1000MW機組軸瓦異常振動問題的分析與解決

韓有陽，陳思寧

(江蘇新海發(fā)電有限公司，江蘇連云港222000)

某電廠1號機組系上海電氣集團引進德國西門子技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪發(fā)電機組，額定容量1030MW。汽輪機型號為N1000-26.25/600/600（TC4F），發(fā)電機型號為THDF125/67。該機組于2012年11月24日投入商業(yè)運行。

2013年3月，1號軸承瓦振偶爾出現(xiàn)波動，4月波動現(xiàn)象開始較為頻繁出現(xiàn)，多次發(fā)生振動突跳現(xiàn)象，軸振動幅值大幅爬升，并且分別于5月8日、7月10日和10月23日因1號軸承瓦振超過跳機值引發(fā)3次跳機。此問題的存在嚴重影響了機組運行的安全性和可靠性。在2013年12月開始的機組首次A級檢修中，公司工程技術(shù)人員在前期充分、細致的準備工作基礎(chǔ)上，通過設(shè)備檢修徹底解決了這一重大缺陷，保證了機組的安全、穩(wěn)定運行。

1 機組簡介

西門子1000MW機組軸系由高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、2根低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子和勵磁機轉(zhuǎn)子及相應(yīng)的8個支持軸承組成。軸系中高壓轉(zhuǎn)子為雙支撐結(jié)構(gòu)，中壓轉(zhuǎn)子和2根低壓轉(zhuǎn)子都是單支撐結(jié)構(gòu)，發(fā)電機和勵磁機轉(zhuǎn)子是三支撐結(jié)構(gòu)。 汽輪機軸承都是橢圓瓦落地軸承，發(fā)電機軸承是端蓋軸承。機組的軸系結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[1]。

圖1 機組軸系結(jié)構(gòu)示意圖

2 異常振動情況及相關(guān)分析

2.1 第一階段

2.1.1情況經(jīng)過

2013年4月9日08∶35聯(lián)系省調(diào)退AGC，機組逐漸帶負荷至1028MW，09∶33監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)1號瓦瓦振由3 mm/s突跳至9.3mm/s，（軸振同步上升至113μm），立即降低機組負荷，派人至現(xiàn)場檢查，1號瓦聲音明顯異常，09∶38負荷降至1001MW，瓦振回落至正常值，略微停頓又開始突升（瓦振最高單點至11.4μm/s，軸振最大129μm），繼續(xù)降低機組負荷，現(xiàn)場1號瓦聲音明顯異常，測振動70μm，1號瓦油膜壓力降至1MPa（原始值5MPa），負荷降至969MW，振動回落至正常穩(wěn)定，1號瓦油膜壓力回升至5MPa，異音消失。瓦振穩(wěn)定后試帶機組負荷，振動仍上升。

2013年4月20日21∶41 1號機在AGC狀態(tài)，負荷1000MW，主汽壓力26.8MPa，其他各參數(shù)均正常，監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)1號瓦瓦振1由2.9 mm/s突跳至12.1 mm/s，瓦振2由3.0mm/s突跳至11.1mm/s，軸振同步上升至143μm，立即退AGC降低機組負荷，派人至現(xiàn)場檢查1號瓦有異聲，21∶43瓦振回落至正常值，聲音消失，負荷降至950MW投AGC。22∶41 1號機在AGC狀態(tài)，負荷950MW，監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)1號瓦瓦振1由3.1 mm/s突跳至10.4mm/s，瓦振2由3.1mm/s突跳至9.9mm/s，軸振同步上升至148μm，立即退AGC降低機組負荷，派人至現(xiàn)場檢查1號瓦有異聲，21∶43瓦振回落至正常值，聲音消失，負荷降至880MW。

2.1.2事后分析

（1）2013年4月9日首次出現(xiàn)1號軸瓦異常振動后，對補汽閥進行檢查，確認補汽閥處于關(guān)閉狀態(tài)、未有動作，為確保機組運行期間補汽閥不發(fā)生誤動，將補汽閥EH進油門關(guān)閉。但4月20日依然再次出現(xiàn)1號軸瓦異常振動，故基本可排除補汽閥問題。

（2）振動突變時，低頻量（25Hz左右）突增。在振動未突變時，1號瓦也在一定范圍內(nèi)波動，其原因為存在低頻量。2014年4月9日在振動突然增大前，1號瓦X方向軸振0.5倍頻 （25Hz）在7～45μm范圍內(nèi)波動，在突變后1號瓦X方向軸振0.5倍頻在78～101 μm間波動，振動增大成分主要是低頻成分（25Hz），同時工頻振動也有一定的增大，在突變消失后1號瓦X方向軸振0.5倍頻又變成在7～30μm間波動。4月20日1號軸瓦異常振動時的頻譜圖，如圖2所示。

圖2 4月20日1號軸瓦異常振動時頻譜圖

由圖2可知，在4月20日1號軸瓦振動突然增大時，1號軸瓦的頻譜分析中存在較大的25Hz分量。

從機組正常運行1號瓦軸振等存在低頻量，且振動突變時也主要是低頻量突增等現(xiàn)象，分析機組異常振動原因為1號瓦油膜失穩(wěn)或高壓轉(zhuǎn)子汽流激振，但考慮到高壓缸對稱進氣，汽流激振可能性較小（制造廠認為不可能是汽流激振）。

① 汽流激振。在高參數(shù)、大容量，尤其是超臨界汽輪機的高壓轉(zhuǎn)子中，因汽隙（葉頂間隙和汽封間隙）的不均勻會引起附加的蒸汽力作用，它可以影響軸系的穩(wěn)定性，使失穩(wěn)轉(zhuǎn)速降低。另外對于噴嘴調(diào)節(jié)的汽輪機，在某些負荷工況，因部分進汽改變軸承的動特性，也會導致軸承失穩(wěn)。從汽流激振故障源來說，是由于轉(zhuǎn)子與汽缸中心偏差，從而產(chǎn)生2種激振力，一是密封腔室內(nèi)徑向壓力分布不均；二是轉(zhuǎn)子徑向扭矩不平衡[2]。

② 油膜渦動。油膜渦動是轉(zhuǎn)子中心繞軸承中心轉(zhuǎn)動的亞同步現(xiàn)象，其回轉(zhuǎn)頻率即振動頻率約為轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)頻率的一半，所以常稱為半速渦動。通常油膜本身以略低于50%頸表面速度的平均速度環(huán)繞軸頸轉(zhuǎn)動，潤滑和冷卻軸承，軸浮在油膜之上，略偏離垂直線，略高于軸承給定的穩(wěn)定姿態(tài)角和偏心距處。這個抬起量與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子重量和油膜壓力有關(guān)。如果軸受到諸如突然沖擊或外部沖撞等干擾力，可能瞬間增大相對于某平衡位置的偏心。在這種情況下，附加的油立即被泵打入被軸弄空的空間中。這就導致負載油膜壓力的增加，在油膜與軸之間產(chǎn)生附加的力。則油膜實際上推動軸在向前的圓周運動中前進，促使轉(zhuǎn)子繞軸承中心以0.40x到0.48x轉(zhuǎn)速頻率回轉(zhuǎn)。如果系統(tǒng)中有足夠的阻尼，軸可能返回到它的正常位置并且穩(wěn)定。否則，軸將繼續(xù)它的渦動運動，進而產(chǎn)生劇烈的振動[3]。

要消除低頻量，只能增加軸瓦穩(wěn)定性，提高軸瓦抗失穩(wěn)能力。采取措施一般為提高1號瓦承載（提高1號瓦標高）；檢查軸瓦間隙、緊力情況；適當縮小軸瓦頂隙，增大軸瓦側(cè)隙。

2.1.3措施

（1）運行人員采取措施，降低高缸兩側(cè)的調(diào)門進汽差異。

（2）確保軸承進油量、油溫正常。

（3）為確保機組運行期間補汽閥不發(fā)生誤動，將補汽閥EH進油門關(guān)閉.

（4）運行人員發(fā)現(xiàn)4號、5號軸瓦的頂軸油模塊逆止門不嚴，懷疑4號、5號軸瓦的頂軸油進入1號軸瓦造成1號軸瓦異常，于5月1日1號機組開機后將4號、5號軸瓦的頂軸油進油門關(guān)閉。

2.2 第二階段

2.2.1情況經(jīng)過

2013年5月8日06∶37，機組負荷1000MW。 06∶54∶16，1 號瓦振動增大立即退 AGC 降負荷。06∶55∶36軸承振動至 11.6mm/s（B 通道），12.3mm/s（A 通道）汽機跳閘。

2013年 7月 10日 21∶11∶36，機組負荷 937MW，1號瓦振動A通道11.9mm/s，B通道10.6mm/s，其余各瓦振動均在正常范圍內(nèi)無明顯變化，機組跳閘。

2.2.2分析

如圖2所示。4月20日1號軸瓦異常振動時的軸振動已呈現(xiàn)較大的低頻成分（≈60μm），且其瓦振動不但存在低頻成分，還存在一定量的高頻成分。2013年7月10日跳機1號軸瓦X向軸振及瓦振頻譜圖如圖3所示。

從圖3來看，與此前相比較軸振動的低頻成分顯著增大（≈120μm），且軸承座振動也呈現(xiàn)明顯的低頻振動和大量的高次諧波。2013年7月10日跳機前1號軸瓦軸振低頻分量趨勢圖如圖4、圖5所示。

從圖 4 和圖 5 來看，19∶20-19∶40，1 號軸瓦的軸振低頻成分最大不超過 30μm，20∶45-21∶05低頻振動成分最大接近80μm，從整體上看低頻振動幅值呈現(xiàn)逐步增大趨勢。

圖3 2013年7月10日跳機1號軸瓦X向軸振及瓦振頻譜圖

圖4 2013年7月10日跳機前1號軸瓦軸振低頻分量趨勢圖1

圖5 2013年7月10日跳機前1號軸瓦軸振低頻分量趨勢圖2

（1）1號軸瓦的瓦振和軸振的振動特征：

① 軸瓦振動在運行中會突然跳升，軸振也呈現(xiàn)同步爬升。

② 軸瓦振動跳動現(xiàn)象最初發(fā)生在額定負荷附近，后在較低負荷也出現(xiàn)，且波動的頻次趨于頻繁，波動的幅值趨于增大，似乎有一定的隨機性。

③ 振動跳動時軸振出現(xiàn)較大的25Hz（半頻）振動成分，但瓦振除有一定的低頻分量外，還有很多幅值較大的高次諧波分量，此時油膜壓力也會同步波動。

④ 振動跳動時前箱附近伴隨異常的聲音。

⑤ 振動跳動的持續(xù)時間長短不一。

⑥ 1號軸瓦軸振的基數(shù)不斷增大趨勢。

⑦ 振動跳動時，通常采取降負荷或限制蒸汽流量來控制或消除振動突升，提高油溫對抑制振動波動也有一定作用。

⑧ 1號軸瓦潤滑油壓較以前略有降低，為2.5 MPa左右。

（2）1號軸瓦瓦振大和軸振波動的可能原因：

① 高壓轉(zhuǎn)子動靜碰磨產(chǎn)生熱彎曲。

② 軸承支座擺動。當1號軸瓦墊鐵與軸承支座接觸差，呈局部點接觸時，轉(zhuǎn)子運行中會對軸承支座產(chǎn)生沖擊振動，造成軸承支座的擺動，在瓦振動頻譜上呈現(xiàn)高頻振動分量，且會產(chǎn)生異常撞擊聲。當出現(xiàn)新的擾動時，1號軸瓦墊鐵與軸承支座接觸狀態(tài)改變，振動可能復原，這種振動與擾動有關(guān)，呈現(xiàn)一定的隨機性。

③ 軸系穩(wěn)定性不足。1號軸承承載較輕，油膜壓力只有2.5MPa左右，數(shù)值較同型機組5MPa左右的油膜壓力明顯偏小，因而軸承穩(wěn)定性較差，軸瓦磨損后，轉(zhuǎn)子下沉，承載進一步減小 （油膜壓力有降低趨勢），同時頂隙增大，使得軸承穩(wěn)定性繼續(xù)降低。 當轉(zhuǎn)子在汽流力作用下發(fā)生移位時，轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的汽流激振力進一步降低了軸系穩(wěn)定性，造成軸系失穩(wěn)，就會出現(xiàn)低頻振動。

④ 高壓轉(zhuǎn)子外伸端不平衡。高壓轉(zhuǎn)子相對較小，其前與盤車裝置的齒形聯(lián)軸器相連，后通過聯(lián)軸器與中壓轉(zhuǎn)子相連，它們都可認為是高壓轉(zhuǎn)子的外伸端。當齒形聯(lián)軸器過度磨損，或與高壓轉(zhuǎn)子連接存在較大偏差，在變工況時高壓轉(zhuǎn)子外伸端會產(chǎn)生不平衡，引起不平衡振動。同樣，當高/中轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器連接螺栓緊力不足或不均勻時，在變工況時聯(lián)軸器連接狀況惡化，會產(chǎn)生附加的質(zhì)量不平衡，則會影響高壓轉(zhuǎn)子的振動。

此外，當運行后因工況突變（如甩負荷）時或應(yīng)力釋放引起聯(lián)軸器或盤車齒輪晃度增大，都會造成平衡惡化使振動出現(xiàn)爬升。

2.2.3措施

（1）由于2013年4月9日、4月20日 1號軸瓦在機組負荷1000MW出現(xiàn)異常振動后，將機組負荷降低至950MW左右振動情況即回復正常，而5月8日機組跳機時的機組負荷也為1000MW。故在5月8日機組跳機后將機組負荷限制在950MW以下。但2013年7月10日機組跳閘時機組負荷為930MW，后發(fā)現(xiàn)7月10日機組跳機時盡管未超過原有的負荷限值950MW，可是因當時氣溫較高，機組背壓偏高，主蒸汽流量為2540 t/h，已達到5月份（第一次機組跳閘）950MW時的主蒸汽流量值，因此進行機組負荷控制時以主蒸汽流量為準，主蒸汽流量不超過2450 t/h。

（2）在現(xiàn)場架設(shè)瓦振測量裝置監(jiān)測目前DCS中的1號軸瓦瓦振數(shù)據(jù)是否受到干擾。

（3）適當改變軸封溫度。

（4）運行進行壓力偏置試驗。

（5）運行人員加強監(jiān)視，一旦出現(xiàn)軸瓦振動異常的情況，立即降低機組負荷。

（6）將主機潤滑油溫由50℃提高至52℃。

2.3 第三階段

2.3.1情況經(jīng)過

10月23日09∶03 1號機組在協(xié)調(diào)狀態(tài)，AGC退出。負荷 800MW，09∶08∶42，1 號軸承振動參數(shù)突然跳變，1號軸承：瓦振 A通道 12.8 mm/s，B通道 11.9 mm/s，軸振：133.1μm，其余軸承振動均在正常范圍內(nèi)，軸承振動保護動作，機組跳閘。

2.3.2分析

（1）振動特征：引起跳機主要是低頻成份，基頻振動基本不變。軸振動和軸承座振動同步增大。機組跳閘后轉(zhuǎn)速降低低頻振動即消失，再定速正常。振動趨勢圖和頻譜圖如圖6所示。

圖6 2013年10月23日跳機1號軸瓦X向振動趨勢和頻譜圖

（2）綜合以上振動特征，就1號軸瓦振動突增并跳閘而言，原因與此前2次跳機是一致的，即機組在運行中低頻振動成分急劇增大，振動迅速發(fā)散引起機組跳閘。因為負荷穩(wěn)定1號軸瓦仍然又誘發(fā)了很大的低頻成分，因此其振動性質(zhì)屬于軸承自激振動，這種振動本身就具有突發(fā)性，其出現(xiàn)和消失都非常快，以秒計。據(jù)目前的狀況來看，1號軸瓦自身的油膜形成非常脆弱，任何輕微擾動都可能破壞其正常工作并誘發(fā)失穩(wěn)加劇，進而導致低頻振動成分劇增。當機組跳閘后轉(zhuǎn)速下降，工作狀態(tài)離開了失穩(wěn)區(qū)域則低頻成分很快消失。增加軸承穩(wěn)定性需要采取提高軸承比壓，消除軸瓦缺陷等等措施，估計1號軸瓦可能存在比較大的缺陷，使軸承本身就工作在失穩(wěn)區(qū)域的邊緣。

2.3.3措施

（1）將機組的軸瓦進口潤滑油溫由當時的52℃提高至55℃（上海汽輪機廠要求的潤滑油溫為50～55℃）。

（2）運行人員嚴控兩側(cè)主汽溫，確保兩側(cè)主汽溫不出現(xiàn)過大偏差。

（3）運行人員密切監(jiān)視1號軸瓦的頂軸油壓，當1號軸瓦頂軸油壓下降到1.7MPa以下時，機組限負荷運行。

3 檢修情況

2013年12月，開始1號機組的首次A級檢修，本次機組檢修的重點任務(wù)就是要解決1號軸瓦的異常振動問題，確保機組修后的安全運行。

3.1 問題

（1）1號軸瓦頂隙不符合標準（0.17～0.21mm，標準為0.30～0.35mm）。

（2）1號軸瓦兩側(cè)墊塊間隙超標 （兩側(cè)的墊塊間隙一側(cè)為0.06mm，另一側(cè)為0.29mm，標準為0.01～0.03mm）。

（3）1號軸瓦底部墊鐵接觸情況較差，存在較深的溝痕。

（4）1號軸承座緊固螺栓松動。

（5）1號軸瓦進油口處有沖刷痕跡。

（6）高壓缸動靜部件同心度偏差較大。檢查高壓缸動靜部件同心度，發(fā)現(xiàn)高壓缸1號軸瓦端轉(zhuǎn)子偏B 0.65mm，轉(zhuǎn)子偏上0.05mm。

（7）液壓盤車傳動軸推力間隙超標。

3.2 振動原因分析

（1）軸承的安裝缺陷，包括墊鐵與軸承支座的接觸不良、軸瓦間隙不均勻等，進而引發(fā)了低頻、基頻，甚至高次諧波的振動波動。

（2）軸承承載較輕、穩(wěn)定性裕度不足，再加上汽流擾動力影響，使得軸承存在輕微失穩(wěn)，引發(fā)了低頻振動波動。

（3）該型機組的高壓缸受熱后是以2號軸承座為死點向機頭膨脹，由于高壓缸重量輕，且長期處于高溫、高壓等惡劣環(huán)境下運行，現(xiàn)場容易出現(xiàn)因缸體跑偏或高壓轉(zhuǎn)子的大幅浮起而引發(fā)的動靜碰摩，最終導致1號軸振的基頻振動波動。

3.3 處理措施

（1）軸瓦返廠處理，加工至標準尺寸。

（2）軸瓦底部的球面墊塊接觸面返廠重新加工。

（3）軸瓦兩側(cè)的墊塊間隙調(diào)整至標準值。

（4）調(diào)整高壓缸動靜部件同心度。

（5）將1號軸瓦的標高向上調(diào)整0.09mm。

4 機組修后情況

1號機組A級檢修后于2014年2月11日沖轉(zhuǎn)至3000 r/min，目前機組負荷最大已達到1030MW，各道軸瓦的軸振最大不超過55μm，瓦振最大不超過5.0 mm/s，且振動情況非常穩(wěn)定。同時根據(jù)修后1號軸瓦振動頻譜的分析，修前1號軸瓦一直存在的25Hz分量，現(xiàn)也基本消失。根據(jù)目前的機組運行情況，可以認定1號機組1號軸瓦異常振動問題已得到圓滿解決。

5 結(jié)束語

（1）通過機組停運后揭瓦檢查的情況，確認了軸承安裝缺陷、軸承承載較輕穩(wěn)定性裕度不足、高壓轉(zhuǎn)子動靜碰摩等3個方面因素是引起1號軸瓦振動異常的主要原因。但軸承承載較輕穩(wěn)定性裕度不足、高壓轉(zhuǎn)子動靜碰摩只應(yīng)該引起軸瓦的軸振異常，而不應(yīng)該造成軸瓦的瓦振波動。在本次軸瓦振動異常過程中，軸承承載較輕穩(wěn)定性裕度不足、高壓轉(zhuǎn)子動靜碰摩只是誘因，軸承安裝缺陷是造成軸瓦瓦振突然升高、機組跳閘的主因。這就要求在以后的軸瓦安裝、檢修過程中加強對軸承安裝質(zhì)量的驗收監(jiān)督工作。

（2）在問題的分析過程中，公司技術(shù)人員通過多種方式進行驗證，確認在軸瓦異常振動時出現(xiàn)的高次諧波（見圖3）是真實的。這點與當前的主流觀點（即軸瓦振動不應(yīng)該出現(xiàn)200Hz以上的高次諧波）相左。這就要求在需要將高頻振動分量濾除前，要確認其是否為虛假信號。

（3）西門子技術(shù)1000MW超超臨界機組的高壓缸缸體跑偏問題并非個案，據(jù)了解在同類型機組上多次出現(xiàn)。其產(chǎn)生的原因以及對機組運行的影響還需要進一步地研究，積累相關(guān)經(jīng)驗。

[1]張學延，張衛(wèi)軍，葛 祥，等.西門子技術(shù)1000MW超超臨界機組軸系振動問題[J].中國電力，2012，45（5）：68-72.

[2]張學延.汽輪發(fā)電機組振動診斷[M].北京：中國電力出版社，2008：1-89.

[3]施維新，石靜波.汽輪發(fā)電機組振動及事故[M].北京：中國電力出版社，2008：19-53.