某1000MW發電機轉子振動故障的診斷及治理

謝 江，吳華盛

(廣東惠州平海發電廠有限公司，廣東 惠州 516363)

0 引言

某電廠2 號機組系上海電氣集團引進德國西門子公司技術生產的超超臨界、1 000 MW 汽輪發電機組，汽輪機型號為N1000-26.25/600/600(TC4F)，配備THDF125/6 型、水/氫/氫冷卻方式的發電機，采用機端自并勵磁方式。

該機組于2011年4月投入商業運行。自試運行開始，就發現發電機的振動會隨負荷的增長而快速攀升，至額定負荷工況下最大軸振超過200 μm，已接近或達到西門子公司規定的軸系振動停機值，因而急需采取相關措施保證機組安全運行。現根據機組振動特點，分析振動故障的原因，制定現場熱態動平衡方案。

1 軸系簡介和振動概況

機組軸系由高壓(HP)轉子、中壓(IP)轉子、低壓(LP1，LP2)轉子、發電機(GEN)轉子、勵端(EXC)小軸以及8 個支持軸承構成。除高壓轉子為雙支撐外，中壓轉子和2 根低壓轉子是單支撐，發電機轉子和勵端小軸是3 支撐結構。機組軸系結構如圖1 所示。

圖1 機組軸系結構

2011年1月，2 號機組首次并網試運行期間，在定子出線盒內發生出線端三相短路故障。受三相短路故障影響，轉子繞組出現接地故障，經制造廠處理后于2011-04-21 開始168 h 試運行。在試運行期間，7 號軸振就達到了振動報警值。在隨后的運行中，7 號軸振又有一定的攀升。機組部分軸承的具體振動特征如下。

(1)定速、空載時，7，8 號軸承的最大軸振約為70 μm。隨著負荷的增大，7，8 號軸振均有大幅攀升；至額定負荷工況下，7，8 號軸承最大軸振分別達200 μm 和130 μm。

(2)7，8 號軸振存在明顯的熱變量。在某一負荷工況穩定運行后，振動還會逐步攀升，直至幾個小時后才恢復穩定；且振動還具有較好的重復性。

(3)與7，8 號軸振相似，6 號軸振也存在明顯的熱變量。但由于其在不同工況下的振動相位變化較大，使空載及各負荷工況下其振動幅值均處于較低的水平。

(4)6 ～8 號軸振及其振動波動成分均以基頻分量為主。

2 振動原因分析

由振動特征可以看出：6～8 號軸振均存在較大熱變量，且該振動熱變量以基頻成分為主，另外考慮到發電機接地故障前，8 號軸振良好，說明勵端小軸本身平衡狀況良好。因此，引起6～8 號軸振熱變量大的主要原因可能為發電機轉子本身的熱彎曲或大負荷工況下發勵對輪連接狀況不良。

2.1 發電機轉子熱彎曲的原因分析

引起發電機轉子熱彎曲的原因有: 轉子材質問題、冷卻系統故障、轉子線圈膨脹受阻和匝間短路。

2.1.1 轉子材質問題

考慮到2 號發電機轉子繞組曾出現接地故障，轉子局部位置曾經歷了短路引起的高溫作用，有可能引起發電機轉子的材質不均。

另外，根據轉子出廠動平衡試驗的結果(見表1)，2 號發電機轉子受熱后存在明顯的熱彎曲，其中測點D 的振幅變化量達到77 μm；如果計及振動相位的影響，其振動熱變量將更大。這也反映了2 號發電機轉子存在材質不均的狀況。

表1 2 號發電機轉子出廠動平衡試驗數據(通頻) μ m

2.1.2 冷卻系統故障

對于氫內冷的發電機而言，通風孔是轉子熱交換的主要風路通道。如果發生通風孔變形、被雜物堵塞等引起通流面積減小的情況，將破壞轉子冷卻的對稱性，使轉子橫截面的溫度不對稱，進而引起熱彎曲。

該故障的最大特點是：隨著氫溫的升高，發電機轉子的冷卻效果變差，轉子不對稱冷卻程度相對減小，最終使得振動減小。但從振動特征可判斷：2 號發電機轉子振動波動與氫溫變化無關。

2.1.3 轉子線圈膨脹受阻

發電機的磁場是由轉子繞組的勵磁電流建立的，勵磁電流通過繞組并使線圈發熱，線圈發熱后向兩端膨脹。在旋轉過程中，線槽中的線圈在巨大的離心力作用下緊貼在槽楔和護環的內壁，導致結合面存在較大摩擦力，阻礙線圈膨脹。膨脹受阻的線圈將產生一個反作用力，并通過槽楔和護環作用在轉子上，使得轉子發生彎曲。

由于轉子電流越大，線圈膨脹量就越大，因此這種振動總體上與電流大小有關。但由于摩擦力的存在，線圈受熱和冷卻后的變形都會受到阻礙，都可引起轉子的彎曲。因此，當轉子電流增加后，振動上升；當電流恢復到初始狀態時，振動往往更高。但實際2 號發電機轉子的振動重復性較好，這顯然與轉子線圈膨脹受阻造成的振動特征不相符。

2.1.4 匝間短路

發電機匝間短路時，轉子局部溫度可達到1 000 ℃以上，這將破壞轉子溫度分布的對稱性，引起轉子的熱彎曲。該故障的主要特征是：在機組負荷不變的情況下，隨著勵磁電流的增加，轉子線圈發熱量增大，其溫度上升的不對稱性也增大，使得轉子熱彎曲也越明顯，進而引起更大振動。

相關電氣試驗結果表明該發電機轉子可能存在匝間短路，但從2 號發電機轉子勵磁電流的試驗結果(見表2)來看，其振動隨勵磁電流的增大而變化的幅度有限。

表2 2 號發電機軸振隨勵磁電流變化數據

2.2 發勵對輪連接狀況不良的原因分析

對輪是連接2 根轉子的部件，依靠對輪螺栓或對輪結合面的摩擦力將一根轉子的扭矩傳遞給另一根轉子，因此安裝時要求螺栓具有一定的緊固力矩。如果對輪連接狀況不良，將使對輪傳遞的扭矩不均勻，進而產生擾動力引發振動。該故障最大的特點就是振動隨負荷而變化，且沒有時滯。這與7 號軸振波動特征相符。另外，如果發電機轉子存在明顯的熱彎曲，將使聯軸器在熱態工況下的端面瓢偏增大，最終也會導致發勵對輪連接狀況不佳。

綜上所述，2 號發電機轉子振動故障的原因為轉子材質不均和發勵對輪連接狀況不良。

3 現場熱態動平衡治理

該發電機轉子熱變量很大(見表3 序3)，盡管現場動平衡實現難度較大，但由于工期限制，2 號機組暫時沒有長時間的停機檢修機會；以及在空載及各負荷工況下，7，8 號軸振均以基頻分量為主，因此，決定對2 號發電機轉子進行現場熱態動平衡治理，并在動平衡治理方案的計算中，綜合考慮空載及額定負荷工況下的振動情況，重點是把定速、空載工況下的振動幅值適當增大、相位拉反，以補償大負荷工況下的振動熱變量。

2013年9月，在2 號發電機組停機消除鍋爐缺陷期間，實施了熱態動平衡治理方案。現場在發勵對輪及勵端小軸上分別加重2 980 g和1 130 g后，7，8 號軸振大幅降低，較好地兼顧了空載及額定負荷工況下振動的分配，使各負荷工況下的振動均達到相對理想的狀況，具體如下。

(1)在定速、空載工況下，將7 號軸振幅值適當放大，振動相位與加重前額定負荷工況下的振動相位相反(見表3 序4)，完全達到預期計劃，也為補償大負荷工況下的振動熱變量打下良好基礎。

表3 2 號發電機振動熱變量數據(基頻∠相位)μm∠°

(2)由于該機組所處地域供電緊張，機組通常帶大負荷運行，因此在治理方案的加重計算中優先考慮降低大負荷工況下的振動。7 號軸振治理前的熱變量約為180 μm，現場加重后空載及額定負荷工況下的振動約為110 μm 和70 μm，使各負荷工況下的振動均達到相對理想狀況(見表4)。

表4 加重后2 號發電機振動數據(通頻)μm

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