1000MW超超臨界汽輪機1號軸承振動分析及處理研究

華潤電力控股有限公司華中大區 付燦平

2006年11月上海電氣集團引進德國西門子公司技術生產的首臺1000MW超超臨界汽輪發電機組在華能玉環電廠投入商業運行，目前國內已有100多臺該型機組投入運營[1]。盡管該機型在熱力性能、快速啟動、運行靈活、可靠性及調峰能力等諸多方面有顯著優點，但在實際運行中軸系出現一些典型的振動故障，尤其是#1軸承。其軸系布置和汽缸結構等特點導致準確的診斷其故障有一定的難度，致使無法制定通用可行的消振措施。

汽輪機#1軸承振動問題是一個比較普遍的問題，嚴重時甚至影響機組帶負荷能力，威脅機組安全穩定運行。很多電廠由于#1軸承振動問題無法帶滿負荷從而影響機組迎峰度夏、迎峰度冬的保電工作，且低負荷出現振動問題也會導致機組深度調峰能力下降，無法配合電網進行深度調峰，個別電廠還出現過因#1軸承振動大導致機組跳機。因此，了解和掌握該機型#1軸承振動故障原因及處理方法具有重要現實意義。

1 某電廠汽輪機#1軸承振動概況

上汽1000MW超超臨界汽輪發電機組軸系是高壓轉子、中壓轉子、兩個低壓轉子、發電機轉子、勵磁機轉子及8個支持軸承組成，各轉子通過剛性聯軸器連接，高壓轉子前端還有液壓盤車裝置，布置于汽輪機#1軸承箱內。汽輪機的5個支持軸承均是經過特殊優化的袋式軸承，分別座落在5個落地式軸承座內。#1軸承為袋式軸承，是橢圓軸承的一種特殊形式，相對于常規可傾瓦軸承，承載能力更高，最大比壓可達到3.2MPa；其最突出的特點在于下瓦的型線根據需要進行了特殊優化，由三段連續的圓弧構成，軸承更易于形成動壓潤滑油膜，提高承載能力和穩定性。某電廠2020年3月#3機組運行過程中1X、1Y軸振較大，當1X軸振幅值最大時記錄各測點振動數據如表1。

由表1數據可知，振動最大的頻率分量是一倍頻，同時含有一定的半頻分量。查DCS歷史數據，#1軸振變化趨勢與負荷有相關性，負荷降低幅值增大，負荷升高幅值逐漸減小。在機組停運過程中，#1軸承振動一直偏大，最高可達143μm（機組轉速2000r/min附近#1軸承軸振143μm、#2軸承軸振178μm），且主要為半頻分量。通過對該機組#1軸承振動長期監測和異常狀態下的頻譜分析，該軸承振動主要有以下現象和特點：

表1 1X軸振幅值最大時各測點振動數據

#1軸承振動存在半頻分量較大的振動和基頻分量較大的振動兩種類型；#1軸承振動與機組負荷關系較大。一般機組高負荷（≥800MW）時振動較小，低負荷（≤600MW）時振動較大，但高負荷時也有振動大的情況，這時一般都存在半頻分量振動較大，而低負荷時振動大一般都存在基頻分量振動較大的現象；#1軸承的振動與軸瓦溫度、油膜壓力也存在一定關系，一般高負荷時上半軸瓦溫度升高、油膜壓力較低，低負荷時下半軸承溫度升高、油膜壓力增大；#1瓦軸承振動敏感性較大，容易受環境溫度、機組負荷、蒸汽參數、調門開度、凝汽器真空等因素影響并導致振動異常增大。

2 振動原因分析及控制措施

2.1 振動原因分析

汽輪機在運行過程中，受設計制造、建設安裝、檢修維護、外部環境及運行參數變動等因素影響，都有可能會引起振動異常，從而影響機組的安全經濟運行。一般引起汽輪機#1軸承振動的主要原因如下：

汽輪機高壓轉子較輕（約20t），#1軸承壓比較小（＜1.5MPa），軸承負載較輕，導致油膜不穩定；存在#1軸承支架與球面墊鐵底部因電腐蝕導致接觸不良，長期運行振動增大并產生磨損，導致軸承自位性能不佳；軸承支架與球面墊鐵磨損、軸承座二次灌漿、基礎沉降及管道應力等影響，導致軸瓦標高下沉；軸瓦自身的接觸情況差，軸承間隙（轉子與軸承直接的間隙）/軸承緊力（軸承與軸承座之間的緊力）等數據超標。

軸承橫向限位插銷間隙超標，限位插銷因振動導致磨損。軸承潤滑油進油塞塊或頂軸油模塊逆止門存在內漏，導致油膜壓力低；汽缸與高壓轉子不同心，機組運行中存在汽流激振力或動靜碰磨現象；液壓盤車和高壓轉子的對中狀態不佳，不能形成連續的揚度；機組運行中因外部環境、運行參數發生急劇變化導致軸承自身的自激振動變化，引起#1軸承振動增大。

2.2 機組運行中振動的控制措施

通過對#1軸承振動產生的原因進行分析，經過具體的實踐經驗摸索總結出運行中#1軸承振動的控制措施：

碰磨類振動（或者基頻分量較大振動）。特征：一般出現在800MW以下，隨負荷降低軸振、瓦振同步變大，與負荷呈負相關；控制措施：盡量提高機組負荷，避開振動大的負荷區間；滑壓運行，降低主汽溫和主汽壓，保持高調門開度40%以上，此種方法非常有效，只要是采用這種方式基本可以維持機組任何負荷運行，但對運行經濟性有較大影響。

油膜震蕩類振動（或者半頻分量較大振動）。特征：一般出現在900MW以上負荷，表現為軸振出現階躍上漲，之后在較高范圍內跳變（波動幅度大于10μm），軸振中半頻分量相對較大，瓦振一般較小；預控措施：900MW以上負荷，控制爐側和升壓站側主汽溫存在一定偏差，具體偏差的大小和方向應結合具體機組的情況來確定[2]；降低機組變負荷的速率，尤其是升負荷過程中更應注意振動情況，如果發現振動有上漲趨勢應停止升負荷，待振動穩定后再繼續升負荷；可通過試啟頂軸油泵或直流潤滑油泵的方式使軸承油膜穩定下來；在保持主汽溫左右偏差的前提下，也可嘗試深度滑壓運行方式使振動下降；可在#1軸承箱蓋上的頂絲孔，用加長頂絲頂住軸瓦可以很好控制半頻分量引起的振動；如果長期油膜不穩會對軸瓦產生損壞，當振動控制不住應采取降負荷的方式來調整。

3 機組檢修檢查及處理

通過對#1軸承振動原因的分析，找出了#1軸承存在的主要問題，針對這些問題，檢修中進行相應的排查及處理。

檢查軸承瓦枕的球面接觸。復查發現#1軸承瓦枕球面電腐蝕嚴重，與軸承支架配合較差，接觸面積約為20%。由于此處球面接觸修刮難度較大，故提前備好了一套軸瓦和支架，本次檢修直接更換了軸瓦及軸承支架。回裝時應注意調整軸承支架與軸承墊塊的接觸位置，并保證軸瓦的瓦口間隙均勻。為有效減小#1軸承與支架之間的電腐蝕，在#2軸承處加裝碳刷以消除高壓轉子軸電流引起的瓦枕電腐蝕。

檢查軸承左右兩側插銷間隙和上半的防跳間隙。復查發現#1軸承蓋爐側防跳間隙為0.60mm，超出設計值0.35mm。回裝時以上間隙應嚴格按照圖紙標準并下限調整，并保證接觸均勻；檢查#1軸承內外油檔間隙及油檔洼窩中心值、轉子與汽缸同心度。復查發現#1軸承內、外油檔間隙均較設計值偏大0.1～0.2mm，#1軸承油檔洼窩中心值偏低0.065mm，高壓缸前軸封間隙上下偏差0.60mm，左右偏差0.30mm。采用碰缸的方法調整高壓轉子中心，保證通流間隙上下左右均勻，同時調整油檔間隙符合設計標準要求。

檢查#1軸承潤滑油進油塞塊、逆止門及頂軸油軟管。復查發現#1軸承潤滑油進油塞塊調整墊破損，且緊固螺栓斷裂三顆，逆止門及頂軸油軟管正常無泄漏。回裝時更換了進油塞塊調整墊與緊固螺栓；檢查油檔洼窩中心數據。根據#1軸承運行中油膜壓力和檢修中測量的油檔洼窩中心數據，將軸瓦標高抬高0.12mm，以提高軸瓦載荷。

經過檢修中的徹底排查及處理，引起#3汽輪機#1軸承振動大的原因得以消除，機組啟動后#1軸承的軸振與瓦振均明顯下降，達到了優良水平。檢修后運行中三個典型工況下汽輪機軸承振動情況如表2。

表2 三個典型工況下軸承測點振動數據

綜上，雖然上汽1000MW超超臨界汽輪機#1軸承振動問題普遍存在，而且是行業內的一項技術難題，但通過監測其振動的變化趨勢、探究其振動的規律、分析其振動的原因，根據振動的原因及時采取控制措施，并結合機組停機或計劃檢修對軸承、高壓轉子及汽缸等部套進行全面排查，發現問題進行相應的處理，基本上就可以解決。