300 MW供熱機組突發(fā)性振動分析及處理措施

董 曄

(河北華電石家莊鹿華熱電有限公司，石家莊 050200)

振動是汽輪發(fā)電機組健康狀況的重要指標，振動超標時會影響設(shè)備安全及正常生產(chǎn)，需要進行處理，現(xiàn)場主要采取停機檢修或加重的方式消除故障缺陷，但這種處理方式涉及面廣、工作量大，受現(xiàn)場人力、物力、工期、效益甚至社會影響等諸多因素的制約，因此不容易實現(xiàn)。在振動故障原因的基礎(chǔ)上，根據(jù)振動機理預(yù)判振動發(fā)展趨勢，通過采取合理的簡便控制措施經(jīng)常能達到滿意的效果，對某些振動故障來說是現(xiàn)場處理的有效手段。下面介紹某臺300 MW供熱機組出現(xiàn)的突發(fā)性振動特征及采取的運行控制措施，為類似振動故障的現(xiàn)場處理提供參考。

1 振動概況

某供熱機組為C300/220-16.7/0.3/537/537型沖動式、亞臨界、中間再熱、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機。汽輪發(fā)電機組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子及集電環(huán)轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子之間均采用剛性聯(lián)接。軸系由7個軸承支撐，汽輪機2個轉(zhuǎn)子為雙支承方式，發(fā)電機與集電環(huán)采用三支承。低壓轉(zhuǎn)子設(shè)計臨界轉(zhuǎn)速為1 750 r/min。

機組于2004年投產(chǎn)以來軸系振動一直較小，于2007年8月20日大修后啟動，運行正常，軸系振動在優(yōu)良范圍內(nèi)，連續(xù)運行5個月后于2008年1月20日供熱期內(nèi)首次出現(xiàn)突發(fā)性振動，持續(xù)約20 min后逐步消失，隨后于1月21日、22日再次出現(xiàn)，突發(fā)性振動有間隔時間縮短、持續(xù)時間逐次增長的惡化趨勢。振動增大后運行人員通過調(diào)整負荷、采暖抽汽、低壓軸封溫度等參數(shù)抑制振動并使振動恢復(fù)，但采取的措施關(guān)聯(lián)性、再現(xiàn)性不強，具有隨機性。如果不采取措施，振動則呈發(fā)散趨勢，振動幅值最大超過跳閘值，因此突發(fā)性振動出現(xiàn)后運行人員只能盲目調(diào)整運行工況，嚴重威脅著機組的安全運行及供熱區(qū)居民的正常生活。

2 振動測試分析

現(xiàn)場接入振動儀器后進行負荷、采暖抽汽、低壓軸封溫度等關(guān)聯(lián)參數(shù)調(diào)整試驗未能激發(fā)出振動，于是進行連續(xù)監(jiān)測，于2008年1月23日5:40捕捉到第四次突發(fā)性振動，當(dāng)時運行工況、參數(shù)穩(wěn)定，負荷240 MW、真空-98 kPa、低壓軸封溫度150 ℃、潤滑油溫度為39 ℃、供熱抽汽量120 t/h。

2.1 突發(fā)性振動特征

2.1.1 振動部位

突發(fā)性振動主要發(fā)生在低壓轉(zhuǎn)子，對相鄰?fù)哒駝佑幸欢ㄓ绊懀溆嗤卟▌虞^小，軸振變化遠大于軸瓦振變化。3號軸瓦振動變化量最大，測試時3號軸振由65 μm最大變化到148 μm,瓦振由16 μm最大變化到35 μm， 4號、2號、5號軸瓦振動變化依次減小。振動趨勢見圖1。

2.1.2 幅值相位特性

正常運行時低壓轉(zhuǎn)子振動一直小幅波動，在突發(fā)性振動發(fā)生前存在緩慢爬升趨勢，然后在幾十秒內(nèi)迅速增大到高位后大幅波動，經(jīng)調(diào)整運行工況振動逐步回落但存在反復(fù)，而整個過程振動工頻幅值、相位基本穩(wěn)定，見圖2。

圖1 振動趨勢

圖2 振動幅值相位趨勢

2.1.3 頻率特性

正常運行時存在幅值為4～6 μm的20 Hz低頻分量，突發(fā)振動時該20 Hz低頻分量成為主頻，其它頻率分量穩(wěn)定，振動Waterfall圖見圖3。

圖3 振動Waterfall示意

2.1.4 軸心軌跡

振動突發(fā)時軸心軌跡發(fā)生畸變，正常運行時為不規(guī)則的橢圓形，突發(fā)性振動后呈現(xiàn)多重交叉的8字形，軸心軌跡圖見圖4。

圖4 振動軸心軌跡

2.1.5 現(xiàn)場檢查

振動增大時現(xiàn)場聽到明顯的“咚咚”聲；3號軸瓦頂軸油壓力只有0.5 MPa，較其它瓦明顯偏低；3號軸瓦溫較相鄰?fù)叩?號軸瓦溫度明顯偏低，最大相差32 ℃。

2.1.6 升降速振動特性

某次熱態(tài)啟動過程中低壓轉(zhuǎn)子在1 200 r/min出現(xiàn)振動峰值，相位變化劇烈，與突發(fā)性振動的主頻率相對應(yīng)，而在設(shè)計值1 750 r/min附近沒有出現(xiàn)明顯臨界特性，見圖5。

圖5 低壓轉(zhuǎn)子振動BODE

2.2 原因分析

由振動性質(zhì)分析3號軸瓦發(fā)生了油膜失穩(wěn)，且處于失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，表明軸瓦穩(wěn)定性降低，因此對外界干擾比較敏感。

正常運行時軸頸上的載荷、油膜壓力及阻尼力保持平衡，軸頸在軸承內(nèi)繞其中心高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)外界存在的各種擾動使軸頸離開平衡位置產(chǎn)生初始偏移時，油膜變形將產(chǎn)生一個沿變形方向的彈性恢復(fù)力和一個垂直于變形方向的切向分力，這個切向分力就是破壞軸頸在軸承內(nèi)的穩(wěn)定性引起渦動的失穩(wěn)分力，一旦發(fā)生渦動以后因為整個轉(zhuǎn)子在圍繞平衡位置渦旋使失穩(wěn)分力更大，增大的切向力進一步推動軸頸渦動，愈演愈烈[1]。由于受到阻尼力的約束，渦動幅度不會無限放大，決定于失穩(wěn)力輸入能量與阻尼力消耗能量的平衡，二者失衡時造成渦動幅度的收斂或發(fā)散，二者平衡時則處于失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，表現(xiàn)為振動的隨機性、突發(fā)性、可控性以及對運行參數(shù)的敏感性[2]。

軸瓦穩(wěn)定性是滑動軸承的動特性，除與軸瓦型式有關(guān)外，還與軸頸在軸瓦中的位置有關(guān)，即決定于軸頸中心與軸瓦中心之間偏心距e的大小，e越大穩(wěn)定性越好。

(1)

式中：P為比壓；ψ為軸承相對間隙；μ為潤滑油動力粘度；ω為轉(zhuǎn)速。由式(1)看出，軸瓦的穩(wěn)定性與軸瓦參數(shù)、載荷、潤滑油及轉(zhuǎn)速有關(guān)。

現(xiàn)場檢查，軸瓦工藝參數(shù)、聯(lián)軸器中心偏差等檢修數(shù)據(jù)均在規(guī)程要求范圍內(nèi)，振動突發(fā)時運行工況基本穩(wěn)定，但根據(jù)瓦溫、頂軸油壓力、實測臨界轉(zhuǎn)速值等數(shù)據(jù)分析，3號軸瓦載荷較小，影響系統(tǒng)動力特性，一方面使軸系臨界轉(zhuǎn)速降低，另一方面系統(tǒng)阻尼及轉(zhuǎn)子渦動轉(zhuǎn)速同步下降，如果渦動頻率接近轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時渦動振幅共振放大極易發(fā)散產(chǎn)生強烈振動。該機組冷態(tài)找中心時預(yù)留一定的偏差量(中低對輪設(shè)計值為低側(cè)高0.38 mm)以補償熱態(tài)下軸承標高的變化，使機組運行中軸系保持平滑曲線，但實際運行中由于低壓轉(zhuǎn)子座缸式軸承受真空影響較大，而2號軸承靠近中壓排汽缸受其熱輻射影響使軸承升高較多，現(xiàn)場標高偏差實測超過0.5 mm，超過預(yù)留的偏差量，造成3號軸瓦輕載，使其處于失穩(wěn)的邊緣，易發(fā)生油膜失穩(wěn)。

3 處理措施

據(jù)該機突發(fā)性振動性質(zhì)及檢查結(jié)果分析，消除突發(fā)性振動的途徑主要從提高3號軸瓦的穩(wěn)定性著手。軸瓦穩(wěn)定性除了與軸瓦型式有關(guān)外，與載荷、間隙比呈遞增關(guān)系，與轉(zhuǎn)速、潤滑油粘度呈遞減關(guān)系，因此可以采取以下措施。

a. 改變軸瓦參數(shù)：可通過更換穩(wěn)定性好的軸瓦型式、下瓦開槽、減小軸瓦長徑比、減小軸承頂部間隙增加橢圓度等實現(xiàn)。

b. 提高軸瓦載荷：可通過調(diào)整軸承座標高來實現(xiàn)，即通過加(減)墊片調(diào)高(低)載荷低(高)軸承的標高。依據(jù)傳遞矩陣法計算得出的各瓦標高變化0.1 mm對3號軸瓦載荷的相對影響見表1，可看出調(diào)整3號瓦標高影響載荷最敏感。

表1 各軸瓦標高調(diào)整0.1 mm對3號軸瓦載荷的影響

軸承號1號2號3號4號載荷影響0.5%9.7%11.8%4.2%

c.降低潤滑油粘度：可通過關(guān)小冷卻水門提高進油溫度來實現(xiàn)。

考慮到現(xiàn)場條件及各處理手段的可操作性，確定先提高潤滑油溫運行、再利用檢修機會調(diào)整軸瓦標高的處理方案。隨后將潤滑油溫提高至運行上限值45 ℃后，振動逐漸恢復(fù)并一直穩(wěn)定運行。

4 結(jié)束語

通過運行過程控制消除振動故障是現(xiàn)場振動處理的有效手段之一，可大大簡化現(xiàn)場處理過程而且效果明顯，通過調(diào)整油溫抑制油膜失穩(wěn)造成的突發(fā)性振動是現(xiàn)場較為實用的手段。但這種處理方式也存在較大的責(zé)任和風(fēng)險，也不能消除振動根源，因此宜作為現(xiàn)場處理振動的首選輔助措施。基于上述分析，該機組于2008年9月檢修時將3號軸瓦標高抬高0.1 mm 并將油溫恢復(fù)正常范圍，修后2號、3號軸瓦溫由修前的70 ℃/82 ℃、55 ℃/50 ℃變?yōu)?7 ℃/72 ℃ 、64 ℃/58 ℃，溫差趨于合理，運行至今沒有再發(fā)生突發(fā)性振動故障。

參考文獻：

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

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