600MW機(jī)組軸系振動大的分析與處理

劉建民，黃 峻

（四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638000）

0 引言

近年來，為了響應(yīng)國家節(jié)能減排的能源方針，各大發(fā)電公司都大力建設(shè)了一批大容量高參數(shù)的汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪發(fā)電機(jī)組是火電廠的關(guān)鍵設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障，往往會造成很大的經(jīng)濟(jì)損失；其中機(jī)組振動問題因振動故障的診斷及處理其難度大、重要性高，越來越引起人們的重視。實際機(jī)組的軸系振動與設(shè)計結(jié)構(gòu)、制造、安裝及運行相關(guān)，通過對機(jī)組的振動故障分析總結(jié)，掌握具體機(jī)組的振動特點，為以后機(jī)組的運行維護(hù)提供參考。本文對廣安電廠5號機(jī)組軸系振動超標(biāo)、振動不穩(wěn)定故障的處理進(jìn)行了總結(jié)，為類似振動故障的診斷處理提供參考。

1 機(jī)組概況

廣安電廠5號機(jī)組為亞臨界600 MW機(jī)組，汽輪機(jī)為N600-16.67538/538型亞臨界中間再熱沖動式單軸三缸四排汽凝汽式汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)為QF?SN-600-2-22C型，水-氫-氫冷卻方式。整個軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、A低壓轉(zhuǎn)子、B低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)軸間均為剛性聯(lián)軸器連接，每根轉(zhuǎn)子由2個軸承支承，軸系簡圖如圖1所示。

圖1 軸系布置圖

1、2號軸承為5瓦塊可傾瓦，軸承座為落地式結(jié)構(gòu)，3、4、5、6號軸承為橢圓瓦，軸承座落在低壓缸上，7、8號軸承為橢圓瓦軸承，軸承座為發(fā)電機(jī)端蓋式結(jié)構(gòu)。每個軸承處均安裝了兩個測量軸振的電渦流傳感器（見圖2）和一個測量瓦振的速度傳感器，機(jī)組配有TSI振動監(jiān)測系統(tǒng)。

圖2 軸振傳感器布置圖

2 振動現(xiàn)象

該機(jī)在升速過程及過臨界轉(zhuǎn)速時軸系各測點振動較好，定速3 000 r/min時5號軸承X向振動幅值為76μm、7號軸承X向軸振幅值為86μm，其余軸振小于60μm。完成一系列試驗后，機(jī)組開始升負(fù)荷運行。機(jī)組并網(wǎng)升負(fù)荷，至13：40機(jī)組負(fù)荷升至337 MW，之后到15：00期間機(jī)組負(fù)荷基本穩(wěn)定，由于機(jī)組#7軸承X向軸振幅值達(dá)131μm，在15：00后機(jī)組緩慢降低負(fù)荷。機(jī)組空負(fù)荷3 000 r/min時以及帶337 MW負(fù)荷時的軸系振動數(shù)據(jù)見表1。

表1 原狀態(tài)的軸系振動數(shù)據(jù)（幅值/μm，相位/°）

機(jī)組帶負(fù)荷期間7號、8號軸振趨勢圖如圖3、圖4。

圖3 7號軸振趨勢圖

圖4 8號軸振趨勢圖

3 振動分析

該機(jī)組啟動升速至3 000 r/min時5X、6X、7X、8X軸振的頻譜圖如圖5所示。

圖5 3 000 r/min空負(fù)荷時軸振頻譜圖

從圖可知各軸承的振動均以工頻振動為主，其它分量較小。由表1可知，機(jī)組帶負(fù)荷337 MW工況下，7X、8X軸振幅值較空負(fù)荷工況增大了50μm以上，其它軸振測點幅值變化小于20μm。從圖3、圖4可見，發(fā)電機(jī)7X、8X軸振通頻幅值與工頻幅值是同步增大的，即主要是由于工頻振動幅值增大致使軸振幅值增大。從趨勢圖看，隨機(jī)組負(fù)荷的增加，7X、8X軸振幅值逐漸增大，當(dāng)負(fù)荷穩(wěn)定后發(fā)電機(jī)軸振基本穩(wěn)定，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷減小時軸振幅值回落。

機(jī)組的主要振動特征歸納如下：

1）各軸承的振動均以工頻振動為主，其它分量較小。

2）在3 000 r/min空負(fù)荷時5X振動偏大，7X軸振超過76μm。

3）機(jī)組發(fā)電機(jī)軸振幅值隨負(fù)荷增加而增長，軸振與負(fù)荷有較強(qiáng)的相關(guān)性；發(fā)電機(jī)軸振增大期間汽輪機(jī)軸振幅值較穩(wěn)定。

從以上振動特征看，振動頻譜主要分量是工頻，可以排除軸承失穩(wěn)或軸瓦緊力不足等。當(dāng)振動以工頻為主時，從性質(zhì)上講，屬于不平衡引起的強(qiáng)迫振動。振動幅值大小與以下幾個因素有關(guān)：1）軸系的不平衡量及分布；2）與共振點的避開程度；3）支撐系統(tǒng)的剛度、阻尼。

由該機(jī)升降速過程中5X、7X軸振的Bode圖，可見機(jī)組在3 000 r/min附近軸振曲線變化較為平緩，無共振點。

如果機(jī)組熱態(tài)標(biāo)高變化很大，低、發(fā)轉(zhuǎn)子間軸承負(fù)荷分配變化，可能引起電機(jī)軸承油膜剛度減小，從而使電機(jī)軸承支撐系統(tǒng)的剛度、阻尼降低。該機(jī)帶負(fù)荷期間低壓缸真空度、排汽溫度、凝汽器水位都較穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)氫壓也較穩(wěn)定，可以確定6號軸承與7號軸承的標(biāo)高此期間不會出現(xiàn)較大變化。況且，如果低、發(fā)間兩軸承的標(biāo)高變化較大，那么汽輪機(jī)6號軸承的振動幅值也會有較大的變化，但事實是汽輪機(jī)5號、6號軸振幅值較穩(wěn)定。因此，該機(jī)組發(fā)電機(jī)軸振變化的主要故障原因不是標(biāo)高的影響。

正常情況下，機(jī)組軸系不平衡量在額定轉(zhuǎn)速下應(yīng)該比較穩(wěn)定，但如果發(fā)生轉(zhuǎn)子熱變形、轉(zhuǎn)動部件脫落或轉(zhuǎn)子靠背輪間滑移等情況，有可能發(fā)生不平衡量的改變。轉(zhuǎn)動部件脫落或轉(zhuǎn)子靠背輪間滑移發(fā)生時伴隨有振動突跳現(xiàn)象，而該機(jī)組發(fā)電機(jī)7號、8號軸振主要是隨負(fù)荷增加緩慢爬升的。極有可能的是轉(zhuǎn)子熱變形使軸系不平衡增大。

綜合以上分析，可以判定發(fā)電機(jī)7號、8號軸振隨負(fù)荷增加緩慢爬升過程與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱不平衡的演變過程吻合，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在熱不平衡是主要故障源。

導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱不平衡的原因主要有轉(zhuǎn)子匝間短路、冷卻通道不暢、轉(zhuǎn)子本體材質(zhì)不均等，它們都會引起振動隨勵磁電流或者有功的變化而增大或者減小。

匝間短路引發(fā)振動的特點是：隨勵磁電流的增減而增減，一旦斷開勵磁，振動馬上就會消失。但由于匝間短路引起的轉(zhuǎn)子熱變形，振動與勵磁電流間有時滯。由于消除匝間短路工作量很大，在允許范圍內(nèi)通常現(xiàn)場盡量采用動平衡的方法來減小振動，使之運行到下次周期性大修時再作處理。

通過對該機(jī)組發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家了解，該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在廠內(nèi)動平衡時未進(jìn)行過加熱試驗，由于熱彎曲產(chǎn)生的不平衡在制造廠家進(jìn)行平衡試驗時不會表現(xiàn)出來，只有在機(jī)組投運后才會發(fā)生。

現(xiàn)場處理發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的方法通常是首先檢查轉(zhuǎn)子冷卻介質(zhì)堵塞情況。如果確系冷卻介質(zhì)通道堵塞引起的熱彎曲振動，清理疏通后就可完全解決問題。如果是其它某種原因引起的，在現(xiàn)場很難徹底根治，主要采用動平衡的方法，使振動減小到運行可以容忍的情況。

綜合以上分析，確定處理措施：1）檢查電機(jī)冷卻介質(zhì)通道，并保證其暢通；2）現(xiàn)場動平衡減低軸系的不平衡量。降低軸系的不平衡量也是減小空負(fù)荷3 000 r/min時軸振幅值最有效的措施。

4 振動處理

經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)電機(jī)冷卻通路異常，決定采取現(xiàn)場動平衡方法降低該機(jī)組電機(jī)軸振幅值。若在電機(jī)轉(zhuǎn)子跨內(nèi)加重需要拆卸電機(jī)上端蓋以及密封軸承等，必須進(jìn)行排氫工作，周期較長。從該型號機(jī)組現(xiàn)場平衡的經(jīng)驗可知，在低發(fā)間靠背輪上加重可有效降低發(fā)電機(jī)軸振，但會明顯影響汽輪機(jī)B低壓轉(zhuǎn)子的軸振，鑒于此，經(jīng)分析后，選擇在汽輪機(jī)B低壓轉(zhuǎn)子末級葉輪平衡槽和低發(fā)間靠背輪平衡槽處加配重。通過一次現(xiàn)場動平衡后，機(jī)組啟動到3 000 r/min時的振動數(shù)據(jù)見表2。從表中數(shù)據(jù)看，電機(jī)7X、7Y、8X、8Y軸振有了很大的改善，汽輪機(jī)5X、5Y、6X、6Y軸振也有明顯減小，但5瓦、6瓦蓋振大于50μm。現(xiàn)場進(jìn)行了第二次平衡校正，在汽輪機(jī)B低壓轉(zhuǎn)子正、反末級葉輪平衡槽內(nèi)對稱加重200 g平衡塊，機(jī)組重新啟動到3 000 r/min，振動數(shù)據(jù)見表3。

表2 第一次加重后的振動值（幅值/μm，相位/°）

表3 第二次加重后的振動值（幅值/μm，相位/°）

從平衡后振動數(shù)據(jù)看，空負(fù)荷額定轉(zhuǎn)速時各測點的振動值優(yōu)良，考慮發(fā)電機(jī)軸振的熱變量，帶負(fù)荷后7X、8X軸振也不會超標(biāo)（小于125μm），另一方面，從一些相關(guān)文獻(xiàn)報導(dǎo)，有時發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的熱矢量與初始狀態(tài)的不平衡量相關(guān)，軸振的幅值小則熱矢量變小，因此，下一步工作是機(jī)組帶負(fù)荷運行，待掌握機(jī)組帶負(fù)荷至額定工況過程中的振動數(shù)據(jù)，若有振動超標(biāo)再給出適當(dāng)?shù)钠胶庹{(diào)整方案，利用機(jī)組正常停機(jī)機(jī)會實施，還可有效減少現(xiàn)場動平衡處理成本。機(jī)組帶負(fù)荷過程的振動見表4。

表4 機(jī)組帶負(fù)荷過程的振動（幅值/μm，相位/°）

掌握了機(jī)組帶全負(fù)荷過程中的振動數(shù)據(jù)，確定了動平衡調(diào)整方案，在低發(fā)間靠背輪聯(lián)接螺栓上加重1 kg，以及汽輪機(jī)B低壓轉(zhuǎn)子汽輪機(jī)側(cè)末級葉輪平衡槽內(nèi)加重420 g。利用機(jī)組正常停機(jī)機(jī)會，進(jìn)行了最終的動平衡加重，加重后機(jī)組定速3 000 r/min以及帶負(fù)荷過程中各測點軸振優(yōu)良，低壓缸瓦振也較好，機(jī)組帶600 MW工況時的振動見表5。通過動平衡措施較好地解決了該機(jī)的振動問題，保障了機(jī)組正常運行，該機(jī)檢修后軸系振動一直處于優(yōu)良水平。

表5 機(jī)組帶600 MW時的振動（幅值/μm，相位/°）

5 結(jié)論

通過對機(jī)組軸系振動數(shù)據(jù)和各運行參數(shù)的綜合分析，確定了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在熱變量是軸振隨負(fù)荷增加而增長的故障源。采用動平衡處理有效減小了軸系振動，保障了機(jī)組帶負(fù)荷正常運行。最終的動平衡調(diào)整方案利用了機(jī)組的正常起停機(jī)會，有效節(jié)省了處理成本。

機(jī)組的振動是一個很復(fù)雜的領(lǐng)域，振動故障產(chǎn)生的原因很多，不僅要關(guān)注振動數(shù)據(jù)，還要分析與軸系振動密切相關(guān)的一些參數(shù)，找出可能的故障源，確定正確的處理措施。該機(jī)的處理經(jīng)驗可為類似振動故障的診斷及處理提供參考。

[1]陸頌元.汽輪發(fā)電機(jī)組振動[M].北京:中國電力出版社，2000.

[2]施維新.汽輪發(fā)電機(jī)組振動及事故[M].北京:中國電力出版社，1998.

[3]周仁睦.轉(zhuǎn)子動平衡——原理方法和標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1996.

[4]屈梁生.機(jī)械故障的全息診斷原理[M]北京：科學(xué)出版社2007.7.