0.2-0.3mm 的碳化钨涂层，同时在叶顶设置 Z 型锁口围带，将相邻叶片连接成整圈结构，既提高了叶片组的整体刚度，又防止了水滴直接冲击叶片工作面。在线动平衡系统在轴承座两侧安装电涡流传感器，通过 FFT 分析提取一倍频振动分量，当振幅超过 25μm 时自动启动平衡程序，通过在预设平衡槽内注入配重液体的方式实时调整不平衡量，整个过程无需停机[2]。

2.3 维护工艺改进保障

启动过程温度控制必须遵循分阶段管理原则，冲转前暖机阶段保持 150-200^∘C 的主蒸汽温度持续 30 分钟，冲转时控制升速率不超过 100rpm/min ，定速 3000rpm 后再逐步提升蒸汽参数，整个启动过程中上下缸温差控制在35°C 以内，转子弯曲值不超过 0.05mm_⨀ 疏水系统改造需要在每个疏水点安装电动疏水阀和温度监测装置，通过比较疏水温度与对应压力下的饱和温度判断疏水效果，当过冷度超过 20% 时自动开大疏水阀。滑销系统维护要采用激光对中技术定期检查滑销导向面的平行度，偏差超过 0.10mm/m 时进行修刮处理，同时在滑销表面涂覆二硫化钼固体润滑剂。润滑油系统管理实行油质跟踪制度，每 500 小时取样化验一次，检测运动粘度、酸值、水分等关键指标，当任一指标接近限值的 80% 时启动在线滤油程序，通过真空滤油机连续处理，将油质恢复到新油标准的 90% 以上。

2.4 应急处置程序规范化

振动应急处置必须建立分级响应机制，当轴振达到 50μm 或轴承振动达到 2.8mm/s 时触发一级响应，运行人员立即检查负荷、蒸汽参数和润滑油系统，通过调整运行方式降低振动，当振动达到 75μm 或 4.5mm/s 时启动二级响应，立即降负荷至 50% 额定负荷以下，技术人员通过频谱分析仪采集振动数据，判断振动类型和故障部位，振动超过 100μm 或 7.1mm/s 时执行三级响应，立即打闸停机。振动数据库建设要涵盖机组全生命周期的振动记录，包括启停过程、变负荷过程和稳态运行的振动数据，通过机器学习算法建立振动趋势预测模型，当预测值显示未来 24 小时内振动可能超标时提前预警。应急演练每季度组织一次，设置突发汽流激振、润滑油压力下降、轴承温度异常等不同故障场景，考核运行人员的判断能力和处置速度，演练结果纳入绩效考核，确保应急处置能力持续提升[3]。

3 结束语

蒸汽联合循环机组汽轮机振动异常治理是一项系统工程，需要从故障机理认识、设备结构优化、运行参数控制和维护管理提升等多个维度协同推进。通过深入分析汽流激振、热变形、碰摩和轴承失稳等典型故障的产生机理，采取针对性的综合治理措施，可以有效降低振动故障发生概率，延长设备使用寿命。未来应继续加强振动监测技术研究，发展智能诊断系统，实现故障的早期预警和精准处置，为联合循环机组的安全高效运行提供更加可靠的技术保障。

参考文献

[1]张冲.汽轮机振动故障诊断技术分析[J].今日制造与升级,2025,(07):201-203.

[2]乐天山.汽轮机振动故障原因分析及解决对策[J].现代制造技术与装备,2025,61(06):93-95.

[3]唐广通,张伟江,李宁,等.燃气-蒸汽联合循环机组汽轮机振动异常分析及处理[J].河北电力技术,2021,40(05):59-62.