600MW機組軸系振動分析及處理

付開慧

(華電內蒙古能源有限公司包頭分公司，內蒙古 包頭 014013)

0 引言

華電內蒙古能源有限公司包頭分公司(以下簡稱華電包頭公司)#1汽輪發電機組系哈爾濱汽輪機有限公司和哈爾濱電機有限公司生產的亞臨界600 MW汽輪發電機組。該機組于2006年投產運行，2009－02－04，進行了第1次常規大修。大修后，機組#9，#7軸承軸振偏大。華電包頭公司委托內蒙古電力科學試驗研究院進行了診斷處理，#9軸承軸振有所好轉，但#7軸承軸振仍然超過國家標準規定的指標且隨著負荷的變化有所波動。另外，#5軸承軸振的指標也在90μm左右。

通過對#1機組歷史振動數據的分析，筆者認為，軸系振動主要由軸系質量不平衡引起的，發電機本體振動是由于軸系振動與發電機振動在同一頻率上而產生共振現象造成的，只要調整軸系的振動頻率就可以消除發電機本體振動。

1 機組概況

華電包頭公司#1機組為600MW亞臨界、一次中間再熱、三缸四排汽沖動凝汽式汽輪發電機組。機組軸系由高/中壓轉子、低壓Ⅰ轉子、低壓Ⅱ轉子、發電機轉子和勵磁機轉子以及8個支承軸承和1個穩定軸承組成，各轉子之間均為剛性聯軸器連接，機組軸系結構如圖1所示。

圖1 機組軸系結構簡圖

2 振動測試系統

該機組安裝了菲利浦MMS－6000型汽輪機振動保護監測TSI(Turbine Supervisory Instrumentation)系統。此次測試系統布置在TSI機柜前，振動信號、鍵相信號從TSI系統的緩沖輸出端子(BUF)接入NBZJZ－4型便攜式振動數據采集和分析系統，對振動數據進行實時采集、存儲及頻譜分析。

另外，在汽輪機平臺上布置了Bently公司生產的9200型速度傳感器，鍵相信號從前置端子并聯出來，二次儀表采用Bently公司TK－83型便攜式振動表，用于測量現場各軸承垂直、水平和軸向瓦振動。

3 振動現象和特點

2009年年初，#1機組大修后，#9，#7軸承軸振動偏大。內蒙古電力科學試驗研究院組織技術人員針對#9軸承軸振進行了處理，通過在勵磁小軸尾部圓盤以及勵磁風扇環進行動平衡工作，#9軸承軸振水平有所改善。#7軸承軸振比大修前有所抬高，在運行中隨負荷、真空的參數出現波動。通過查閱機組的歷史振動數據(見表1)以及運行人員描述的振動現象，該機組振動有如下特點:

(1)振動問題主要集中在#7軸承，軸振最大達170μm，在通常情況下，軸振為135μm左右。

(2)振動主要以基頻分量為主，含有少量的二倍頻成分。

(3)振動隨有功負荷的增大而增加且與汽輪機排汽真空有一定的關系。

(4)#5軸承最大軸振90μm左右。

從該機組振動特點分析來看，振動是由軸系質量不平衡故障引起的，主要是由低壓Ⅱ/發電機轉子聯軸器原始質量不平衡、聯軸器螺栓緊力不足或不均勻、在大負荷下產生的附加不平衡及因真空度變化造成聯軸器對中改變引起的附加不平衡。

消除該振動可從以下2個方面入手:

表1 #1機組動平衡前相關軸承振動數據(通頻) μm

(1)檢查低壓Ⅱ/發電機轉子聯軸器螺栓緊力，確保各螺栓緊力足夠并均勻分布。

(2)保持軸系動平衡。

4 軸系動平衡

#1機組軸系動平衡加重工作進行了2次。第1次是在機組供熱改造停機臨修中，根據TDM歷史數據，在低壓Ⅱ/發電機轉子聯軸器進行試加重，質量為1000 g。啟動后，機組在額定轉速下，#7，#8軸承軸振均降低至80μm以下，#7，#8軸承瓦振動均降低至10μm以內，說明該聯軸器試加重工作是成功的。由于第1次加重后，#6軸承瓦振動超過50μm，#9軸承軸振達90μm，隨即決定進行第2次動平衡加重工作。第2次動平衡加重工作是同時在低壓Ⅱ轉子兩端末級葉輪以及勵磁機小軸尾部圓盤上進行的。在低壓Ⅱ轉子#5，#6軸承端末級葉輪300°，120°位置上分別加1根平衡螺栓，質量為330 g，在勵磁機小軸尾部圓盤50°位置上增加質量為65 g。動平衡加重后，2009－11－19 T 05:48，#1機組啟動。在升速過程中，軸系各軸承軸振動最大未超過110μm。定速3000 r/min后，在軸系振動中，振動最大的是#7軸承x和y向軸振動，均為70μm左右。其余測點軸振動均未超過65μm。機組軸振動水平達到了國家標準規定的優良水平。各運行工況下相關測點詳細振動數據見表2。

5 相關問題討論

5．1 軸系臨界轉速

機組在出廠前，生產廠家會對單轉子實施動平衡試驗并在出廠說明書或者技術規范中給出每段轉子的臨界轉速。當轉子到現場連接成軸系后，轉子的支承特性往往會發生改變，相鄰轉子間也會相互影響，臨界轉速往往會發生變化。現場自動升速控制系統中的臨界轉速應根據實測臨界轉速來設定。若偏差較大的話，當超過實際臨界轉速時，升速率太低會造成振動放大，甚至跳機，對機組壽命會產生不利影響。該機組幾次升降速過程測得實際臨界轉速見表3，控制系統的臨界轉速設定應為表3中的實測臨界轉速值。

表2 動平衡后相關軸承振動數據(通頻) μm

表3 實測臨界轉速 r/min

5．2 #7 軸頸晃度

軸系低轉速下的晃度是指由機械、電磁和材質因素引起的非振動偏差(如被測軸段偏心、彎曲、軸表面不圓度及局部缺陷、剩磁、材質不均勻、表面殘余應力等)，這些因素都會引起非振動偏差。晃度的測量結果可用來判斷轉子對中狀態是否滿意，例如，轉軸是否有暫時彎曲或者聯軸器是否有水平或角度不對中(曲柄效應)的問題。

由于該機組#7軸承軸頸處晃度嚴重超標(見表4)，說明低壓Ⅱ/發電機轉子聯軸器的對中狀態不佳。聯軸器故障會在機組帶大負荷運行或者負荷變化時表現出來，這也是大修后隨負荷變化的#7軸振幅值波動劇烈的原因所在。此次臨修中增加了聯軸器螺栓緊力，#7軸振動波動現象有所改善。由于晃度將混入振動信號中，GB/T 11348．2—2007《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和判定》中規定:晃度不應超過相當于許用振動位移的25%(比如規程規定許用振動為80μm，則晃度不應超過20μm)。如果晃度在此范圍內，在轉軸振動測量中可不扣除其影響;如果晃度超出此范圍，應分析原因并采取補償(扣除)或其他措施。表4列出了#7軸頸晃度值以及扣除晃度后#7軸承實際軸振動值。扣除晃度后，#7軸承x，y方向軸振動都在50μm以內，達到國家標準規定的優秀水平。

表4 #7軸承處軸頸晃度值以及實際振動值(基頻) μm/∠°

5．3 低壓轉子瓦振動

此次低壓轉子平衡后啟動，定速為3 000 r/min時，#5軸承垂直方向軸瓦振動為13μm，#6軸瓦振動為31μm，#5，#6軸振動降至50μm左右。

帶負荷后，#5，#6軸承軸振動趨勢基本保持穩定，說明來自轉子的不平衡激振力較小，但#6軸瓦振動隨負荷變化有所爬升，滿負荷時穩定在45μm左右。這種現象表明，軸瓦振動增大的原因是軸承座結構方面的問題，即軸承座動剛度較差引起的。影響軸承座動剛度主要有3個方面的因素:一是結構剛度，二是連接剛度，三是共振。軸承的結構剛度是由其幾何尺寸、材料決定的，是結構的固有特性，即部件之間連接緊密程度對剛度的影響。現場最容易出現的問題是連接剛度變差，建議檢查軸承座地腳螺栓的緊力以及底座與臺板、二次灌漿之間的連接情況。

6 結論及建議

(1)#1機組振動大主要是由軸系質量不平衡造成的。通過對低壓Ⅱ轉子、低壓Ⅱ/發電機轉子聯軸器以及勵磁小軸圓盤實施高速動平衡后，軸系振動有較大的改善。

(2)#7軸頸晃度超標，反映低壓Ⅱ/發電機轉子聯軸器連接狀態不佳。建議對其檢查并在今后大修中重新調整軸系對中狀態。

(3)扣除晃度影響，軸系振動均小于70μm，達到了GB/T 11348．2—2007《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和判定》規定的優秀水平，也達到新機投產評驗標準的優良水平;軸瓦振動也處于相關標準規定的合格水平。

(4)軸系的暖機轉速不能達到1900 r/min，在此轉速內屬于共振區，可根據實測臨界轉速共振區調整暖機轉速在1800～1850 r/min。

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