30MW汽輪發電機組振動原因分析及處理

蔡國娟

(中石化股份有限公司天津分公司，天津 300271)

石油化工企業中，汽輪發電機組是生產裝置的動力保障，其作用是將鍋爐產生的蒸汽熱能轉化成旋轉機械能，帶動發電機旋轉發出電能。由于汽輪發電機組結構復雜、熱效率高，且處于高溫、高壓、高真空、高轉速、小動靜間隙、大力矩等惡劣條件下工作，使得機組在運行過程中會產生振動。汽輪發電機組振動的大小直接關系到機組能否安全運行，大多數汽輪發電機組因異常振動而停機處理。異常振動是汽輪發電機運轉中缺陷、隱患的綜合反映，是發生故障的信號。因此，新安裝或檢修后的機組，必須經過試運行，測試各軸承振動及各軸承處軸振在合格標準以下，方可將機組投入運行。本文針對汽輪發電機組振動過大的現象，通過對其進行振動監測，分析故障原因，并采取解決措施，使機組振動達到正常水平。

1 軸瓦振動影響因素

從理論來講，引起機組軸瓦振動大的原因是多方面的，既可能是生產廠家設計和制造方面的原因，也可能是發電廠調整操作的原因，還可能是安裝和檢修工藝水平等方面的原因[1]。總結起來主要包括以下幾個方面：

1.1 設計制造方面

汽輪發電機在設計制造時，加工精度不夠、裝配工藝質量較差、機組支撐軸承選取不當，是機組產生振動的原因。

1.2 安裝檢修方面

汽輪發電機組在安裝和檢修過程中的工藝質量對機組振動的影響非常大，或者說機組的振動很多時候都是可以通過安裝或檢修來解決的。例如軸承的標高、滑銷系統、動靜間隙等。軸瓦檢修工藝不高，會存在缺陷或者安全隱患。

1.3 運行工況方面[2]

汽輪發電機組在運行中機組葉片斷裂，造成轉子運行不平衡，動靜部分摩擦；機組負荷變化過快或者過大；轉子中心有偏差，機組中心不正；潤滑油溫變化大，潤滑油壓波動頻繁，影響軸承油膜形成；汽輪機汽缸膨脹不均；發電機轉子，勵磁機線圈接地或層間短路造成負荷不對稱等都是機組產生異常振動的原因。

2 汽輪發電機故障診斷案例

2.1 汽輪發電機組技術參數及測點布置

某石化公司一30MW汽輪發電機組由杭州汽輪機廠生產，型號B17-8.83/4.2(HGS71/40)，剛性支撐，剛性聯軸器。汽輪機轉速為3000r/min，額定功率17MW，進口壓力8.83 MPa，進口溫度535℃，出口壓力4.2MPa，出口溫度440℃，潤滑油壓力0.22 MPa，潤滑油溫度38～42℃。發電機功率30MW，轉速3000r/min。機組結構如圖1所示。

圖1 汽輪發電機結構示意圖

2.2 振動故障分析

該汽輪發電機更新后于2013年5月重新啟機。試運行過程中，對機組兩次離線監測發現，汽輪機兩端振動幅值不大，發電機兩端(3瓦，4瓦處)水平振動幅值稍大，特別是發電機4瓦處軸向振動幅值最高達5.23mm/s，且4瓦處潤滑油溫度高于正常溫度范圍。根據ISO10816大型機組振動烈度區域分類可知，對于剛性支撐的機組，該振動幅值處于不能令人滿意的長期工作的機器振動區域。兩次振動監測數據如表1。

表1 各軸瓦振動幅值(單位：mm/s)

經現場檢查，汽輪機兩側軸瓦振動及瓦溫正常，可以排除汽輪機一側的故障。3、4瓦振動幅值偏大，且4瓦處潤滑油溫高于正常水平，說明發電機側存在運行隱患。對振動幅值較大的4瓦處軸向振動進行波形頻譜分析，波形頻譜圖如圖2所示。

從振動頻譜圖中可以看出，主要頻率成分為發電機轉子的工頻(50Hz)和二倍頻成分，其他諧波成分的幅值很小。根據故障診斷機理[3]，角度不對中主要引起軸向振動，對于剛性聯軸節，軸向振動的振幅要大于徑向振幅，且易激起工頻振動，同時也存在多倍頻分量。推斷可能是發電機轉子與汽輪機轉子存在角度不對中，使得發電機轉子在4瓦處與軸瓦的接觸長度變小，載荷分布不均勻，產生動靜摩擦，潤滑油溫度上升，改變了軸瓦中的油膜壓力，油膜剛度變化，發電機轉子振動加大，導致軸瓦振動異常。據分析原因可能是機組在安裝時，冷態對中數據有偏差，造成熱態工作狀態下汽輪機轉子與發電機轉子軸系的不對中。

圖2 發電機4瓦軸向振動頻譜圖

2.3 解決措施及效果

與現場技術人員和汽輪機廠家協商，對汽輪發電機進行停機檢查。將3、4瓦拆卸后，發現3、4瓦及發電機轉子出現不同程度的磨損，4號軸瓦有烏金脫落。同時發現4瓦軸承座與臺板接觸不良，支撐剛度不足。通過振動頻譜圖與現場實際測量分析，造成轉子及軸瓦嚴重受損的原因確實是由于整體軸系對中數據較差，4號軸瓦與軸頸底部接觸長度不夠，軸瓦與軸頸水位間隙不均勻所致。

圖3 處理后發電機4瓦軸向振動頻譜圖

最后抬高發電機3、4瓦軸承座，保證發電機前后軸承座與發電機轉子揚度保持一致。如調整汽輪機轉子揚度，將影響機組進汽管道、排汽管道、汽封管道、軸頭泵等設備管線應力、中心問題，施工難度大，工期長。具體做法是將發電機轉子與汽輪機轉子冷態對中后(外圓在±0.02mm，左右開口為±0.02mm，上下開口為0或下開口0.02mm)，在軸承座下部墊斜墊鐵調整軸承座與發電機轉子揚度保持一致[4]，并調整發電機轉子與汽輪機轉子對中度，保證4瓦軸頸與瓦的接觸面長度大于80%，水位間隙均勻，軸頸與軸瓦軸線同心，并進行了現場動平衡處理，重新加固了4瓦軸承座的基礎，滿足支撐剛度。

再次對汽輪發電機各瓦進行振動監測，得到4瓦處的振動頻譜圖如圖3所示。振動幅值明顯減小，在允許機組長期運行的范圍之內。

3 結束語

對于汽輪發電機組，因冷態安裝、熱態工作時聯軸器兩側轉子中心變化的差別很大，從而可能導致軸承負荷分配及軸系穩定性偏離設計值。冷態找轉子中心時預留合理的轉子冷熱態中心差值，可避免軸承烏金面受損及機組發生異常振動。通過對汽輪發電機組振動監測和故障診斷，及時發現了機組運行中存在的隱患，遏制了事故的發生，縮短了維修周期。