絕緣墊片引起的發電機異常振動分析及處理

李立波，閆 青，陸 源，李 帥

(1.大唐東北電力試驗研究院，吉林 長春 130012；2.遼寧大唐國際沈東熱電有限責任公司，遼寧 沈陽 110172；3.大唐黃島發電有限公司，山東 青島 266000；4.大唐東營發電有限公司，山東 東營 257000)

0 前言

振動超標是影響汽輪發電機本體安全運行的關鍵問題之一，針對該問題的研究也一直受到學者的關注[1-2]。實際上，造成汽輪發電機振動異常的原因有很多，如轉子匝間短路故障[3-4]，質量不平衡[5]，動靜碰磨[6]等。針對此類故障的檢測及解決方法也較為成熟。然而，受限于機組設計的差異性，同型機組發電機振動故障原因多存在一定的相似性，這本身是設計造成的[7]。例如上海電氣生產制造的亞臨界600 MW機組還在國內很多電廠服役。據不完全統計，70%以上機組都出現過發電機或勵磁機轉子異常振動情況。其振動原因多為熱態彎曲、質量不平衡、支撐剛度差等。但由絕緣墊片引起的異常振動并不多見，在國內已經見刊的論文中也很少有相關方面的研究和報道[8]。

本文從某發電機組7瓦軸振隨機組負荷波動入手進行分析和相關實驗，最終通過多次實驗和分析，找出了振動產生的原因為絕緣墊片老化，更換絕緣墊片后發電機振動恢復正常。

1 發電機振動情況介紹

1.1 軸系簡介

某廠汽輪發電機組為上汽廠生產的600 MW等級亞臨界機組，為N630-17/541/538型亞臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，機組軸系由一個高中壓轉子，兩個低壓轉子，一個發電機轉子和一個勵磁機轉子組成，發電機和勵磁機為三支撐結構。高中壓轉子軸承為落地式軸承，低壓軸承坐落于低壓排汽缸上，發電機軸承為端蓋式軸承。圖1所示為汽輪發電機組軸系簡圖，其中，1～9為軸瓦位置。

圖1 軸系簡圖

1.2 發電機振動情況

該機組于2019年4月份出現7瓦X和Y向軸振隨負荷波動發生變化的情況。2019年3月24日之前，7X和7Y振動相對比較平穩，3月28日開始，振動出現波動和上漲，至4月4日機組停機前，7X最大波動到116 μm，7Y最大波動到157 μm，已經超過報警值125 μm。4月7日機組再次啟動，定速后7瓦軸振基本能夠恢復至上次啟動時的幅值，隨負荷增加，100 MW時7X振動達到82 μm，7Y振動達到100 μm，至4月20日停機前，7X和7Y分別上漲到119 μm和167 μm，如圖2所示。

圖2 7瓦軸振故障前、后振動趨勢圖

通過查閱TDM振動歷史數據，發現7瓦軸振始終都是一倍頻占主導，其它頻率成分占比很小，基本可以忽略，如圖3所示。

圖3 7瓦全息譜圖

2 絕緣墊片故障原因分析及處理

2.1 振動原因分析

一般來說，引起軸振超標的因素主要來自軸系或者軸承[1]。其中，軸系因素有轉子不對中、動靜碰摩、質量不平衡等；軸承因素有軸瓦損壞、油膜振蕩、軸承座松動、軸瓦支撐失穩、汽流激振等。發電機的振動主要是基頻成分，屬于質量不平衡引起的強迫振動范疇，振動的變化說明轉子的平衡狀態發生變化，或者轉子的支撐剛度發生變化。

根據停機后再次啟動發電機振動幅值能夠基本恢復的現象，說明轉子本身的平衡質量沒有發生變化。因此，發電機轉子的支撐剛度發生了變化是造成振動出現波動的根本原因。支撐剛度主要由基礎剛度和軸承剛度構成，通過進行現場差別振動測試，基礎與臺板之間差別振動不超過5 μm，臺板與發電機底座之間的差別振動不超過4 μm，因此排除了基礎剛度的問題，但軸承剛度方面還不能排除，必須通過查閱相關參數和進行相關的試驗來進一步驗證和判斷。

2.2 軸系動平衡

由于7瓦軸振最大振幅已經超過報警值，嚴重影響機組的安全穩定運行。4月20日利用機組臨停機會進行了現場動平衡配重，目的是降低發電機轉子的激振力，使7瓦軸振的幅值降至報警值以下。鑒于7瓦軸振頻譜中一倍頻占比較大，通過現場配重的方式能夠降低7瓦的振動幅值。假設7瓦的油膜剛度是動態降低的，在不考慮油膜剛度的情況下，如果激振力足夠小，那么7瓦的振動幅值也可以控制在安全范圍內。

圖4 7Y振動頻譜圖

通過在低發對輪處進行配重，降低7瓦的基頻幅值是目前在沒有足夠停機時間徹底處理情況下所采取的臨時方案。根據轉子動力學特性[1]，其工作轉速大于二階臨界轉速而小于三階臨界轉速，更接近于二階臨界轉速，受其影響，7瓦和8瓦軸振的相位以反向分量為主，平衡發電機轉子反向的最佳配重平面是發電機轉子兩側的跨內加重面，由于發電機結構限制，這兩個加重平面位于兩側密封瓦之間，如果在此位置進行配重，需要拆掉發電機端蓋和密封瓦，工作量十分巨大。

在經過綜合考慮之后，最終選擇在發電機對輪上進行配重，此位置加裝平衡塊方便、快捷，不需要拆卸發電機端蓋和密封瓦，而且能夠有效降低發電機7瓦的振動幅值，同時對6瓦和8瓦軸振影響有限。經過計算，在低發對輪處配重750 g，將7X和7Y的振幅降低了20 μm。

圖5 低發對輪加重示意圖

雖然現場動平衡配重達到了預期的目的，但是從振動故障處理角度來說，并沒有徹底解決7瓦軸振波動的問題，只是將基礎振動幅值降低了一定的幅值，不至于影響機組的安全運行。如果要徹底解決7瓦軸振波動問題，還需要進一步的分析和檢查。動平衡前后振動數據如表1所示。

表1 動平衡前后振動幅值(3 000 r/min)μm/°

2.3 絕緣墊片故障的確認

為了進一步確認發電機振動原因，通過TDM歷史數據分析，發現7瓦Y方向的間隙電壓與初始值相比變化了2.9 V這一異常現象，按照Bently3300系列軸振傳感器的靈敏度7.87 mv/μm，換算后相當于7Y方向傳感器與轉子之間的距離變化了0.371 mm[6]。距離的變化會直接導致7瓦軸振傳感器X方向和Y方向的油膜剛度發生變化，從振動數據看，特別是Y方向變化比較明顯，進而導致Y方向的軸振發生波動和增大的異常現象。故障前后7瓦軸振間隙電壓變化情況如表2所示。

表2 故障前后間隙電壓變化情況

圖6 更換絕緣墊片后7X和7Y振動趨勢圖

根據振動現象和測試數據進行分析，判斷7瓦Y向絕緣墊片發生老化，導致傳感器與軸表面距離增大。停機時，解體7瓦進行全面檢查，測量瓦蓋緊力，發現Y方向墊鐵與瓦蓋間隙為0.30 mm，X方向墊鐵與瓦蓋間隙為0.05 mm。測量數據表明，7瓦在軸承座中的狀態發生了改變，Y方向軸瓦下沉較多導致頂部間隙變大。檢查絕緣墊片，發現Y方向老化比較明顯，墊片出現明顯發黑且疏松的現象，X方向老化現象不是很明顯，只是有輕微變形。更換發電機全部絕緣墊片后機組再次啟動，定速后的7X和7Y振動幅值均在優秀范圍內，通過幾天帶負荷數據的觀察，7X和7Y振動幅值穩定在正常范圍內，振動波動的現象也沒有再次出現。

表3 更換絕緣墊片后振動幅值(3 000 r/min)μm/°

2.4 關于絕緣墊片的再分析

間隙電壓是傳感器與轉子之間距離的最直接反應，他們之間成正比關系，即間隙電壓越大，轉子與傳感器之間的距離越遠，此方向的油膜剛度越差，振動幅值也會越大。

7號軸瓦下半部分是依靠2塊與水平方向成45°的球面墊鐵支撐的，在球面墊鐵與軸承之間有L型絕緣墊片，該墊片即為絕緣墊片，其厚度約為2 mm，采用環氧樹脂材料制作，具有良好的絕緣性能。絕緣墊片要承受發電機轉子傳遞的變化的激振力，長期使用會使絕緣墊片老化，厚度發生變化必然會造成軸瓦下沉，如果左右兩側絕緣墊片老化程度不一，就會導致軸瓦單側偏斜，此方向的支撐剛度發生較大變化，進而引起軸振幅值的變化[9-10]。

絕緣墊片作為整個汽輪發電機組軸系中的一小部分，很容易被忽視，但其在汽輪發電機組軸系振動中所發揮的作用是至關重要的。絕緣墊片始終處于比較惡劣的環境下，長期受到潤滑油的浸泡容易產生分層、疏松，進而導致絕緣墊片老化，影響軸瓦的支撐剛度發生變化，導致發電機或勵磁機產生異常振動。發電企業在環氧樹脂材料墊片的選擇過程中要充分考慮絕緣性、抗沖擊強度、抗水性，并且材料密度要足夠高，同時在溫度變化時還要有一定的穩定性，這樣才能最大程度的避免絕緣墊片導致的發電機振動問題。

3 結論

本文從發電機7號軸承振動異常入手，首先通過動平衡手段降低了振動幅值，然后結合實驗數據和理論分析，根據間隙電壓的異常變化情況，確認了造成發電機振動異常的根本原因是絕緣墊片老化。更換絕緣墊片后7號軸承振動異常故障得以徹底解決，保障了機組的安全穩定運行。