大型9FA燃氣發電機組的振動試驗研究及處理

吳文健，吳 斌，戴惠慶

（1.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江浙能鎮海發電有限公司，浙江 寧波 315208）

0 引言

21世紀初，國家“西氣東輸”開發工程配套了大量天然氣發電項目，陸續引進了國際先進的大型燃氣－蒸汽聯合循環發電機組（簡稱燃機），其中美國GE公司生產的F級燃機最多，目前在全國已投產幾十余臺。作為“西氣東輸”和“東海氣源”的配套工程，浙江省已在半山、蕭山、鎮海、余姚等發電廠投產大型9F級燃機10余套。

美國GE公司生產的390MW等級燃機由PG9315FA型燃氣輪機、D10型三壓有再熱系統的雙缸雙流式汽輪機、390H型氫冷發電機組成。燃氣輪機、蒸汽輪機和發電機轉子剛性地串聯在1根長軸上，燃氣機組主軸分為4段：燃機壓氣機轉子、高中壓轉子、低壓轉子、發電機轉子，均為整鍛實心轉子，每段轉子均由2個徑向軸瓦支撐。

9FA燃機具有結構緊湊、布局簡單、節省廠房投資等優點，但由于設計、制造、安裝、運行等原因，機組陸續出現了熱瞬變振動、油膜渦動和油膜振蕩、動靜碰磨等振動問題，給機組安全運行帶來了威脅。通過現場試驗，對其振動特性和特征進行研究，提出了有效的解決措施，徹底解決了振動問題，確保了機組安全穩定運行。

1 熱瞬變振動的研究及處理

9FA燃機軸系布置如圖1所示。該機組1號瓦為可傾瓦，2號瓦為橢圓瓦。

圖1 軸系布置示意

1.1 振動現象

9FA型機組在冷態啟動至機組定速3 000 r/min時，1，2號軸振會出現先爬升、后慢慢回落的過程，即熱瞬變振動現象，如圖2所示，這是由9FA燃機轉子結構特點造成的。壓氣機和汽輪機轉子是盤鼓式拉桿結構，并設有抽氣口。在啟動期間，這些抽氣口在抽氣時會引起轉子微小的熱不對稱，導致熱態瞬變的振動現象發生。

轉子加熱遵循一定的流向性，即從前到后逐步由冷變熱，從表面到中心具有自然的溫度梯度。但由于盤級的存在，每個輪盤尺寸不同，將會造成各個輪間的溫度梯度不一樣，使得轉子受熱不均勻，從而產生振動爬升現象。隨著運行時間的延長，溫度不均勻狀況得到改善，振動逐步回落。

圖2 9FA燃機轉子熱瞬變振動現象

不同機組由于制造、安裝以及原始不平衡情況都不一樣，振動爬升情況也不一樣。較多機組往往爬升到振動保護值而跳機，使得機組無法正常并網運行，嚴重影響機組的安全性和經濟性。

1.2 振動診斷

熱態瞬變振動現象是9FA燃機轉子的固有特性，部分機組存在熱態瞬變振動過大導致機組停機的情況，需要多次啟動才能成功。對熱瞬變振動數據進行分析研究，發現振動爬升以工頻分量增加為主，同時時間較長，因此認為是典型的熱彎曲振動，可以通過熱態動平衡的手段來處理[1]。

雖然通過熱態動平衡可以降低熱態瞬變的振動值，但有可能會給機組在穩定運行狀態下的振動產生負面影響，因此需要綜合考慮熱態瞬變最大振動值以及機組3 000 r/min和各種典型負荷工況下的振動數據，使之處于一個合理的水平。

1.3 處理案例

2009年6月，半山發電廠1號燃機剛到3 000 r/min定速時，1Y，1X 振動僅為 14 μm 和 10 μm，運行半小時后，1Y，1X振動就爬升到209 μm和190 μm，具體數據見表1。機組因振動大停機，此后經過2次啟動后機組才并網運行，為此決定通過熱態動平衡技術來降低熱瞬變振動值。熱態動平衡時，選擇跳機時的數據作為熱瞬變振動的極大值，結合機組3 000 r/min及高負荷下的振動值，在燃機轉子上靠2號瓦端加重0.7 kg∠290°，加重前后燃機振動數據見表1。

表1 半山1號燃機加重前后振動數據

通過動平衡技術，有效解決了1號燃機振動爬升的問題，減少了機組冷態啟動次數，經濟效益比較可觀。該技術后續應用于其他燃機的熱瞬變振動處理，均取得較為滿意的效果。

2 油膜渦動和油膜振蕩的研究及處理

油膜振蕩是由于滑動軸承中的油膜作用而引起的旋轉軸自激振蕩，它是由油膜渦動在一定條件下發展而成的，是屬于同一本源的物理現象，當條件成熟時（如轉速足夠大或有足夠的外部干擾），油膜渦動就會發展成油膜振蕩。油膜渦動既不收斂也不擴散，大部分振動只限于軸頸部分，但油膜振蕩的軌跡是擴散的，并隨著時間的推移擴散到從軸頸到轉子整個部分，其能量之大足以破壞整個系統。

2.1 振動現象

半山發電廠1號燃機于2005年5月18日首次開機，隨后機組進入各項試驗，燃機每天啟停1次。初期燃機穩定在3 000 r/min一段時間后，高中壓轉子的3號和4號軸振間斷性出現半頻分量，但其分量都還比較小，未引起足夠重視。隨著啟動次數和運行時間的增加，3號、4號軸振間斷性振動變得頻繁、幅值增大。7月1日，機組在3 000 r/min下3號瓦振動突然出現較大的半頻分量，使得振動幅值超過210 μm而被迫緊急停機，3Y與4Y振動頻譜見圖3與4。

圖3 3Y頻譜圖

圖4 4Y頻譜圖

2.2 振動分析

從機組振動現象和振動頻譜圖可見[2]，初期3與4號瓦的振動突升雖然變化較小，但基頻振動基本不變，振動變化量以半倍頻為主，是輕微的油膜渦動。7月1日，燃機停機時3Y振動的24 Hz分量為 150 μm， 而 50 Hz分量為 50.9 μm，4Y振動的24 Hz分量為139 μm，而50 Hz分量僅為13.8 μm，半頻分量已經明顯超過了工頻分量，機組已由油膜渦動發展成了油膜振蕩。發生油膜振蕩后，振動不再以工頻為主，且不存在油膜渦動時振動來回跳躍的情況，只有機組解列并將轉速降到2 700 r/min以下，油膜振蕩才基本消失。

2.3 處理結果

由上面分析可知機組發生了油膜渦動和油膜振蕩，因此要立足于增加軸承的穩定性和動剛度，加大軸承比壓來消除油膜振蕩。為此在現場調試工期比較緊的情況下，盡量采取現場能夠采取的處理方法：

（1）提高潤滑油進油溫度，加大3號和4號瓦的進油量。

（2）提高3號和4號軸承標高130 μm。

（3）3號瓦往右調整300 μm，4號瓦往右調整20 μm，使高中壓轉子盡可能在平衡汽機軸系的中心找正。

（4）對3號和4號軸承下半3塊瓦，左右兩邊各減少2 cm的軸瓦工作面寬度，以增大軸承比壓。

實施以上措施后，機組多次啟停并在帶負荷情況下連續幾十小時運行，3號、4號軸振振動穩定，無低頻振動分量出現。燃氣機組在正常運行條件下，油膜振蕩已經得到有效控制。

3 動靜碰摩的研究及處理

動靜碰摩是汽輪機組啟停和運行中常見的故障。碰摩的原因涉及到多方面：設計通流間隙過小、膨脹系統不合理；制造加工超差、大件原材料熱處理不適當；現場安裝軸系標高、揚度、對輪對中、高差、張口不合格或設計部分提供的要求不正確；運行參數控制不當；檢修缺陷等。如鎮海發電廠9F燃機就出現過嚴重的動靜碰摩振動問題。

3.1 振動現象

2007年6月1日，鎮海發電廠12號燃機首次啟動，機組振動正常，3 000 r/min下各瓦振動均小于60 μm，其3號瓦Y向振動波特圖如圖5所示。6月12日在超速試驗后的停機降速過程中，回到3 000 r/min時振動較以前正常情況下有所上升，特別在降速過程中，3Y與3X振動大幅上升，降至1 000 r/min以下時，振動高達120 μm以上（見圖6），4Y與4X也較平常停機過程的振動要大很多。停機盤車1.5 h后，機組冷拖至699 r/min，僅10 min后，3Y與3X振動就由24 μm 和 23 μm 爬升至 118 μm 和 114 μm， 振動爬升主要以一倍頻為主，隨即緊急停機。到盤車轉速后， 轉子偏心達 100 μm（原始偏心為 32 μm）。

圖5 正常情況下3Y降速過程波特圖

圖6 異常情況下3Y降速過程波特圖

3.2 振動分析

從以上振動現象來看，振動的主要成分為工頻分量，屬強迫振動，引起振動的可能原因有：聯軸器對中不良或螺栓松動；軸承剛度變弱；動靜碰摩。

聯軸器對中不良或螺栓松動引起的振動應有突變過程，突變后振動穩定，影響較大是聯軸器兩端的振動，而該機組為3號和4號瓦振動大，振動始終爬升且不穩定，可以排除。軸承座剛度不足引起的振動會發散，但爬升過程相位基本不變，低轉速振動也不會變大，再檢查3號和4號軸承能影響接觸剛度的螺栓等均正常，可以排除軸承座剛度變弱的情況。

振幅增加、振幅變化均以一倍頻為主，停機過程比升速過程振動明顯增大等特征完全符合動靜碰摩故障。可以判斷機組產生的振動是動靜碰摩引起，同時分析認為碰摩部分就在高中壓轉子跨度內。

3.3 處理結果

打開高、中壓缸外缸發現：高壓外軸汽封齒斷裂，高壓隔板汽封齒破損嚴重，所有12級汽封齒的高齒都已經被磨平；高、中壓轉子往燃機方向移動，高壓部分轉子與汽封齒發生軸向碰摩，中壓部分轉子跟隔板汽封未發生碰摩。表現在振動上為3號瓦軸振較4號瓦軸振幅度和角度變化更大。

多次測量汽封軸向間隙、徑向間隙、K值、隔板洼窩中心等關鍵數據，發現K值定位出錯，即高、中壓汽缸向發電機側移位約3～3.5 mm，使得缸內轉子動靜間隙一側偏小3～3.5 mm，由此引起機組運行過程中發生動靜碰摩。

為此重新調整K值：轉子軸系往發電機方向移動0.9 mm，高、中壓缸往燃機方向移動2.65 mm。處理后機組振動均在優良范圍內，且振動平穩，未再出現爬升、波動情況。

4 結語

目前，在國內投產運行的9F燃氣聯合循環機組不斷增多，作為調峰機組啟停頻繁，其振動問題顯得尤為重要。通過投運機組的振動研究，其熱態瞬變振動現象作為9FA燃機的固有特性，要通過各工況下振動值全面考慮，最終通過熱態動平衡加以解決。對危害性較大的的油膜渦動和油膜振蕩，要從加大軸承穩定性方面入手，具體措施應根據現場情況有所側重。對動靜碰摩問題，要加強安裝時的質量把關，嚴格按照標準規定控制好間隙，以確保機組安全穩定運行。

[1]吳文健，童小忠，應光耀，等.浙江省內國產化600 MW汽輪發電機組振動綜合治理[J].浙江電力，2010，29（10）：28-31.

[2]童小忠，應光耀.半山1號燃氣機組油膜渦動和油膜振蕩分析及處理[J].汽輪機技術，2006，48（1）：63-66.

[3]應光耀，童小忠，吳文健.9F聯合循環機組嚴重碰摩診斷分析及處理[J].汽輪機技術，2010，52（1）：74-76.