发电厂大型机组振动信号的测量与分析

1、汽轮机组振动概况

振动对于汽轮发电机组来说是一项重要的技术指标。自发电机组问世以来，振动测试分析、故障诊断与处理技术就随之产生。对汽轮机组的振动信号进行监测的主要目的是了解和掌握设备在运行中的状态，评价、预测设备的可靠性。发现早期故障，并对其原因、部位、危险程度进行判断，预报故障的发生，并针对具体的情况作出决策。汽轮机组作为大型旋转机械的一种，其振动属于周期性振动。

具体来说，汽轮机组的振动测量包括轴振的测量和轴承座振动(瓦振)的测量，具体以哪种方法为主，要看所测的机组是用什么方法测量和评价振动的。这样做是因为运行部门在这方面已经积累了大量的数据和丰富的监测经验，与已有的测量方式衔接，有利于前后的比较，也方便运行部门工作。

一般来说，中、小型机组(容量低于200MW)，多数配备瓦振监测系统，并以瓦振为考核指标。对于这些机组，应以轴承座振动的测量为主。

大型机组(容量300、600MW)，多数监测轴振，并以此作为评价振动的指标，因此测量时应以轴振为主。

这是因为对于大型汽轮发电机组的振动故障多数发生在转子上，诸如不平衡、热弯曲、不对中、动静摩擦等，所以振动在转子上的反应比较灵敏。少部分故障发生在轴承座上，例如由基础松动或膨胀不畅引起的刚度降低、轴承箱的共振等，这时轴承座将出现较大的振动，而转子振动的变化往往并不明显。一般来说，轴振比瓦振的灵敏度高，有利于发现振动异常的一些早期征兆。从轴振信号中还可以得到转子晃度、轴心位置等有价值的信息，这是测轴振的优势所在。所以监测转子比测试轴承座或机壳的振动信息更为直接和有效。在出现故障时，转子上的振动变化比轴承座要敏感得多。尤其是当支承系统(轴承座、箱体及基础等)的刚度相对来说较硬时(或者说机械阻抗较大)，轴颈的振动常常可以比轴承座的振动大几倍到十几倍。不过，监测转子轴的振动常常要比测量轴承座或外壳的振动需要更高的测试条件和技术。其中最基本的条件是能够合理安装传感器。大型汽轮机组上一般配备有汽轮机安全监测装置(TSI)，传感器的安装位置常常是制造时留下的，将仪器接在端子上就可以直接测量，不用另接传感器。

2、汽轮机组振动的测量方法

要对振动进行测量，首先就要用到传感器。目前振动传感器按工作原理主要分为：电涡流型、速度型、加速度型。

选择和使用传感器时需要了解其性能，主要的性能指标有以下几项：

(1)灵敏度

灵敏度是指沿传感器的测量方向，对应于每一单位简谐机械量的输入，传感器输出同频率电压。设输入的机械量为：

灵敏度与机械量的频率和振幅有关。产品说明书提供的灵敏度，是指在一定频率范围和振幅范围内的灵敏度。

(2)线性范围

线性范围是指灵敏度不超过某一给定误差的振幅区间。在这一范围内，输出电压正比于输入的机械量。

(3)频率范围

频率范围是指灵敏度不超过某一给定误差的频率区间。区间的两端为频率下限和频率上限。

(4)环境条件

每一种传感器都有它适用的环境条件，包括温度、湿度、环境介质等。

2．1轴的振动

测量轴振动即相对振动目前主要采用的是涡流传感器。电涡流传感器(位移传感器)测振动原理是通过在感应线圈上通高频电流，在线圈周围产生高频电磁场，进而在金属被测物表面产生感应电流，即电涡流。电涡流产生的磁场与感应线圈磁场相互叠加，从而改变感应线圈阻抗。在金属导体结构均匀、各向同性且其他参数一定的情况下，可以将阻抗的变化看成感应线圈与金属导体之间距离的单值函数。

将感应线圈接入振荡回路，在高频振荡输出端可以获得与空隙有关的高频谐波。然后对该信号进行放大、检波、滤波后，便可得到一个与间隙成正比的输出电压。输出电压包含直流和交流两种成分：直流分量表示探头与轴表面的平均距离(通常称为间隙电压)；交流分量表示轴相对于探头的振动。

测量转轴振动的电涡流传感器直接固定在支架上，支架又固定在轴瓦或轴承座上，因此由此方法测量出的是转轴相对轴承座的振动，即转轴相对振动。采用电涡流传感器测量转轴的相对振动时，许多机组在轴承的左右两侧装有轴振动测点，它们互90度

2．2瓦的振动

对于轴承座振动即绝对振动的测量主要采用速度式或加速度式传感器。多数加速度传感器是根据压电效应的原理来工作的。所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。

一般加速度传感器就是利用了其内部的由于加速度造成的晶体变形这个特性。由于这个变形会产生电压，只要计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化成电压输出。当然，还有很多其它方法来制作加速度传感器，比如电容效应，热气泡效应，光效应，但是其最基本的原理都是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。

测量瓦振的加速度式传感器固定在轴承座上，通过积分电路即可得到对应的振动位移，因此由此方法测量出的是轴承座的振动，即绝对振动。

3、汽轮机组振动的分析方法

为了对汽轮机组进行预测性维修，必须能够随时地、准确地了解机组的运行状态，其中振动信息就是最为重要的状态参数之一。机组振动的分析主要是对振动的三要素，即振幅、频率和相位的分析。

3．1振幅

振幅是表示机组振动严重程度一个重要指标，它可以用位移、速度或加速度表示。根据振幅的监测，可以判断“机器是否平稳运转”。过去对机组振动的检测，只能测得机壳或轴承座的振幅，虽然机壳振幅能表明某些机械故障，但机壳的振动并不能直接反映转轴的振动情况，所以机壳振动不足以作为机械保护的合适参数。壳振通常作为定期监测的参数，能及早发现叶片共振等高频振动的故障现象。

由于接近式传感器能够直接测量转轴的振动状态，便能够提供机组振动保护的重要参数，把接近式电涡流传感器永久地安装在轴承架上，便能随时观测到转轴相对于轴承座的振幅。一台运行正常的机组的振幅值都是稳定在一个允许的限定值内，一般来说，振幅值的任何变化都表明了机械状态有了改变。

3．2频率

汽轮发电机组等旋转机械的振动频率(每分钟周期数)，一般用机械转速的倍数来表示，因为机械振动频率多以机械转速的整数倍和分数倍形式出现的。这是表示振动频率的一种简单的方法，只把振动频率表示为转速的一倍、二倍或1／2倍等。而不用把振动频率分别表示为每分钟周期数或赫兹。

因为在机壳或轴承座振动测量中，振幅和频率是可供测量和分析的唯一主要参数，所以频率分析在机壳振幅测量中是很重要的。而且某些故障现象确实与一定的频率有关，但是并不能说频率与故障是有一一对应关系的，实际上一种特定频率的振动往往与一种以上的故障有关。频率是分析旋转机械的一个重要参数。但必须综合分析所有的数据，才能对机器作出正确的诊断。

3．3相位

相位测量是描述转子在某一瞬间所在位置的一种方法。相位在振动测量中的主要应用是确定不平衡的角度。由基频振动的相位和转子的机械滞后角可以知道不平衡的角度。旋转机械振动的相位是指基频脉冲信号相对于振动信号的某一点(通常取最高点)的相位差。在工程上最为有用的是基频振动相位，在此主要讨论基频振动相位测量。

测量振动相位目前主要采用的脉冲法。脉冲法测量相位的基本原理是：在转子上贴一反光条或开一键槽，采用光电传感器或涡流传感器产生一个与转速完全同步的脉冲信号，求脉冲信号前沿与振动信号某一点之间的距离，即为振动相位。相位有不同的计算方式，国内仪表一般规定为脉冲信号前沿超前振动信号高点的角度。所谓高点是指轴上某一点，当这一点转至测点位置时，振动正好在正峰点。基频振动相位测量的示意图如图2所示。

由相位可以确定转子上的高点。由图2可以看出，设键相器对准凹槽时，高点在H的位置。高点转动到探头下面时对应的是振动的正峰值。因此将键相器对准凹槽，由探头的位置逆转动巾角，就是高点的位置。由高点和滞后角就可以知道不平衡的角度。

每键相器就产生一个脉冲，两个脉冲之间的时间表示一个完整的转动周期。因此在振动仪表中，键相器同时用来测量转速。

4、 300MW汽轮机组振动测量信号

对于典型的300MW汽轮机组，其结构如图3所示。整个汽轮机组有1舟一7掸。共7个轴承。每个轴承装有一对X和Y方向的涡流位移传感器，用来测量轴振(相对振动)。还装有一个压电加速度传感器，用来测量瓦振(绝对振动)。所以其测量的振动信号统计如下：

1#-7#轴承上X和Y方向的轴振，共14个；

1#-7#轴承座的瓦振，共7个。

此外，为了更完整地监视和分析汽轮机组的运行状态，还要测量一路键相信号，用来判断汽轮机组当前的转速，以及轴向位移和胀差信号等。

5、结束语

本文简要地分析了汽轮机组振动的概况，介绍了轴振和瓦振的测量和分析方法，并给出了典型的300MW机组的测点布置。目前机组日趋大型化、复杂化，机组参数和容量不断增加，自动化程度日益提高的现代电力生产对设备的可靠性提出了更高的要求，汽轮机组振动信号的测量技术也会随着测量技术、传感器技术和计算机技术的发展而不断改进。