600 MW汽輪發電機組軸向振動故障分析及處理措施

倪 軍

（國家電力投資集團公司平圩發電公司，安徽淮南232089）

1 設備概述

某廠#4汽輪發電機組采用北重阿爾斯通（北京）電氣裝備有限公司生產的DKY4-4N41B型超臨界一次中間再熱、單軸、四缸四排汽反動式汽輪機，鍋爐為三井巴布科克公司生產的HG-1970/25.4-YM7型超臨界鍋爐，發電機為北重阿爾斯通電氣設備公司生產的50WT23E-138型三相同步汽輪發電機。汽輪機機組采用模塊化設計，包括1個反向單流的高壓模塊、1個分流的中壓模塊、2個分流的低壓模塊。高壓部分由16個壓力級組成，中壓部分為15個壓力級，低壓部分為2×2×6壓力級，低壓缸末級葉片長度為1 075 mm。軸系支撐如圖1所示。

圖1 軸系支撐

2 故障現象

#4機組A類檢修后于2017年6月28日凌晨03：02開始啟動，剛定速3 000 r/min時，#4機組#5和#6軸振均在50 μm以內。機組并網后，#5和#6軸振基數隨負荷增加而爬升，直至額定負荷工況下的160 μm左右。相同負荷工況下，#5和#6軸振呈現周期為1 h左右的正弦波動，其中#5、#6軸振相對明顯，在300 MW工況下，#5、#6軸振在60～90 μm區間波動；500 MW工況下，#6軸振在90～130 μm區間波動。當周期性、正弦波動消失時，#5和#6軸振會穩定在振動高位運行。在振動幅值大幅波動的同時，#5和#6軸振相位基本穩定。

3 故障原因分析

在機組運行過程中，軸承座與臺板雖然是剛性連接，但軸承座垂直振動的相位沿軸向變化了180°，這說明軸承座承受了一個軸向的傾翻力矩作用，而這有兩種可能：一是軸承座剛度在軸向方向上差別較大；二是轉子施加給軸承座一個較大的力偶作用，事實上#5和#6軸振就是呈現近似的反向振動，比如5Y軸振24∠332°、6Y軸振63∠146°，會造成軸頸與軸承間相對彎曲。在這種情況下，軸承座承受軸向的傾翻力矩作用，會使軸承座的軸向振動增大。此外，軸承端蓋對軸承緊力偏小、存在間隙，將致使轉子在運行過程中出現跳動，從而引起振動。而當軸承端蓋對軸承緊力過大時，軸承在運行中自位調整的能力喪失，使軸承座產生軸向振動的可能性加大。

基于以上振動特征及其原因分析，引起軸承座產生軸向振動的原因有以下幾種可能：

（1）軸承座的剛度偏小。

（2）軸承端蓋對軸瓦緊力偏小、存在間隙，使軸承出現跳動；或軸承端蓋對軸瓦緊力過大，軸承失去自位調整能力。

（3）轉子彎曲數據超標。

3.1 軸承座剛度

在機組運行中將#5、#6軸承座與臺板地腳連接螺栓按力矩緊固，以增加軸承座的連接剛度。緊固后#5、#6軸承振動值都略有下降，但遠超標準值。在#4機組A類檢修中，重點檢查了#5和#6軸承座的安裝，臺板與相角墊鐵之間接觸密實，0.05 mm塞尺不入，每個支撐腳與臺板接觸良好，保證其水平坐落在臺板上，確保每個軸承的4個支撐腳承載均勻。因此，軸承座的剛度并非造成軸向振動大的主要原因。

3.2 軸承蓋緊力

經實測，軸承蓋對軸承緊力為0.05 mm，未超標；軸承側隙、頂隙，軸承前后間隙的均勻度符合質量標準要求。排除軸承蓋對軸承緊力偏小、存在間隙，使軸承出現跳動；或軸承蓋緊力過大，致使軸承在運行中失去自位調整的能力。

3.3 轉子彎曲數據超標

在#4機組A類檢修中，測量轉子彎曲度，轉子彎曲度數據符合質量標準。

3.4 發電機轉子熱彎曲

檢修中發現#5、#6軸承均有磨損印痕，說明軸承座承受了一個軸向的傾翻力矩作用引起彎曲變形，導致軸承座軸向振動變大。

引起發電機轉子熱彎曲的常見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。考慮到#4發電機振動隨負荷增加而爬升是在機組大修后出現的，因此可以排除轉子材質不均勻問題。發電機轉子產生熱變形的主要因素分析如下：

（1）轉子線圈膨脹受阻、匝間短路或轉子繞組短路，轉子局部過熱使槽襯斷裂。

（2）冷卻系統出現故障，對于氫氣內冷的發電機而言，通風孔是轉子熱交換的主要風路通道，如果通風孔變形、雜物堵塞等引起通風孔通流面積減小，將破壞冷卻的對稱性，使轉子橫截面出現溫度不對稱，引起熱彎曲。該故障的最大特點就是：隨著氫溫的升高，發電機轉子的冷卻效果變差，但轉子不對稱冷卻程度就相對減小，最終使得振動減小。

4 處理措施

針對發電機轉子可能產生熱變形的原因，專業人員現場檢查，排除了轉子線圈膨脹受阻、匝間短路或轉子局部過熱引起的振動故障，確定了轉子冷卻系統故障是轉子熱彎曲產生的原因，提出了針對性的處理方案：決定先用0.8～1.0 MPa壓縮空氣對轉子通風孔進行吹掃。在吹掃過程中，風孔中有碎屑形成的黏狀物被吹出，經檢查確認，是氫冷系統管道法蘭墊片被沖刷散落到風道內冷導線內，造成汽輪發電機組運行中#5、#6軸瓦軸向振動大，發電機轉子通風孔堵塞，使轉子橫截面出現溫度不對稱，產生熱彎曲，轉子熱彎曲又造成軸承座的軸向振動增大。通過上述處理后，#5、#6軸瓦的振動位移由0.131 mm降至0.015 mm和0.016 mm，從而有效解決了機組軸向振動過大的故障。

5 結語

汽輪發電機組軸承振動現象是主機運行中常見的主要故障之一，且產生原因復雜，只有正確地分析和判斷，找出問題所在，才能排除故障。

本文所述案例，針對#4汽輪發電機組的發電機前后瓦軸向振動大這一故障現象的特征，排除了軸承座剛度不足、軸瓦緊力過大（小）、轉子彎曲變形等因素，找出了轉子熱變形是引起軸向振動過大的原因所在，并據此采取了處理措施，保障了機組的長周期安全穩定運行，對同類型機組具有一定的借鑒意義。

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