50MW發(fā)電機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)原因分析與處理

何楊柯

(中國(guó)石化股份有限公司九江分公司，江西 九江 332004)

1.概述

某國(guó)產(chǎn)50MW發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)為高壓、單缸、單軸、雙抽汽、沖動(dòng)冷凝式汽輪機(jī)組；配套QFJ-60-2 10.5KV型號(hào)發(fā)電機(jī)，使用靜止勵(lì)磁裝置。2013年初機(jī)組試運(yùn)行，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸振動(dòng)值過(guò)高導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)。機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1

2.振動(dòng)特征及測(cè)量數(shù)據(jù)

(1)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)特征

機(jī)組升速過(guò)程中轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定，過(guò)臨界轉(zhuǎn)速1 442r/min時(shí)振動(dòng)較大。轉(zhuǎn)速達(dá)到2 200r/min后，2#軸承的振動(dòng)達(dá)到130μm報(bào)警值，轉(zhuǎn)速2 800r/min后2#軸承的振動(dòng)值起伏波動(dòng)，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性變差，機(jī)組在3 000r/min上運(yùn)行只維持了很短時(shí)間。由于2#軸承振動(dòng)持續(xù)升高、超過(guò)150μm導(dǎo)致停機(jī)，跳車后該軸振動(dòng)持續(xù)上升并超過(guò)200μm。軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 汽輪機(jī)軸振動(dòng)數(shù)據(jù)

(2)發(fā)電機(jī)4#軸承座振動(dòng)特征

發(fā)電機(jī)軸承座在升速過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)振，4#軸承座在1 200r/min時(shí)軸向振動(dòng)速度通頻值為1.78mm/s，有100Hz頻率分量為1.38mm/s，100Hz頻率分量占通頻值的77%為主要頻率成份。

轉(zhuǎn)速超過(guò)2 800r/min后，軸向振動(dòng)100Hz分量迅速增大為主要成份。轉(zhuǎn)速3 000r/min時(shí)，4#軸承座軸向振動(dòng)最大值振動(dòng)值為20mm/s，遠(yuǎn)大于徑向的振動(dòng)速度。振動(dòng)頻率主要成份為2倍頻分量為19mm/s，1×分量1mm/s，2×分量占通頻值95%(表2)，發(fā)電機(jī)4#軸承座在軸向存在約100Hz頻率響應(yīng)。加勵(lì)磁電流，對(duì)軸承座軸向振動(dòng)影響很小。

表2 3 000r/min時(shí)4#軸承座振動(dòng)速度 mm/s

在固定轉(zhuǎn)速下，4#軸承座軸向振動(dòng)位移從底部到頂部線性增大(表3)。

表3 3 000r/min時(shí)4#軸承座軸向振動(dòng)位移 μm

3.故障分析與對(duì)策

(1)2#軸承座承受熱應(yīng)力變形

2#軸承與3#軸承并列在機(jī)組中部，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用剛性連接，2#軸承座與后汽缸為鋼板焊接的一體結(jié)構(gòu)，剛度較低。汽輪機(jī)的膨脹死點(diǎn)位于2#軸承座，缸脹時(shí)的軸向推力與地腳螺栓形成力矩，因此機(jī)組升溫過(guò)程缸脹程度不均，使軸承座發(fā)生偏移或傾斜，影響軸承座標(biāo)高與軸瓦的載荷。現(xiàn)場(chǎng)機(jī)座打表監(jiān)測(cè)顯示汽輪機(jī)北側(cè)膨脹快于南側(cè)，缸體受摩擦阻力向北偏。

汽輪機(jī)抽真空后會(huì)降低排汽溫度，使排汽管道熱脹量縮小，管道回縮會(huì)對(duì)汽缸產(chǎn)生反作用力。凝汽器真空度下降到-90kPa時(shí)，低壓缸的排汽溫度降到68℃。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，2#軸承座底部下降0.15mm，2#軸承的軸振動(dòng)從137μm升高到180μm。

由于2#軸承結(jié)構(gòu)為橢圓瓦，沒(méi)有自定位能力，這樣機(jī)組的膨脹與對(duì)中精度的變化使汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)兩轉(zhuǎn)子同心度與平直度發(fā)生變化。從圖2上看2#軸承軸心軌跡較扁，在頻譜上2#軸承的殼體振動(dòng)頻譜主要增高的頻率成份為2倍頻分量，故障特征與現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)子對(duì)中不良實(shí)際相吻合，故機(jī)組對(duì)中不良是使2#軸承轉(zhuǎn)子振動(dòng)值升高的一個(gè)原因。對(duì)策是將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸承中心降低0.15mm。

(2)發(fā)電機(jī)軸承座振動(dòng)

發(fā)電機(jī)4#軸承振動(dòng)工頻很小，轉(zhuǎn)子自身的不平衡量對(duì)振動(dòng)影響不大。分析發(fā)電機(jī)4#軸承軸向振動(dòng)，從機(jī)組開(kāi)始升速，發(fā)電機(jī)軸承座的軸向振動(dòng)頻譜中出現(xiàn)100Hz頻率響應(yīng)。轉(zhuǎn)速接近3 000r/min時(shí)，4#軸承的軸向振動(dòng)迅速增高達(dá)到20mm/s，遠(yuǎn)大于徑向振動(dòng)。振動(dòng)值增高主要是100Hz分量頻率成份的增大。

在升速過(guò)程中軸承座的軸向振動(dòng)2倍頻分量不明顯，施加勵(lì)磁電流前后軸向振動(dòng)無(wú)明顯變化，且發(fā)電機(jī)使用靜止勵(lì)磁裝置，可以排除軸向不平衡電磁力引起軸向振動(dòng)的可能。

該機(jī)組為新安裝機(jī)組，基礎(chǔ)施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)，可以排除軸承座墊鐵滑移、墊片不平，軸承座連接螺栓松動(dòng)、軸承座底座與基礎(chǔ)臺(tái)板接觸不均勻等不良情況。現(xiàn)場(chǎng)檢查軸承座下基礎(chǔ)二次灌漿層良好無(wú)松裂，可以排除上述情況引起軸承座支撐剛度不對(duì)稱的可能性。

綜上所述，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)軸承座軸向振動(dòng)的可能原因是發(fā)電機(jī)軸承座在軸向存在100Hz的自振頻率。并且軸承座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，剛度較小，使軸承座在3 000r/min轉(zhuǎn)速時(shí)軸向振動(dòng)很大。

考慮到引起機(jī)組跳車的原因是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)值過(guò)高，發(fā)電機(jī)軸承座振動(dòng)值升高主要發(fā)生在軸向而不是徑向，屬于軸承座自身振動(dòng)特性。所以通過(guò)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)、加大質(zhì)量途徑改變軸承座的自振頻率是可行有效的方法。

在機(jī)組軸振動(dòng)全部達(dá)標(biāo)后，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)同時(shí)發(fā)電機(jī)軸承座軸向振動(dòng)大仍然不變，說(shuō)明發(fā)電機(jī)軸承座軸向振動(dòng)不是機(jī)組跳車的主要原因。

(3)球面瓦軸承卡澀

發(fā)電機(jī)球面瓦設(shè)計(jì)要求為球徑方向間隙為0.00~0.04mm，以保證球面軸承的自定位功能保持軸承的承力中心穩(wěn)定。但是安裝時(shí)在球面施加了過(guò)大的緊力，使軸瓦發(fā)生卡澀而失去了自定位功能，不能適應(yīng)轉(zhuǎn)子彎曲的變化，從而將軸向力傳遞給軸承座。采用對(duì)應(yīng)措施是將球面緊力去除，使球面徑向間隙達(dá)到0.00mm。實(shí)施后發(fā)電機(jī)軸承座軸向振動(dòng)保持原值無(wú)明顯變化，排除了球面瓦軸承卡澀故障。

(4)轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性差

在開(kāi)機(jī)沖轉(zhuǎn)過(guò)程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性較差，2#軸承的軸振動(dòng)超過(guò)130μm后振動(dòng)棒值在高位波動(dòng)。2#軸承結(jié)構(gòu)為二層圓柱面結(jié)構(gòu)的橢圓瓦軸承，尺寸為瓦徑325mm、瓦長(zhǎng)260mm。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)軸瓦頂隙0.47mm、側(cè)隙0.8mm。對(duì)應(yīng)2#軸承的軸振動(dòng)值X向最大的情況，采用在對(duì)應(yīng)部位南邊的瓦枕下加0.05mm墊片，起到了增加穩(wěn)定性的作用，使2#軸承的振動(dòng)棒值最高達(dá)到130μm后保持穩(wěn)定、不再升高。

4.結(jié)語(yǔ)

分析振動(dòng)產(chǎn)生的原因后，采用對(duì)應(yīng)措施后，收到良好效果。機(jī)組暖機(jī)升速過(guò)程中，過(guò)臨界十分平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速到3 000r/min后，2#軸承的振動(dòng)棒值穩(wěn)定在130μm，機(jī)組在振動(dòng)值高位上維持穩(wěn)定。隨著汽輪機(jī)缸體充分膨脹均勻后，工況轉(zhuǎn)向良好，軸系轉(zhuǎn)子振動(dòng)全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求，發(fā)電機(jī)各項(xiàng)電氣試驗(yàn)逐一完成，機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

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