350 MW超臨界汽輪發電機組異常振動診斷

劉雙白，吳 昕，李玉寶，謝昌亞，陳凱亮，許繼東，李永康

(1.國網冀北電力有限公司電力科學研究院(華北電力科學研究院有限責任公司)，北京 100045；2.中節能工業節能有限公司，北京 100000；3.華北電力科學研究院(西安)有限公司，陜西 西安 710000)

0 引言

汽輪發電機組是電力系統中重要設備之一，高溫高壓蒸汽在汽輪機缸體內膨脹做功，推動汽輪機轉子及相連的發電機轉子同步旋轉，由此切割磁感線生產電能[1]。目前，汽輪發電機組運行中出現的很多振動異常現象仍困擾著機組正常生產工作。由于汽輪機軸系處在復雜的運行環境，其振動影響因素較多，同時，各運行參數具有極高的耦合性，相關參數不易甄別，因此準確診斷振動故障對機組的安全穩定運行具有重大的現實意義[2-3]。

汽輪發電機組的振動監測是新建機組整套啟動及大修后機組啟動的重要環節，特殊的異常振動甚至直接影響機組的投產時間及帶負荷能力。郝帥[4]等人通過試驗分析確診了某350 MW超臨界汽輪機高中壓轉子發生了劇烈的汽流激振，雖然切換至順序閥方式運行成功完成了機組168 h滿負荷試運，但汽流激振仍困擾著該機組高負荷運行能力。何國安[5]等人研究了某330M W亞臨界汽輪機高中壓轉子在低負荷工況下出現大幅的振動波動現象，分析指出汽輪機高中壓轉子軸封應慎重使用蜂窩汽封，以盡量避免因汽封改造帶來的振動問題。王延博[6]等人針對某1 000 MW機組調試期間的振動異常現象進行了診斷分析，并通過對低壓轉子及發電機轉子進行高速動平衡，使軸系振動降至優良水平。朱小東[7]、李立波[8]等人通過現場動平衡成功解決了由發電機轉子線圈不對稱膨脹產生的熱不平衡導致的發電機軸瓦振動大問題。

本文基于某350 MW超臨界汽輪發電機組整體調試工作，針對該機組在整套啟動期間出現的沖車過程發電機振動異常、定速后低壓轉子振動異常、首次并網高中壓轉子振動異常及高負荷工況發電機振動異常等四類現象，結合實際運行參數及頻譜分析數據，進行了相應分析，并判定了振動異常的原因?；谠摲治鼋Y果提出了合理化建議，最終幫助機組順利完成了168 h滿負荷試運。

1 設備簡介

某350 MW超臨界汽輪發電機組采用東方電氣集團東方汽輪機廠有限責任公司生產的CJK350/300-24.2/0.4/566/566型350 MW超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機。發電機為山東濟南發電設備廠有限公司的QFa-350-2型350 MW全空冷汽輪發電機，發電機采用靜態勵磁。

汽輪機高中壓轉子、低壓轉子和發電機轉子分別用剛性聯軸器聯結，發電機采用自勵磁方式。整個軸系支承在6個軸承上，如圖1所示。其中，1、2號軸承為可傾瓦軸承，3、4、5、6號軸承為橢圓軸承，推力軸承位于高中壓轉子后端。1、2、5、6號軸承均為落地軸承，3、4號軸承坐落在排汽缸上。

圖1 汽輪發電機組軸系結構示意圖

2 沖車過程發電機振動異常分析

該機組首次沖車期間，在轉速升至2 480 rpm后，5、6瓦軸振迅速增大，并于2 625 rpm達到峰值，隨著轉速越過2 625 rpm繼續升速，發電機軸瓦振動迅速降低，如圖2所示?？梢钥闯觯? 480 rpm時，軸振5X、5Y、6X、6Y分別為49 μm、45 μm、53 μm、53 μm，隨后迅速增大，直至2 625 rpm時，5X、5Y、6X、6Y分別達到76 μm、56 μm、113 μm、92 μm，定速3 000 rpm后振動近乎恢復至2 480 rpm時水平。可以看出，在該轉速區間內，5、6瓦軸振及瓦振均有所增大，說明發電機轉子確實產生了異常振動現象；同時，6X通頻振幅增大了6絲，其振動變化較5瓦更為劇烈；該異常振動現象對機組3 000 rpm運行影響較小?？肇摵稍囼灪?，打閘停機惰走發現，與啟機情況類似，發電機兩側軸瓦振動在同轉速區間同樣出現了峰值?？紤]到廠家提供的發電機轉子二階臨界轉速設計值為2 663 rpm，此時認為該振動可能是機組通過發電機二階臨界轉速所造成的。

圖2 首次沖車發電機轉子振動趨勢圖

此后振動分析儀器調試完成，通過頻譜分析發現，在上述轉速區間內出現的振動突增過程中，5、6瓦軸振工頻分量較為穩定，振動的陡增主要源于二倍頻分量，如圖3所示。其中5X二倍頻分量由20 μm增至45 μm，6X二倍頻分量由30 μm增至90 μm?？紤]到工頻分量近乎不變，因此該振動異?，F象并非由轉子過二階臨界時所引起。由伯德圖分析發現，該發電機轉速一階、二階轉速分別為800 rpm及2 150 rpm左右?？紤]到發生異常振動時轉速已高于二階臨界轉速，一般發電機三階臨界轉速較高，由此判定該異常振動可能為發電機副臨界振動，由二倍頻振動頻率與發電機轉子三階臨界轉速相重合導致。

圖3 頻譜分析數據

發電機轉子的二倍頻振動主要是由轉子結構所決定的。由于轉子本體上開有大小齒槽，大、小齒兩個橫截面上的抗彎剛度不等。轉子旋轉一周的過程中，重力引起的撓度會發生兩次變化，導致發電機轉子產生二倍頻振動。只要主慣性矩差存在，這種振動就會存在，其大小與兩截面主慣性矩之差有關，與轉子本身動平衡狀況無關。升速過程中，轉速升到0.5倍轉子臨界轉速時，此時二倍頻振動頻率與轉子臨界轉速正好重合，從而產生了二倍頻共振[9]。

此后，二號機組啟機過程中，相近轉速區也發生了同幅度的振動突增現象，也印證了這是由該發電機自身固有屬性引起的異常振動現象?？紤]到共振轉速區較小，機組3 000轉定速運行未受影響，因此增加了該區域轉速升速率，保證了兩臺機組的順利沖轉定速。

3 定速后低壓轉子振動異常分析

機組定速后，各瓦振動均處于優良水平，隨后逐項進行空負荷試驗。完成主汽門及調門嚴密性試驗后，低壓轉子兩側3、4瓦軸振逐步增大，如圖4所示。從圖中可以看出，在該時間段內，3、4瓦多次發生振動異常，3X振動最大峰值達到120 μm，4X振動最大峰值達到70 μm。基于頻譜分析，該振動變化均為一倍頻分量的變化，從數據及趨勢來看判定低壓轉子發生了動靜碰摩。從圖中可以看出，在200 min附近4瓦發生了較為嚴重的動靜碰摩，此時軸封供汽溫度為110 ℃，軸封回汽溫度僅為 98 ℃，軸封回汽為過冷狀態，可能存在軸封帶水情況。由于一路門桿漏氣接至軸封供汽，考慮到此前剛剛完成主汽門及調門嚴密性試驗，頻繁的打閘、沖車引起軸封壓力的變化，會引起軸封供汽不足，導致軸封溫度下降，引起軸封變形，促使動靜碰摩。于是在保證低壓兩側軸封不冒汽的前提下，適當提高軸封供汽壓力，可以看到軸封壓力提高3 kPa后，低壓軸封供回汽溫度均有明顯上升。

圖4 低壓轉子振動變化趨勢

由于軸封供汽壓力調整至33 kPa已明顯高于設計壓力28 kPa，而此時低壓軸封供汽溫度僅為120 ℃，軸封回汽溫度僅為105 ℃，回汽溫度略微高于蒸汽壓力下的飽和溫度，此時低壓軸封減溫水調門全關，說明低壓軸封仍處于非正常工況。大幅度調整軸封供汽壓力，供回汽軸封溫度仍不理想，因此懷疑低壓缸噴水對軸封溫度存在較大影響。隨后嘗試全關低壓缸噴水調門，發現軸封供汽溫迅速上升，開啟低壓缸噴水調門，軸封溫度迅速降低。由此說明低壓缸噴水對軸封溫度影響極大，因此全關低壓缸噴水調門。隨后，軸封供回汽溫度迅速回升，開啟軸封減溫水調門將軸封供汽溫度降至160 ℃，軸封回汽溫度逐步升至120 ℃。從圖4中可以看出，在調整軸封供汽過程中，隨著軸封供汽溫度波動，不時出現動靜碰摩，因此，保持軸封供汽溫度及壓力的穩定，是解決振動異常的首要基礎。

為了緩解低壓缸噴水對軸封溫度的影響，進行了如下工作：

(1)在低壓缸內導流環后增加密封板，阻止低壓缸噴水經內導流環后方間隙進入軸封。

(2)在凝汽器喉部軸封供汽管道未包保溫層部分增加保溫層。

經上述調整后，低壓缸噴水對軸封溫度的影響得以消除，軸封溫度穩定保持在150 ℃，3、4瓦振動異常再未出現，168滿負荷試運期間，軸振均保持在50 μm以下。

4 首次并網高中壓轉子振動異常分析

機組首次并網，帶初負荷暖機以滿足機械超速試驗條件。在增長負荷時，出現1瓦軸振突增現象，振動爬坡到峰值后，緩慢降至原先振動水平，如圖5所示。由于邏輯設定當機組負荷高于15%額定負荷時，主再熱疏水門聯關。從圖中可以看出疏水門關閉后，3 min內機組負荷由52 MW漲至75 MW，隨后振動開始增大，1X變化最為明顯，從40 μm增至167 μm。通過頻譜分析，該振動變化主要以一倍頻變化為主，同時，一倍頻相位也相應變化，振動異常消失后，相位又回歸原先水平。觀察分析振動趨勢，判定高中壓轉子發生了動靜碰摩。由該機組汽封間隙選取了廠家設計下限，因此極易在熱力狀態變化過程中出現動靜碰摩。從圖中可以看出，在振動突增前1X振動偶有冒尖，已經存在輕微的碰摩表現，此時處于碰摩的初期；隨后動靜碰摩緩慢發展，在負荷較為穩定時，1瓦振動慢慢爬升；隨著主再熱蒸汽管道疏水門的聯關，突增的汽量引起的轉子的不穩定，使得碰摩迅速加劇，振動加速增長，同時碰摩引起的轉子局部溫度的變化導致轉子產生了一定的臨時性熱彎曲，生成了新的不平衡量，促使一倍頻相位快速變化；爾后，碰摩點脫開，轉子溫度均勻降低，熱彎曲程度逐步減輕，振動呈光滑二次曲線降至原始水平。

圖5 高中壓轉子振動變化趨勢

機械超速試驗完成后再次并網，出現了更為劇烈高中壓轉子碰摩現象，如圖6所示。在40 min內，1X由30 μm增至230 μm。從圖中可以看出，在振動峰值時，盤前運行人員提高了潤滑油溫度，從45 ℃快速提升至48 ℃，隨后振動開始下降。提高潤滑油溫度可以提高油膜剛度，增強轉子轉動的穩定性，有助于抑制油膜渦動引起的低頻振動，對于正常的動靜碰摩并無明顯益處。此次提高潤滑油溫度后振動開始下降，有可能此時正巧碰摩點脫開，振動開始下行；也有可能油溫的提升，降低了油膜高度，正巧碰摩點偏上方，加速了碰摩的脫開。經過這兩次較為劇烈的動靜碰摩，動靜間隙逐漸合理，高中壓轉子再未發生過明顯的動靜碰摩。在AGC試驗期間頻繁升降負荷及168滿負荷試運期間，1、2瓦振動均保持穩定，1X在20 μm以下，2X在40 μm以下，振動良好。

圖6 再次劇烈碰摩時振動變化趨勢

5 高負荷發電機振動異常分析

圖7為機組首次帶50%負荷時，各參數變化趨勢圖。從圖中可以看出，首次帶50%負荷，此時5X振動為63 μm。此后，機組逐步帶負荷至280 MW，5X振動由63 μm上漲至87 μm。機組穩定負荷280 MW，此時5瓦X、Y方向軸振出現拐點式的快速上漲。3 h后，5X增長至127 μm并逐步穩定。隨后，機組開始增長負荷，在升負荷過程中，5X振動逐漸降低，當機組首次帶至滿負荷時，5X降至100 μm。隨后再次升負荷至350 MW，振動略有波動。

圖7 高負荷相關參數變化趨勢

結合頻譜分析情況，5瓦軸振及瓦振主要是一倍頻分量，尤其上述振動變化過程均源于一倍頻分量的增減。機組首次帶滿負荷，5X振動變化期間，一倍頻幅值由63 μm增至126 μm后回落至100 μm，一倍頻相位由179°增至185°后降至180°，初步判定發電機轉子出現了一定的熱不平衡量。結合隨后一次的停機及啟機過程發現，停機過臨界時，5X軸振為106(118)∠167°，而啟機過臨界時，5X軸振為34(46)∠145°，可以確定該機組熱態存在較為嚴重的臨時熱不平衡。結合機組170 MW與280 MW的振動參數，該不平衡量引起的矢量振動達到68 μm。從圖7可以發現：真空的變化對于5瓦軸振影響較小，結合運行數據，真空變化10 kPa，3、4、5、6瓦各瓦軸振及瓦振變化不明顯；發電機冷風溫度的變化對5、6瓦振動影響較小，冷風溫度變化5℃，各瓦振動變化不明顯。

待機組完成50%甩負荷后再次并網，5瓦軸振隨負荷變化的更為均勻穩定。圖8為機組反復從175 MW至350 MW升降負荷時各參數變化趨勢。從圖中可以看出：5瓦軸振隨著機組負荷的增減而同向增減，5X最大增至130 μm；5X的變化表現為較為均勻的增減，并未出現首次高負荷時280 MW振動增加，增負荷后振動下降的現象；該振動變化現象及變化幅度具有較好的重現性；相同有功功率條件下，勵磁電流的變化對振動略微存在影響。

圖8 相關參數變化趨勢

隨后機組進行了100%甩負荷試驗，再次并網帶滿負荷發現，5X軸振增長至130 μm，相位增至191°。機組168滿負荷試運期間，5X軸振繼續增長并保持在150 μm。

結合上述現象，本文判定該機組發電機出現了臨時性的熱不平衡。一般來說發電機的熱不平衡主要來自四個方面：匝間短路，通風冷卻不均，轉子材質不均以及轉子線圈膨脹受阻。

(1)匝間短路

當發電機兩個極面上發生短路的匝數相差很大時，兩極繞組中產生的熱量不等，出現溫差，使轉子繞組和轉子本體的熱膨脹出現不對稱現象，最終使轉子出現熱敏性，導致振動變化[10]?？紤]到該機組為新建機組，從機組的出廠前的試驗檢查以及機組在正常運行過程中，均未出現明顯的匝間短路表象，由此排除發電機轉子存在不穩定匝間短路的可能。

(2)通風冷卻不均

發電機通風冷卻不均將引起轉子溫度不均，導致發電機轉子出現臨時性熱彎曲，造成熱態時發電機轉子振動一倍頻的變化。一般來說，降低發電機冷卻介質溫度將會加劇轉子的溫度不均，造成振動增長，反之，升高發電機冷卻介質溫度將緩解軸振；同時，冷卻介質變化所引起的振動變化具有較好的復現性。通過觀察運行數據，冷風溫度的變化并未引起5X軸振較為明顯的變化。同時考慮到該新建機組在穿轉子前進行了詳細檢查，綜合排除了發電機轉子存在通風冷卻不均的情況。

(3)轉子材質不均

轉子材質不均將引起轉子熱態膨脹不均，導致出現臨時性熱彎曲[11]。

(4)轉子線圈膨脹受阻

隨著勵磁電流的增大，發電機轉子線圈逐步受熱膨脹，若一部分轉子線圈與楔下墊條之間的摩擦力較大，使得該段線圈膨脹受阻，而此時其他轉子線圈膨脹正常，即會發電機轉子發生熱彎曲，引起熱不平衡。

查閱發電機廠家提供的發電機轉子熱跑試驗參數后發現，發電機轉子被加熱至70℃較冷態存在4絲的振動變化，說明該發電機轉子受熱后平衡狀態將會發生變化。

基于上述分析，本文認為此機組發電機帶負荷振動異常現象源于發電機轉子的熱不平衡，具體可能是由轉子材質引起的不均勻膨脹?？紤]到當前的供熱需求，機組經過168 h試運后將立即轉至抽凝工況，勵磁電流整體水平將隨電負荷降低，振動也將適當降低。由此，本文建議：業主與發電機廠家進行溝通，商定可保持安全運行的振動上限，若接近振動上限則適當降低負荷；可通過高速動平衡適當降低高負荷下振動，讓發電機廠家備好平衡塊，有停機機會及時進行配重。

實際該機組經168滿負荷試運后，一直保持在175～280MW抽凝工況運行，5X振動隨負荷在100 μm左右小幅度波動。供熱季后，通過現場動平衡將5瓦振動降低至70 μm。

6 結論

本文針對該機組在整套啟動期間出現的沖車過程發電機振動異常、定速后低壓轉子振動異常、首次并網高中壓轉子振動異常及高負荷工況發電機振動異常等四類現象，進行了診斷分析，結論如下：

(1)沖車過程發電機振動異常是由于發電機轉子的二倍頻振動頻率與發電機轉子三階臨界轉速相重合產生的發電機副臨界振動，應增加升速率快速通過該轉速區。

(2)定速后低壓轉子振動異常是由軸封溫度波動引起的動靜碰摩，具體來說是由于低壓缸噴水對軸封溫度影響較大，通過增加護板及保溫，問題得以解決。

(3)機組首次并網后高中壓兩側軸振出現了突增現象，主要是由偏小的汽封間隙引起的動靜碰摩，待多次碰摩后，間隙偏向合理，碰摩的幅度跟頻率大為降低。

(4)高負荷下發電機轉子振動大，經過綜合分析，判定可能原因為發電機轉子的熱不平衡，并基于機組實際運行情況提出了合理性的措施建議。