15 MW汽輪發電機組振動故障分析及處理

何慧軍

15 MW汽輪發電機組振動故障分析及處理

何慧軍

（杭鋼動力公司,浙江抗州310022）

針對杭鋼15 MW汽輪發電機組發生的振動異常故障,利用故障診斷技術進行分析，找出振動原因，并進行相應處理，確保了設備的安全穩定運行。

汽輪發電機組;振動;分析;處理

1 機組概況

汽輪發電機組的安全運行是發電廠正常生產運行的重點，而機組振動是直接反映機組安全運行的主要指標之一，振動是汽輪機常見故障，它嚴重影響了機組的正常運行。機組振動的誘因是多方面的，即可能是部件損壞，工況變化，也可能是設備加工質量、安裝質量等。因此，準確判明原因對故障的處理，提高機組的安全、穩定運行尤為重要。

杭鋼動力公司一熱電2#汽輪發電機組是由南京汽輪電機集團制造的單缸、沖動、抽凝汽式汽輪機，型號為C12-4.9/0.981-2,發電機型號QFW-15-2A。機轉臨界轉速1649 r/min,軸承處允許最大振動為臆35滋m，報警值60滋m。過臨界轉速時軸承處允許最大振動臆100滋m。汽輪機、發電機的轉子分別用兩道軸承支撐,其間用剛性聯軸器連接,勵磁機為懸臂布置（見圖1），1#~4#支撐軸承為圓筒形滑動軸承（1#為徑向支撐-軸向推力）,軸承的垂直方向安裝了振動傳感器在線監測各瓦的振動。

圖12 #汽輪發電機組軸系示意圖

2 振動特征

該機組自2005年1月投入使用至2013年，受生產因素制約未開缸大修過，已超廠家規定的大修期限。2013年4月，經協調該機組按計劃進行開缸大修，揭缸后發現1耀5級壓力級轉子葉片頂部的圍帶（約半圈）有2道0.8耀1.0 mm深,寬2 mm的刮痕，汽封齒略微磨損，前汽封齒有向前傾斜現象，汽機前、后軸瓦有不同程度的磨損，推力間隙0.85 mm。經檢修處理，5月20日開始試車，機組各瓦振動如表1所示，當負荷升至2000耀3000 kW時，2#軸瓦振動增大，隨著負荷逐漸增大該瓦振動有所減小，9000 kW以上振動降至43滋m，額定負荷（15 MW）下經10 h觀察，振幅略有波動，相位變化不大；降負荷至8000 kW后2#軸瓦振動有爬升；打閘停機轉速降至臨界轉速（1649 r/min）時振動達滿量程200滋m。在開機、帶負荷過程中，利用SKF便攜式數據采集器/FFT頻譜分析儀對機組各瓦的振動情況進行跟蹤和分析。

表1 機組各階段振動值滋m

3 原因分析

引起汽輪機組振動異常的原因是多方面的，包括設計、制造、安裝、檢修、運行等。經反復分析查找原因（操作原因、軸瓦間隙緊力、機組中心等）并消缺，機組2#、3#軸瓦振動從頻譜上看依然沒有減小，為少走彎路，首先對故障診斷每一步采用嚴密的正向推理。2013年6月9日記錄了升速并網加負荷至15 MW的全過程,其間還做了勵磁電流變化、凝汽器真空變化及汽機軸封汽變化等對振動影響的試驗。

依據該機組振動歷史、已做的消振工作和振動測試結果，對該機振動故障原因作如下推理和診斷。

3.1 振動性質

由圖2可知，不同工況下各軸瓦振動85%是基頻（1X），振動沒有突變。因此從振動性質來說屬于普通強迫振動。汽輪機振動頻譜主要是基頻，含有2X、3X分量，排除了半速渦動、油膜振蕩、汽流激振及松動的可能性（低頻分量1/2X、1/3X…）。如：汽流激振有兩個主要特征:出現較大量0.5X值的低頻分量；振動的增大受運行參數的影響明顯,如負荷,且增大應該呈突發性；半速渦動0.43耀0.48X，油膜剛度與軸瓦型式、頂隙、側隙、下瓦是否刮油囊等因素有關，檢修中更換了3#軸瓦，由于這些參數選取不當，會降低油膜剛度。

圖2 軸承振動頻譜圖

3.2 支撐動剛度

引起機組振動故障的原因主要是支撐動剛度不足和激振力過大。對軸瓦振動來說，支撐動剛度由結構剛度、共振、連接剛度三個要素組成。從3000 r/ min轉速下各軸瓦振動良好（見表1），可以排除支撐剛度不足。振動增大時，檢測軸承座連接剛度表明，各點差別振動均正常，由此可以排除軸承座連接剛度降低造成振動增大，2#軸瓦振動增大是激振力增大所致。輕微碰磨主要是工頻振動(1X),當嚴重碰磨時,除了工頻成分外還有其它的倍頻成分,如2X、3X等；當軸頸和軸瓦發生碰磨時,軸瓦的烏金溫度和回油溫度將會升高。

3.3 激振力

引起普通強迫振動的共有三種激振力，（1）轉子不平衡力；（2）軸系連接同心度和平直度偏差；（3）不均衡電磁力。

振動增大主要反映在汽輪機的1#、2#軸瓦上，而且在保持勵磁電流穩定時，振動仍然發生變化，由此可排除不均衡電磁力。

由3000 r/min軸系各軸瓦振動25滋m以下，同時也反復檢查確認，可以排除軸系連接同心度和平直度偏差。當2#軸瓦振動顯著增大時，3#軸瓦振動變化不大，由此可以排除因聯軸器與轉軸套裝緊力不足，在有功負荷改變時，使軸系連接同心度惡化引起的激振力。這里不能排除的只有轉子不平衡力，即由于機組工況的改變，造成汽輪機轉子的平衡惡化。軸瓦振動增大打閘停機，在汽輪機臨界轉速下，2#軸瓦的振動較啟動時顯著增大可以證明，汽輪機轉子平衡確實惡化了。而降至盤車轉速，經測量大軸的彎曲值較啟動時增大，可確認汽輪機平衡惡化是轉子熱彎曲所致。從以往多次啟動前在連續盤車2 h后，臨界轉速和3000 r/min轉速下振動都能復原，表明其平衡惡化是可逆的，由此可排除轉動部件損壞飛脫使汽輪機轉子平衡被破壞的可能。

3.4 轉子熱彎曲

由汽輪機轉子熱彎曲引起的強迫振動，不僅涉及故障范圍廣，也不是直觀所能理解的。在上述診斷結果的基礎上，下面將對引起汽機轉子熱彎曲的具體故障原因，進一步的推理、分析、診斷：

(1)轉軸內應力過大，材質不均。這是在轉子（包括電機）制造過程中形成的，機組已運行7年，應力在這之前應已釋放。如果汽輪機轉子引起熱彎曲，則當有功負荷減小后，瓦振動應逐步減小，但此時減負荷后振動卻逐步增大，顯然這種熱彎曲不是轉軸上內應力過大及材質不勻所致。

(2)套裝葉輪之間軸向間隙不足和不均。這種故障引起的轉子熱彎曲是在新蒸汽流量增大的一段時間內，因葉輪溫度高于轉軸，造成輪轂膨脹量大于轉軸，而把轉子頂彎。而當有功負荷穩定1耀2 h之后，特別是有功負荷減小后，振動會迅速降低，因此可排除這一故障。

(3)葉輪輪轂與轉軸之間存在徑向不對稱漏汽。因徑向漏汽不對稱，會對轉軸產生不對稱加熱或冷卻，使轉子產生熱彎曲，轉子熱彎曲值隨葉輪兩側壓差（有功負荷）增大而加大，負荷減小，振動應逐漸減小，也可排除這一故障。

(4)轉軸上套裝零件失去緊力。套裝零件失去緊力產生的直接不平衡可以忽略，但因套裝零件與轉軸存在較大溫差，它將對轉軸產生徑向不對稱加熱或冷卻，使轉子產生熱彎曲。這種故障產生的振動主要發生在冷態啟動和有功負荷迅速增大的一段時間內，負荷穩定1 h之后，振動便會消失。滿負荷下運行8 h振動未見減小，有功負荷減小，振動反而迅速增大，由此可排除這一故障。

(5)轉軸與水接觸。機組啟動、額定轉速和帶負荷下轉軸與水接觸，都會使軸振突然增大，這種情況在現場時有發生。水的來源除了進汽帶水、疏水不暢外，抽汽管止回閥前的積水在某一負荷下發生閃蒸，使冷汽帶水濺到高溫轉軸上，也會造成熱彎曲。發現軸封疏水管堵塞，割管疏通后，軸瓦振動均會減小。轉軸與水接觸引起的振動特征與2#軸瓦振動較為相似。但轉軸與水接觸引起的振動增大，打閘停機后通過轉子臨界轉速下振動不大，通過這次啟動，在3000 r/min轉速和帶負荷下對所有疏水管都進行了檢查，各疏水管閥之后的管子溫度均較高，說明有蒸汽通過。在滿負荷下運行8 h，各段蒸汽都已投入，止回閥早已打開，若有積水，也已消除。但降負荷和解列后，2#軸瓦振動仍有增大，由此表明引起振動的故障原因并非是轉軸與水接觸。

(6)轉軸碰磨。它是指間隙消失，動靜部件直接接觸，使轉子局部碰磨發熱引起彎曲，產生的振動取決于原始不平衡和碰磨熱彎曲的合成效應。可發生在啟動和額定轉速的任何工況下，轉軸碰磨引起的振動與目前2#汽輪機振動相似，依據碰磨發生部位和碰磨材料的不同，又分下列2種形式。

a.轉軸徑向碰磨。當軸頸和軸瓦發生碰磨時,軸瓦的烏金溫度和回油溫度將會升高;低轉速時在軸封或軸瓦處用聽針能聽到異常的聲音。這類碰磨主要是由于軸封徑向間隙過小、汽缸跑偏、上下缸溫差過大、轉子熱彎曲或振動過大等原因，使軸封間隙消失起的碰磨，是現場最常見的一種碰磨，這種碰磨一般經1耀2次大振動之后，軸封間隙即可磨大，碰磨振動便可降低或消失，特別是轉子通過臨界轉速存在大振動時，因轉子存在顯著撓曲，徑向間隙磨大應更顯著。而2#汽機在臨界轉速下大振動已發生4次，但從振動變化和幅值來看，未見好轉。從大修揭缸檢查來看，葉輪上留下0.8耀1mm磨痕，這種碰磨應該還是在臨界轉速下的大振動形成的，這臺機組當時應該在啟動時有過大的振動（通過調整墊鐵抬高0.30 mm軸瓦，已調整轉子與瓦窩及隔板中心），軸封略有卷邊（更換前后軸封），機組啟動時疏水不暢及膨脹不均勻；啟動過程中轉子熱彎曲但應該在經過2耀4 h的連續低速盤車，重新沖轉之后恢復正常，也就是轉子的彎曲已矯直。因此從多次大振動之后振動未見改善和揭缸檢查的結果分析，引起目前振動故障原因，并非轉軸徑向碰磨。

b.轉軸軸向碰磨。這類碰磨是由于隔板變形或安裝失誤，汽封齒與轉軸上汽封槽軸向間隙不足，轉子伸長或收縮時軸向間隙消失引起的轉軸碰磨。它所引起的振動與轉軸徑向碰磨振動基本相同，不同的是突發性振動持續時間較徑向碰磨時間長得多，而且振動增大后打閘停機通過轉子臨界轉速下會發生大振動，這兩點與2#機組振動十分吻合，因此這一故障不能排除。轉軸軸向碰磨引發的的突發性振動持續時間之所以長，有兩個原因：一是需要磨損量比徑向碰磨大得多，一般達1耀5 mm。二是發生大振動時碰磨和被碰磨部件之間的壓力，較徑向碰磨要小得多，加上汽封齒軸向剛度較徑向剛度要小，造成軸向間隙在碰磨過程中難以加大。在轉子臨界轉速下一般會發生大的振動，這是由于隨轉速降低，轉子會縮短，從而在降速過程中會加重軸向碰磨，使轉子熱彎曲進一步加增大。

依據引起汽輪機轉子各種彎曲故障特征與2#汽輪機振動特征的對比，由上述推理分析，基本確定引起故障的原因是轉軸軸向碰磨。

4 消振對策

針對上述診斷結果，結合現場實際，擬定消振對策將十分簡單，只要消除軸向碰磨即可。如何消除軸向碰磨，有兩種方法可以選擇：一是調整軸向間隙，二是磨大軸向間隙。

軸向碰磨由于碰磨之間軸向壓力較小，因而部件磨損很慢。磨大軸向間隙，消除轉軸軸向碰磨，是比較艱難的，要經過多次大振動。因此，采取磨大軸向間隙這一措施，機組將多次啟動、并網、帶負荷、解列、打閘停機、發生大振動，具有一定的安全隱患。大修時已更換了前、后軸封，碰磨的時間就更長。只有當振動增大打閘停機，利用轉子伸縮的特點，增加碰磨部件的軸向壓力，才能加速磨損。

根據汽輪機檢修中測得各動靜流通間隙的數據，為縮短工期，決定采用調整軸向間隙這一措施。

5 實施及效果

2#汽輪機采用綜合推力軸承，推力間隙的調整是改變非工作瓦塊安裝環后墊環的厚度，我們墊上0.5 mm的鋼片，調整推力間隙為0.35 mm（要求為0.3耀0.4 mm），往電機方向調整1#瓦軸向0.30 mm。由于3﹟軸瓦水平向存在2X、3X倍頻分量，其中3X分量換新瓦以后增大許多，只能是軸頸與烏金摩擦，說明不是很成功。全面檢查清洗滑銷系統，調整軸承座與臺板間的緊力及間隙過大的汽缸立銷,經過處理后的兩側間隙:一側為0.05 mm,另一側為0.01 mm。

通過幾次調整之后再次啟動，在滿負荷下，機組各軸瓦振動穩定，快速降負荷，振動爬升已很慢。停機通過臨界轉速下2#軸瓦振動已接近啟動時振幅70滋m，表明轉軸軸向碰磨已消除或很小。汽輪機后軸瓦32滋m、發電機前軸瓦振動保持在22滋m，1#和4#軸瓦15滋m，基本滿足機組運行的需求。至目前為止，機組正常運行中。

6 結語

我們揭缸時已發現汽封向前傾倒的現象，這是轉軸軸向碰磨的重要征兆，但當時沒有引起注意,應引以為鑒。檢修人員一定要細心、認真做好每一步檢修工作，避免因為檢修質量不過關而導致振動發生。利用狀態監測技術和頻譜分析,能夠確定設備的故障類型,制定出具有針對性的檢修方案,并能對機組存在的潛在隱患有所了解,為機組的正常運行提供有力的保障。

[1]張學延.汽輪機發電機組振動診斷[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]莽克倫，王正.現場設備故障診斷[M].湖南：湖南科學出版社，2009.

[3]施為新，石靜波.汽輪發電機組振動及事故[M].北京：中國電力出版社，2008.

Analysis and Treatment of Abnormal Vibration Problem in 15 MW Steam Turbo Generators

He Huijun
(The Power Company of Hanzhou Iron and Steel Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310022,China)

To solve the abnormal vibration in the 15 MW steam turbine generator unit of Hangzhou Steel,the problem was analyzed and the cause was found out using fault diagnosis technology.Relevant treatment was carried out,which ensured the safe and stable operation of the equipment.

steam turbine generator;vibration;analysis;treatment

TM311

B

1006-6764（2014）10-0053-04

2014-05-16

何慧軍（1979-），男，2003年7月畢業于東北電力學院熱能與動力工程專業，工程師，現從事動力公司機械類專業的大中修（含日常檢修維護）和技改工作。