某汽輪發(fā)電機(jī)組碰摩振動(dòng)故障分析與處理

劉文廣，倪秋華

（1.南山集團(tuán)有限公司，山東龍口 265706；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

在我國(guó)的北方地區(qū)，電力系統(tǒng)不僅保障了城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和居民日常生活用電，而且關(guān)系到冬季供暖的民生問(wèn)題。因此，加強(qiáng)汽輪發(fā)電機(jī)組的日常保養(yǎng)與檢修維護(hù)，保障城市供電，為經(jīng)濟(jì)和民生發(fā)展保駕護(hù)航，已經(jīng)成為發(fā)電廠運(yùn)維部門的重要工作。作為高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)是不可避免的，但是振動(dòng)超過(guò)限值一定程度后，會(huì)對(duì)電站安全、穩(wěn)定、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)構(gòu)成較大的威脅，嚴(yán)重威脅電力安全生產(chǎn)活動(dòng)[1]。

1 振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因

引起汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的原因有很多，主要原因有汽輪發(fā)電機(jī)組本體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、安裝檢修、設(shè)備運(yùn)行和電網(wǎng)技術(shù)問(wèn)題等，這些原因之間又是相互影響的[2-4]。汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)類型可分為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)：強(qiáng)迫振動(dòng)指彈性系統(tǒng)在受到外界控制的激勵(lì)作用下發(fā)生的振動(dòng)；自激振動(dòng)則是指彈性系統(tǒng)在受系統(tǒng)振動(dòng)本身控制的激勵(lì)作用下發(fā)生的振動(dòng)。強(qiáng)迫振動(dòng)的振源主要包括：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，轉(zhuǎn)軸不對(duì)中和聯(lián)軸器本身缺陷，汽輪機(jī)膨脹受阻，電磁干擾，支承剛度不夠或軸承裝配不良，動(dòng)靜碰磨等。自激振動(dòng)則主要是由油膜失穩(wěn)、汽流激振等原因造成。

除上述原因和發(fā)電機(jī)缺陷引起的振動(dòng)外，汽輪機(jī)運(yùn)行工況的異常變化也會(huì)引起振動(dòng)問(wèn)題：①新汽溫度過(guò)高會(huì)引起汽輪機(jī)高壓段膨脹加大，若金屬部件（轉(zhuǎn)子）膨脹超過(guò)預(yù)留間隙，將引起個(gè)別部件或整臺(tái)機(jī)組的振動(dòng)，前軸承易受熱而變形增大，新汽管道膨脹過(guò)量將推動(dòng)軸承座等，從而改變公共軸線，軸承將受彎矩而發(fā)生振動(dòng)；②新蒸汽溫度驟然降低，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和汽缸將發(fā)生不均勻變形，從而降低前軸承穩(wěn)定性，蒸汽帶水會(huì)發(fā)生水沖擊，增大轉(zhuǎn)軸軸向推力，磨損工作面推力瓦塊，通流部分軸向間隙消失，引起機(jī)組劇烈振動(dòng)；③真空和排汽溫度變化，會(huì)使剛度弱的排汽缸發(fā)生變形，軸承座標(biāo)高發(fā)生變化，影響軸承載荷和轉(zhuǎn)子支承狀態(tài)，從而造成轉(zhuǎn)子中心軸線改變，軸端汽封和軸承座油擋徑向間隙消失，引起機(jī)組摩擦振動(dòng)；④軸承入口潤(rùn)滑油溫度過(guò)高，會(huì)改變油的黏度，潤(rùn)滑油的黏度隨油溫的升高而下降，從而使油膜減薄，承載能力下降，導(dǎo)致軸承的潤(rùn)滑工況惡化，最終引起振動(dòng)；⑤汽缸膨脹受阻或加熱不均勻，將造成機(jī)組膨脹不暢，導(dǎo)致動(dòng)靜間隙減小或消失、軸承位置和標(biāo)高變化導(dǎo)致軸承載荷和轉(zhuǎn)子中心偏移、脹差增加導(dǎo)致軸承受到推力而拱起等。

2 汽輪機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的危害

汽輪發(fā)電機(jī)組是發(fā)電廠的核心設(shè)備，衡量機(jī)組安全可靠性最重要的指標(biāo)就是振動(dòng)水平。劇烈振動(dòng)容易導(dǎo)致設(shè)備部件的疲勞損壞，一些重大的跳機(jī)事故直接或間接地與振動(dòng)有關(guān)。機(jī)組的異常振動(dòng)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生以下危害：

（1）部件疲勞損壞。過(guò)大和強(qiáng)烈的振動(dòng)會(huì)造成機(jī)組靜止部件承受大幅交變應(yīng)力，促使轉(zhuǎn)子、連接螺栓、管道等部件發(fā)生材料疲勞或損壞。如基礎(chǔ)臺(tái)板和廠房出現(xiàn)裂縫，軸瓦烏金脫落，軸承座固定螺栓松動(dòng)或斷裂，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致軸系斷裂等惡性事故。

（2）發(fā)電機(jī)故障。振動(dòng)大會(huì)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)及線槽內(nèi)的絕緣填充材料松弛磨損，電氣絕緣磨破以致造成電氣短路，勵(lì)磁機(jī)整流子及其碳刷磨損加劇。

（3）動(dòng)靜部分摩擦。動(dòng)靜部件發(fā)生摩擦?xí)r將加劇軸承磨損，振動(dòng)過(guò)大則磨損軸封及隔板汽封，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致大軸彎曲。另外，摩擦加大了通流部分和軸端的汽封徑向間隙，增加漏汽損失，降低機(jī)組經(jīng)濟(jì)性。

（4）事故停機(jī)。機(jī)組振動(dòng)過(guò)大或強(qiáng)烈振動(dòng)時(shí)，機(jī)組跳機(jī)。

3 故障案例

3.1 概述

某電廠4#機(jī)組為濟(jì)南發(fā)電設(shè)備廠有限公司采用阿爾斯通公司（ALSTOM）技術(shù)許可生產(chǎn)的，超高壓、單軸、反動(dòng)式、一次中間再熱、雙抽凝汽式的150 MW 機(jī)組，型號(hào)為N150/CC110—13.24/535/535/0.981/0.245。機(jī)組軸系共有5 個(gè)支撐軸承，由高壓轉(zhuǎn)子、中低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子組成，并且各轉(zhuǎn)子之間剛性聯(lián)接。該機(jī)組于2014 年11 月份投產(chǎn)。但在2016 年3 月份，多次出現(xiàn)1#瓦X/Y 向相對(duì)軸振不規(guī)律振動(dòng)且大幅波動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)量值突然間由正常值40 μm 上升至最大值202 μm，大約在30 min 左右恢復(fù)到正常值，最大振動(dòng)值接近停機(jī)值240 μm，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，見(jiàn)表1；1#瓦軸振大幅度波動(dòng)趨勢(shì)，如圖1 所示；1#瓦X/Y 向轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的軸心軌跡，如圖2 所示。通過(guò)振動(dòng)檢測(cè)儀進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)與故障診斷。

3.2 振動(dòng)分析

振動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)和分析，顯示該機(jī)組振動(dòng)頻率一直以工頻分量為主，屬于普通強(qiáng)迫振動(dòng)，認(rèn)為同時(shí)又具有間歇性和偶發(fā)性，主要是動(dòng)靜部件之間存在碰摩現(xiàn)象。造成油擋與轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰摩的因素主要有：汽輪機(jī)軸瓦油擋間隙調(diào)整過(guò)小，汽輪機(jī)軸瓦油擋定位螺絲失效，汽輪機(jī)軸瓦油擋積碳，發(fā)電機(jī)密封瓦內(nèi)油擋間隙過(guò)小或卡澀等。這些因素引起轉(zhuǎn)子與油擋密封之間的間隙消失，從而誘發(fā)動(dòng)靜碰摩故障。

表1 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

圖1 1#軸振變化趨勢(shì)

圖2 1#軸心軌跡

由于在機(jī)組連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中熱輻射的原因，油擋積碳是持續(xù)的，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，油擋積炭積累到一定程度后，動(dòng)靜間隙消失，從而導(dǎo)致動(dòng)靜碰摩的發(fā)生，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子軸振幅值的增大[5-6]。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的磨合之后，油擋和轉(zhuǎn)子脫離了動(dòng)靜接觸，轉(zhuǎn)子軸振幅值漸漸回落。機(jī)組在繼續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間后，油擋處積碳繼續(xù)累積變多，動(dòng)靜間隙再次消失，再次表現(xiàn)碰摩振動(dòng)的特征。如此反復(fù)循環(huán)，導(dǎo)致油擋積碳誘發(fā)的動(dòng)靜碰摩故障，除具有其他因素誘發(fā)的動(dòng)靜碰摩故障的所有特征以外，還具有頻發(fā)性和持續(xù)性的特點(diǎn)。

分析判斷該機(jī)組摩擦點(diǎn)在1#軸瓦油擋，由于油擋和轉(zhuǎn)子之間的潤(rùn)滑油受高溫影響后碳化積垢，導(dǎo)致間隙變小，誘發(fā)動(dòng)靜碰磨，當(dāng)積碳被摩擦脫落后，振動(dòng)恢復(fù)原始狀態(tài)。

3.3 故障處理方案

根據(jù)振動(dòng)故障的分析和診斷，做出如下處理方案：①停機(jī)后對(duì)1#瓦油擋進(jìn)行檢查；②減少高壓軸封端部漏氣量，對(duì)軸封系統(tǒng)進(jìn)行全面檢查；③系統(tǒng)管道進(jìn)行灌水查漏，重新校核軸封系統(tǒng)管道軸封壓力測(cè)點(diǎn)；④調(diào)節(jié)軸封風(fēng)機(jī)抽汽量。

3.4 檢查結(jié)果及處理措施

①對(duì)1#軸瓦進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)油擋內(nèi)存在油灰高溫碳化現(xiàn)象（圖3）；②檢修期間對(duì)油擋進(jìn)行徹底清理，重新調(diào)整油擋間隙；③檢查下油擋處軸瓦回油的泄油口，確保泄油順暢，避免少量潤(rùn)滑油不能及時(shí)回油導(dǎo)致積碳；④做好高壓汽缸軸端部位置和靠近軸承箱等部位的保溫，增加保溫棉隔熱；⑤加大對(duì)軸封風(fēng)機(jī)抽氣量的調(diào)整，減少軸封漏汽；⑥降低熱輻射強(qiáng)度和油擋溫度，減緩油泥碳化概率與速率；⑦對(duì)軸承箱油擋外側(cè)增加擋汽板，降低熱輻射水平，減少高溫軸封汽誘發(fā)油擋積碳的可能。

3.5 處理效果

經(jīng)過(guò)采取上述處理措施后，機(jī)組再次啟動(dòng)。沖轉(zhuǎn)及帶負(fù)荷過(guò)程中機(jī)組軸系振動(dòng)平穩(wěn)，各測(cè)點(diǎn)幅值優(yōu)良，持續(xù)運(yùn)行3 個(gè)月中，未再出現(xiàn)振動(dòng)大幅波動(dòng)現(xiàn)象。

4 總結(jié)

圖3 1#油擋積碳情況

近些年來(lái)油擋積碳誘發(fā)的動(dòng)靜碰摩振動(dòng)故障問(wèn)題較為突出。由于高（中）壓汽缸保溫工藝不良、軸封漏氣因素引起的熱輻射和轉(zhuǎn)子導(dǎo)熱因素的影響，往往使得高（中）壓轉(zhuǎn)子支撐軸瓦處油擋的溫度過(guò)高。同時(shí)，油泥積累在油擋不能及時(shí)排走，在高溫下逐漸碳化，是引起油擋積炭的主要原因。從而誘發(fā)動(dòng)靜部件產(chǎn)生碰摩現(xiàn)象，最終導(dǎo)致了汽輪發(fā)電機(jī)組的間歇性振動(dòng)問(wèn)題。