300 MW汽輪發電機組振動故障分析與處理

劉文華,甘 勇,劉志高

(華能岳陽電廠,湖南岳陽 414002)

某廠 4號機組汽輪機為哈爾濱汽輪機有限責任公司生產的亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽反動式汽輪機,型號為 N300-16.7/537/537-2型。發電機型號 QFSN-300-2,定子繞組水冷、定子鐵芯和轉子氫冷卻,可控硅靜態勵磁。

高中壓汽缸采用合缸結構。1,2號軸承為 4瓦塊可傾瓦,位于高中壓缸前后的軸承箱內;3號軸承下部是 2個活動瓦塊、上部是橢圓瓦,4號軸承為橢圓瓦,3,4號座落在低壓排汽缸上;5,6號軸承為橢圓瓦,支撐在發電機端蓋上。發電機采用雙流程的空、氫側密封油分離系統。高中壓轉子一階臨界轉速設計值 1689r/min,低壓轉子一階臨界轉速設計值1 597 r/min,發電機一階臨界轉速設計值 1 290 r/min。軸系結構見圖 1。

1 振動故障特征

圖 1 哈汽 300MW機組軸系結構

1.1 突發性非穩定高幅振動

4號機組首次整套啟動過程中,2006-05-16T 17∶14首次啟動沖轉至 600 r/min時,5號軸承 5X,5Y軸相對振動增至 121μm,后因左側主汽門打不開,打閘停機。20∶08機組重新啟動,至 1 960 r/min時,6號軸承 6X,6Y軸相對振動最大增至181μm,20∶30轉速升至 2 040 r/min開始高速暖機,6號軸承振動逐步降低。5月 19日機組進行主汽門嚴密性試驗由 3 000 r/min降速至 1 300 r/min時開始出現 5號軸承 5X,5Y軸相對振動上升,在1 300至 760 r/min狹小范圍內突然急速上升,轉速760 r/min時 5X軸相對振動最大增至 334μm,在760 r/min后開始下降,至 100 r/min時振動仍維持在 150μm左右 (如圖 2所示)。

機組 TSI監測系統配置為 Bently 3500型。在 1-6號瓦垂直方向裝設了 9200型速度傳感器測量軸承瓦振,每個軸瓦的軸頸附近左右 45°安裝 2套電渦流傳感器測量軸系各轉子軸相對振動,在前箱小軸前端安裝了電渦流傳感器,與小軸上的凹槽配合測量機組轉速和振動相位。

圖 2 5號軸承波德圖

1.2 穩定性偏高振動

5月 20日,機組完成超速試驗、汽門嚴密性試驗、鍋爐蒸汽嚴密性試驗后,重新掛閘沖轉至3 000 r/min,機組各軸承振動平穩,未再出現 5,6號軸承的振動急驟變化現象。機組于 7∶00發電機并網帶負荷,12∶30機組負荷至 150 MW,5月 21日 5∶53負荷達 300MW。機組帶負荷后,從100MW負荷至 300 MW負荷,6號軸承振動平穩,但 6X,6Y軸相對振動逐步由 87μm增至 98μm,并相當穩定。振動具體情況見表 1。

表 1 4號機組帶負荷及 “168”期間機組振動μm/°

2 振動故障分析

2.1 突發性非穩定高幅振動

機組主汽門關閉試驗中 5號軸承振動頻譜圖如圖 3所示。圖中可見該突發性振幅并無明顯的倍頻特征,僅在約 10 Hz時急驟增加,并快速上升,隨后在再次啟動過程中又未再出現。結合首次啟動過程中 5號軸相對振動增至121μm,6號軸相對振動增至 181μm的 2次出現振動明顯增加的現象,對該振動故障的分析集中在發電機密封瓦的碰磨原因上。

圖 3 5號軸振動頻譜圖

經對該突發性振動的進一步數據分析,在主汽門關閉后,曾伴隨有短暫的發電機密封瓦調端空、氫側差壓不平衡的現象。當密封瓦軸向推力不平衡時,密封瓦與瓦套拉觸,浮動受阻,從而導致突發性振動。并且該高幅振動在轉速下降至 100 r/min時仍保持了超過 0.15 mm的振幅,直至轉速為 0。從密封瓦的安裝數據分析,軸向間隙為最小0.19 mm,僅比安裝要求 0.20～0.23 mm偏小0.01 mm,周向間隙均勻,判斷并不是影響密封瓦碰磨的主要因素。在重新啟動汽輪機后,經對密封油空、氫側差壓的嚴密關注,該振動消失且未再出現,判斷因密封瓦差壓出現的突發性振動并未對密封瓦造成嚴重影響,發電機漏差率檢測也在合格范圍內。

該類型密封瓦突發振動在同類型機組中較為多見,多為油質有夾渣造成密封瓦卡澀或密封油空、氫側壓力不平衡造成的密封瓦碰磨等密封瓦方面的原因。但如此高幅的振幅較為少見,反映當時該密封瓦確實出現了較為嚴重的偏磨或卡澀現象,但在隨后的再次啟動過程中已恢復正常。

2.2 穩定性偏高振動

機組帶負荷后 6號軸振動數據如圖 4所示。分析認為,該振動為周期性的突起現象非常明顯,工頻分量與 3 000 r/min空轉時比較基本無變化,僅為 47μm,相位穩定,頻譜圖中增加大量 2～9倍頻的高頻分量成分。先行檢查 6號瓦電渦流檢測裝置,其間隙電壓均正常。因剛出現了發電機密封瓦的高幅振動,故對該振動的分析當時大多傾向于密封瓦周期性碰磨。但在機組第 1次達到 3 000 r/min時,6號軸振動均為 59.1μm,且隨后在帶負荷過程中振幅逐步增加,現象穩定,并非密封瓦碰磨表現的突發性非穩定性振動現象。

圖 4 6號軸振動頻譜圖和波形圖

在對 6號軸承側密封瓦解體后,查密封瓦各部件正常,均無明顯的碰磨痕跡。對該故障原因的檢查排除了密封瓦的原因,隨后現場擴大對 6號軸承的檢查范圍。檢查 6號瓦振動探頭處曾發現軸頸有明顯小塊發黑痕跡,清理后檢查軸頸橢圓度僅0.01 mm,認為并非軸頸橢圓度的影響。對振動探頭位置軸頸檢查亦未發現軸頸表面的問題,由此排除轉子軸頸異物的影響。并檢查油檔正常,無異物進入造成碰磨的痕跡。

從圖 4軸振動波形看,每個正峰值頂部都凸出了一節 “尾巴”,在正常的振動波形上疊加了 1個不是真實振動的干擾因素。在再次檢查中,對該發黑痕跡全部清理后檢查距振動探頭軸向調端約 15～20 mm處存在 1處鋼印字碼,且檢查該軸頸處并無碰磨痕跡。至此,經分析并確認該鋼印字碼是造成振動高的真正原因。在第 1次 3 000 r/min時,因轉子向發電機端膨脹尚未到位,振動探頭未檢測到鋼字碼,因此軸振仍在 59.1μm,且 X,Y方向均保持相同。而當帶滿負荷后,轉子開始熱膨脹,發電機轉子向勵端延伸并到位,振動探頭開始檢測到鋼字碼,電渦流對鋼字碼的凸起發生感應,從而造成虛假的振動數據。

3 振動故障處理

3.1 突發性非穩定高幅振動

在判斷機組主汽門關閉試驗中出現的突發性非穩定高幅振動為密封瓦空、氫側油壓失衡后,加強對發電機密封瓦的油差監測,機組未再出現突發性非穩定高幅振動。

3.2 穩定性偏高振動

對 6號瓦軸頸該鋼字碼處理打磨后,至 7月21日 4號機帶至滿負荷時,軸振最大 3號瓦 X方向 56.8μm,Y方向 55.7μm,瓦振最大的 4號瓦32μm。6號瓦軸振偏大的問題得到解決。

4 結 論

4.1 同類型機組中因結構的原因,發電機密封瓦碰磨的振動比較常見,且多為突發性非穩定振幅。造成密封瓦碰磨的原因多種多樣,在密封瓦恢復正常后,該類型的振動可避免再次出現。

4.2 對于 6號軸頸處調端約 15～20 mm處鋼印字碼造成的穩定性偏高振幅現象較為少見,其間伴隨有隨機組熱膨脹到位逐步增加并保持穩定的振動現象。該類型振動比較隱蔽,需仔細檢查。

〔1〕湖南省電力調試所 .華能岳陽電廠二期擴建工程 2×300MW機組 4號機組振動測試分析和動平衡試驗報告 〔R〕.