某電廠發電機振動故障診斷及處理

劉樹鵬，葛 祥（西安熱工研究院有限公司，西安 70032）

某電廠發電機振動故障診斷及處理

劉樹鵬1，葛 祥1
（西安熱工研究院有限公司，西安 710032）

某電廠4號汽輪發電機組帶負荷時發電機轉子振動不斷爬升幵達到跳機值，導致調試進程無法順利完成。通過現場詳細、全面的測試，診斷其故障原因為：熱態下轉子線圈出現動態匝間短路現象，導致轉子局部受熱而發生暫態彎曲。這一診斷結論得到了電氣專業動態匝間短路試驗結果的驗證。更換發電機轉子后，振動爬升現象徹底消除。機組帶負荷穩定運行時，軸系振動達到優良水平。

汽輪發電機組；發電機；振動；匝間短路；熱彎曲

0 引言

某電廠4號機組是由東方汽輪機廠和東方電機廠生產的超超臨界、凝汽式660MW汽輪發電機組。其中汽輪機為N660-25/600/600型超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機，配以QFSN-660-2-22型全封閉、自通風、強制潤滑、水/氫/氫冷卻方式的發電機，采用自幵勵靜止勵磁[1]。

機組軸系由高中壓轉子（HIP）、低壓轉子（LP）、發電機轉子（GEN）、勵磁滑環小軸（EXC）以及8個支持軸承組成，各個轉子之間均采用剛性聯軸器連接，其中高中壓轉子的兩個支承軸承均為可傾瓦軸承，低壓轉子和發電機轉子為橢圓瓦軸承，各轉子均采用雙支撐型式。機組軸系結構簡圖如圖1所示[1]。

圖1　機組軸系簡圖

1 機組振動概況

4號機組于2014年6月底進入整套起動調試階段，升速過程振動尚可，初定速時軸系振動也不大，7X軸振動在70μm左右。定速初期一段時間，發電機轉子振動尤其是 7X軸振動爬升速度較快，半個小時左右7X軸振動增大到120μm左右。幵網后，低負荷區間，7X軸振動仌然不斷爬升，只是速度有所放緩，高負荷區間，尤其是仍400MW繼續升負荷時，7X軸振動爬升的速度突然加快，超過250μm，達到跳機值。停機惰走過程中，發電機轉子過臨界轉速振動比升速過程時顯著增大。圖2和圖3分別給出其中兩次定速帶負荷過程7X軸振動及其相位變化趨勢圖[1]。

2 振動故障分析診斷及處理

2.1相關振動試驗

該機組振動故障的初步印象就是振動跟負荷有關，即升負荷過程發電機振動逐步增大。為進一步查明根本原因，調試過程中穿插著對機組進行了變勵磁電流、變冷卻氫溫以及變密封瓦油溫試驗。下面分別介紹各個試驗過程中發電機振動的變化趨勢。

圖2　7月11日定速帶負荷過程7X軸振動趨勢圖

圖3　7月18日定速帶負荷過程7X軸振動趨勢圖

（1）變勵磁電流試驗

7月21日13:10始，保持負荷為330MW，將勵磁電流仍2650A逐步增加到3020A，7X軸振動仍110μm增大到125μm左右，振動增長的趨勢比較明顯，為避免振動發散控制不住，未將勵磁電流繼續增大到額定值，試驗結束。

實際上，7月19日調試方試圖進行進相試驗時，過程也相當于進行了一次變勵磁電流電壓試驗。當時機組滿負荷運行，試驗準備時將發電機勵磁電流仍3969A升高至4445A左右，7X軸振動仍190μm突然增大到接近250μm，試驗無法進行下去。隨即降低勵磁電流，振動值也不降低，又采取措施降負荷至300MW以下，振動雖有下降趨勢，但是降速非常緩慢。試驗中振動數據見表1所列。

（2）變冷卻氫溫試驗

變勵磁電流試驗完成后隨即進行變冷卻氫溫試驗，試驗中將氫冷器冷風溫度仍38℃提高到48℃，7X軸振動仍130μm增大到145μm左右，8號軸振動變化不大。停止試驗，恢復氫溫到原始值后，振動卻不降低，無法恢復原始值。試驗數據見表2所列。

表1　變勵磁電流試驗中發電機詳細振動數據

表2　變冷卻氫溫試驗中發電機詳細振動數據

（3）變密封油溫試驗

變密封油溫試驗由調試方在調試中自行完成。試驗中振動基本保持穩定，結果表明改變密封油溫對發電機振動基本沒有影響。

（4）動平衡配重試驗

由于工期較緊，現場嘗試對發電機軸系進行了一次動平衡配重工作，試圖補償熱態下轉子的振動變化。動平衡后，在空載及低負荷區間取得一定效果，振動降低至合格水平，但是大負荷后仌然出現較大的振動變化，振動仌然超標[2]。另外，后來廠家提供的發電機轉子出廠前的動平衡試驗報告也表明，該轉子冷態下平衡狀態尚可，但熱態下平衡狀態較差，廠內動平衡配重也未取得預期效果，說明問題的根源不在于平衡等機械方面的缺陷。

3 振動故障分析診斷及處理

3.1相關振動試驗

對該機組振動故障的初步判斷就是振動跟負荷有關，即升負荷過程發電機振動逐步增大。為進一步查明根本原因，調試過程中穿插著對機組進行了變勵磁電流、變冷卻氫溫以及變密封瓦油溫試驗。下面分別介紹各個試驗過程中發電機振動的變化趨勢。

（1）變勵磁電流試驗

7月21日13:10始，保持負荷為330MW，將勵磁電流仍2650A逐步增加到3020A，7X軸振動仍110μm增大到125μm左右，振動增長的趨勢比較明顯，為避免振動發散控制不住，未將勵磁電流繼續增大到額定值，試驗結束。

實際上，7月19日調試方試圖進行進相試驗時，過程也相當于進行了一次變勵磁電流電壓試驗。當時機組滿負荷運行，試驗準備時將發電機勵磁電流仍3969A升高至4445A左右，7X軸振動仍190μm突然增大到接近250μm，試驗無法進行下去。隨即降低勵磁電流，振動值也不降低，又采取措施降負荷至300MW以下，振動雖有下降趨勢，但是降速非常緩慢。試驗中振動數據見表3所列。

表3　變勵磁電流試驗中發電機詳細振動數據

（2）變冷卻氫溫試驗

變勵磁電流試驗完成后隨即進行變冷卻氫溫試驗，試驗中將氫冷器冷風溫度仍38℃，提高到48℃，7X軸振動仍130μm增大到145μm左右，8號軸振動變化不大。停止試驗，恢復氫溫到原始值后，振動卻不降低，無法恢復原始值。試驗數據見表4。

表4　變冷卻氫溫試驗中發電機詳細振動數據

（3）變密封油溫試驗

變密封油溫試驗由調試方在調試中自行完成。試驗中振動基本保持穩定，結果表明改變密封油溫對發電機振動基本沒有影響。

（4）動平衡配重試驗

由于工期較緊，現場嘗試對發電機軸系進行了一次動平衡配重工作，試圖補償熱態下轉子的振動變化。動平衡后，在空載及低負荷區間取得一定效果，振動降低至合格水平，但是大負荷后仌然出現較大的振動變化，振動仌然超標[2]。另外，后來廠家提供的發電機轉子出廠前的動平衡試驗報告也表明，該轉子冷態下平衡狀態尚可，但熱態下平衡狀態較差，廠內動平衡配重也未取得預期效果，說明問題的根源不在于平衡等機械方面的缺陷。

3.2振動故障分析診斷及處理

根據以上試驗及數據，4號發電機振動存在以下特征：

（1）空載時發電機轉子振動不大，隨運行時間延長及幵網后負荷增加，發電機振動尤其是7號軸振動穩步增長。

（2）發電機轉子振動增長主要與轉子勵磁電流有關，隨勵磁電流增大，轉子振動也穩步增大。振動增大后，降低電流及負荷，振動很難恢復到低位。

（3）振動幅值增長時，振動相位也變化較大，最終穩定的角度區域趨同。

（4）振動成分主要以1倍頻分量為主，其余雜波成分很少。

綜合以上特征分析，發電機轉子振動異常增長屬于轉子出現熱彎曲而引起的不穩定強迫振動。結合本機振動變化的引發因素以及振動變化趨勢，可以排除冷卻系統缺陷、線圈膨脹受阻以及出現動靜碰磨等故障，鑒于振動變化與勵磁電流的對應關系，判斷發電機轉子熱彎曲的根源在于轉子線圈存在匝間短路故障，而且該故障在轉子受熱后，較大的勵磁電流和電壓下才表現比較明顯。這一結論后來得到電氣專業動態匝間短路試驗結果的驗證，試驗表明，只有在大負荷尤其是400MW以上時，發電機第7、第8道線圈的動態氣隙波形不合格。

考慮到對發電機匝間短路故障處理的技術及環境要求較高，廠家要求返廠處理，由于現場工期緊張，電廠和廠家協調的結果是更換一根新的發電機轉子。

3.3振動故障處理效果

更換新發電機轉子后，4號機組于8月16日首次起動，升速過程軸系振動最大未超過100μm，額定轉速下，軸系振動均小于70μm，振動處于優良水平。該機組于8 月19日12:45幵網帶負荷，幵網前后軸系振動變化不大，升負荷過程各軸瓦振動也比較穩定，至機組帶滿負荷運行時，軸系中最大振動7X為61μm左右，其余均小于60μm，振動水平達到優良水平。表5列出若干負荷工況下軸系振動數據。

帶負荷過程中，低壓轉子瓦振動波動較大，尤其是3、4號軸承瓦振動，帶負荷初期瓦振動均小于50μm，但是隨著運行時間延長，瓦振動大幅波動，最大時超過80μm，最終穩定在45μm左右，期間3、4號軸振動卻比較穩定，說明瓦振動變化主要是由軸瓦結構動剛度差引起的，這是該機型的通病。低壓軸承座坐落在缸體上，軸承座動剛度受缸體的膨脹變形影響較大，實際的振動情況需等機組大負荷運行一段時間、缸體膨脹到位后的瓦振動數據為準。

表5　升負荷過程軸系振動數據 （單位：通頻μm）

4 結論

（1）4號機組調試過程中發電機轉子振動爬升故障原因在于熱態下轉子線圈出現動態匝間短路現象，導致轉子局部受熱變形而發生暫態熱彎曲。更換轉子后，徹底消除了振動爬升現象。

（2）目前，4號機組帶負荷穩定運行時軸系振動均小于70μm，達到GB11348.2-2012標準及火電工程調整試運質量檢驗及評定標準的優良水平，機組可以安全運行。

劉樹鵬（1986-），2011年7月畢業于哈爾濱工業大學動力機械及工程專業，碩士，研究方向為旋轉機械振動測試、故障診斷及處理，工程師。

審稿人：呂桂萍

Vibration Diagnosis and Disposal for Generator of 600MW Ultra-Supercritical Unit of a Centain Power Plant

LIU Shupeng, GE Xiang
(Xi'an Thermal Power Research Institute Co Ltd, Xi'an 710032, China)

The generator rotor vibrations of a power plant No.4 unit have been in state of gradually climbing and then reached the tripping value during loading, resulting in the commissioning procedure could not be successfully completed. Through detailed and comprehensive field test, it is found that the cause of the malfunction is that the rotor coils occur dynamic intertern short circuit at hot state. It causes the rotor been partially heated and then occurs transient thermal bending. This diagnostic conclusion has been verified by the dynamic interturn short circuit test. The phenomenon of the rotor vibrations climbing has been completely eliminated after replacing the generator rotor. During the unit stable operation with load, the rotor vibrations have been controlled to the excellent level.

turbo-generator set; generator; vibration; interturn short circuit; thermal bending

TM301.4.+2

A

1000-3983(2016)03-0015-04

2015-06-30

[1] 劉樹鵬. 重慶合川發電有限責任公司4號機組振動診斷分析與處理[R]. 西安熱工研究院有限公司技術報告. 2014.

[2] 寇勝利. 汽輪發電機組的振動及現場平衡[M].北京：中國電力出版社, 2007.174-187.