1 000 MW 發(fā)電機組軸瓦異常振動原因分析及處理

付燦平，高 嵩，王善雷

（1.華潤電力（仙桃）有限公司，湖北 仙桃 433024；2.華潤電力湖北有限公司，湖北 赤壁 437300）

0 引言

某發(fā)電廠1 000 MW 超超臨界機組發(fā)電機為上海汽輪發(fā)電機有限公司引進(jìn)德國西門子公司技術(shù)生產(chǎn)的THDF125/67 型三相同步、水-氫-氫冷汽輪發(fā)電機，定子繞組為直接水內(nèi)冷，定子鐵心及轉(zhuǎn)子繞組為氫氣冷卻，密封油采用單流環(huán)式密封，勵磁采用無刷勵磁系統(tǒng)[1-2]。發(fā)電機組軸系是由高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、兩個低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、勵磁機轉(zhuǎn)子及8 個支持軸承組成（見圖1），各轉(zhuǎn)子通過剛性聯(lián)軸器連接，其中發(fā)電機兩端由端蓋式軸承支承，勵磁機為單軸承支承[3-4]。

圖1 汽輪發(fā)電機組軸系圖

自投產(chǎn)以來4 號機組發(fā)電機6 號、7 號軸瓦瓦振一直偏大、軸振較小，隨著機組的運行，發(fā)電機軸瓦瓦振開始波動并呈上升趨勢（軸振無變化），嚴(yán)重威脅機組安全穩(wěn)定運行。經(jīng)過運行參數(shù)調(diào)整，發(fā)電機軸瓦、密封瓦、轉(zhuǎn)子部件檢查，軸系中心調(diào)整，低-發(fā)（低壓轉(zhuǎn)子-發(fā)電機轉(zhuǎn)子）對輪上動平衡配重等常規(guī)措施處理后[5-8]，發(fā)電機軸瓦瓦振仍較大。通過技術(shù)分析及咨詢論證，首次在現(xiàn)場進(jìn)行1 000 MW 發(fā)電機膛內(nèi)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)上配重，以徹底解決4 號機組發(fā)電機軸瓦振動問題。

1 振動情況及分析

1.1 振動情況介紹

2020 年3 月機組調(diào)停后啟動，啟動過程中6號、7 號軸瓦瓦振（振動速度）在通過二階臨界時分別達(dá)到12.6 mm/s，13.0 mm/s（相位相反），接近3 000 r/min 時瓦振快速增大，3 000 r/min 定速時發(fā)電機空載狀態(tài)6 號、7 號軸瓦瓦振單峰值分別為6.3 mm/s，8.3 mm/s。6 號、7 號軸瓦啟動過程中瓦振的伯德圖如圖2 所示。

圖2 6 號、7 號軸瓦升速過程中瓦振的伯德圖

機組并網(wǎng)帶負(fù)荷后，發(fā)電機6 號、7 號軸瓦瓦振隨機組負(fù)荷增加而明顯增大，且不穩(wěn)定，7號軸瓦瓦振最大達(dá)到12.7 mm/s，但軸振基本無變化，機組運行過程中各負(fù)荷段6 號、7 號軸瓦振動情況見表1。

表1 6 號、7 號軸瓦振動數(shù)據(jù)

1.2 振動情況分析

發(fā)電機軸振較小、瓦振較大，主要是發(fā)電機軸瓦及支撐系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)共振，可能原因為[1-3]：

（1）發(fā)電機底座與臺板之間的墊片布置不合理，導(dǎo)致發(fā)電機底腳承載不均勻。

（2）發(fā)電機軸瓦與瓦枕存在接觸不良情況（按要求接觸面應(yīng)不小于75%）。

（3）發(fā)電機基礎(chǔ)臺板二次灌漿質(zhì)量存在缺陷，導(dǎo)致承載剛度不足。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子不平衡狀態(tài)不夠良好，在剛度不足的情況下易造成發(fā)電機瓦振大，可能原因為[4-5]：

（1）低-發(fā)（低壓缸-發(fā)電機）對輪中心、勵-發(fā)（勵磁機轉(zhuǎn)子-發(fā)電機轉(zhuǎn)子）對輪中心、勵磁機短軸晃度及8 號軸瓦承載力不佳都會引起轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡，從而增大發(fā)電機軸瓦的軸振，進(jìn)而影響瓦振。

（2）發(fā)電機、勵磁機轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量不平衡導(dǎo)致軸振大，進(jìn)而影響瓦振。

（3）軸系存在動靜碰磨，導(dǎo)致軸系不平衡引起發(fā)電機軸振大，進(jìn)而影響瓦振。

2 處理措施

2.1 機組運行期間的處理措施

2.1.1 運行參數(shù)的調(diào)節(jié)

為防止發(fā)電機軸瓦振動的擴大，機組運行中進(jìn)行了變密封油溫度、變發(fā)電機氫溫、變凝汽器真空度及變軸封壓力等試驗[6-11]。

（1）變密封油溫度：試驗中將密封油溫度由40 ℃逐步提升至50 ℃，發(fā)現(xiàn)密封油溫度高時6號、7 號瓦振減小0.2～0.6 mm/s，稍有下降。

（2）變氫氣溫度：試驗中將冷氫溫度由42 ℃提高至50 ℃，調(diào)整后6 號、7 號瓦振減小0.5～1.0 mm/s，有明顯下降。

（3）變凝汽器真空度：試驗中將A、B 側(cè)凝汽器之間真空聯(lián)絡(luò)門打開進(jìn)行調(diào)整，真空聯(lián)絡(luò)門打開后6 號、7 號瓦振減小0.6～1.2 mm/s，有明顯下降。

（4）變軸封壓力：試驗過程中將軸封壓力從4 kPa 升至20 kPa，6 號、7 號瓦振沒有明顯變化。

根據(jù)運行參數(shù)調(diào)整試驗結(jié)果可知，提高密封油溫度和發(fā)電機氫溫、降低凝汽器真空度可在一定程度上抑制6 號、7 號瓦振。由此制訂運行中的臨時控制措施，即將密封油溫度維持在50 ℃，發(fā)電機氫溫控制在50 ℃，若7 號瓦振超過11 mm/s，再適當(dāng)降低凝汽器真空度。

2.1.2 發(fā)電機基座頂部壓砂袋

根據(jù)振動特征判斷4 號機組7 號瓦振大及不穩(wěn)定的根本原因是發(fā)電機軸承及支撐系統(tǒng)剛度低，存在結(jié)構(gòu)共振。為防止發(fā)電機軸瓦振動進(jìn)一步加劇，機組運行中嘗試采用砂粒阻尼方案，即在發(fā)電機基座兩端頂部壓砂袋[12]。

采用細(xì)度模數(shù)大于3 的粗砂粒，用粗麻布袋裝載，每袋質(zhì)量約50 kg，分別布置于發(fā)電機基座汽端、勵端頂部（見圖3）。為防止砂袋滑落，用空心圓管搭建外圍框架，勵端基座為弧形，需從中部開始搭建鋼管護(hù)欄至頂部。

圖3 汽、勵端砂袋布置示意

根據(jù)測算，汽端加重約1.6 t 砂袋，勵端加重約2.4 t 砂袋，加重后發(fā)電機振動明顯減小，7 號瓦振下降至10 mm/s 以內(nèi)。

2.1.3 發(fā)電機底腳螺栓緊固

因發(fā)電機底腳與基礎(chǔ)臺板之間特殊的連接方式，6 號、7 號軸瓦振動增大后，發(fā)電機臺板的振動也隨之增大，測試發(fā)現(xiàn)發(fā)電機底腳與基礎(chǔ)臺板間存在差別振動。因發(fā)電機基礎(chǔ)臺板二次灌漿質(zhì)量存在缺陷，導(dǎo)致發(fā)電機與臺板連接剛度降低，故需要對發(fā)電機的底腳螺栓進(jìn)行復(fù)測緊固[13]。按照發(fā)電機廠家要求采用液壓拉伸組件，以額定470 kN 力矩，對發(fā)電機底腳螺栓依次進(jìn)行緊固，最終發(fā)電機底腳螺栓緊固轉(zhuǎn)動角度見表2。

表2 發(fā)電機底腳螺栓緊固轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)

發(fā)電機底腳螺栓緊固以后：6 號、7 號瓦振減小0.4～0.8 mm/s，有明顯下降；7 號瓦振穩(wěn)定在6.8～9.5 mm/s，沒有進(jìn)一步惡化。

2.2 機組檢修處理措施

2.2.1 汽、勵端軸瓦各處配合狀態(tài)檢查

復(fù)查數(shù)據(jù)表明，發(fā)電機汽、勵端軸瓦側(cè)隙、頂隙、防跳間隙均正常，瓦枕球面接觸情況較好，內(nèi)外油擋間隙正常，無明顯碰磨痕跡，復(fù)裝時各處間隙均按廠家設(shè)計值上限調(diào)整[14]。

2.2.2 汽、勵端密封瓦配合狀態(tài)檢查

復(fù)查時發(fā)現(xiàn)，勵端密封瓦支座的內(nèi)油擋迷宮密封與轉(zhuǎn)子有明顯磨痕，對迷宮密封銅條進(jìn)行修刮及削尖處理；汽、勵端密封瓦有輕微磨損，采用油石打磨處理，但密封瓦本身的尺寸數(shù)據(jù)、橢圓度、平行度良好，復(fù)裝時按設(shè)計圖紙要求將各處間隙調(diào)整均勻。

2.2.3 低發(fā)對輪中心復(fù)查調(diào)整

復(fù)查數(shù)據(jù)表明低-發(fā)對輪中心略有右張口（0.09 mm），且發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心偏低0.13 mm，復(fù)裝時按廠家設(shè)計要求均調(diào)整至0.03 mm 以內(nèi)。

2.2.4 動平衡配重試驗

4 號發(fā)電機瓦振大，經(jīng)常報警（報警值9.3 mm/s）且不穩(wěn)定，主要頻率為1 倍頻，振動變化的頻率也為1 倍頻，說明是不穩(wěn)定的強迫振動。2019 年5 月、11 月在低-發(fā)對輪處進(jìn)行兩次配重，在一定程度上緩解了7 號軸瓦振動大的問題，但無法將其控制在優(yōu)良水平。而歷次振動測試數(shù)據(jù)顯示，6 號、7 號軸瓦振動1 倍頻相位反相，相位比較穩(wěn)定。經(jīng)技術(shù)分析及咨詢論證，決定大膽創(chuàng)新，采用在發(fā)電機膛內(nèi)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)上進(jìn)行配重的方案。考慮到配重需多次沖轉(zhuǎn)、停運機組，置換發(fā)電機膛內(nèi)氫氣，為節(jié)省機組啟停、氫氣置換等過程時間，使用60%額定壓力的壓縮空氣冷卻發(fā)電機，沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行配重。

（1）第一次平衡配重。經(jīng)過分析計算，首次在發(fā)電機膛內(nèi)轉(zhuǎn)子汽、勵端護(hù)環(huán)上分別加重460 g，配重位置見圖4，角度分別為40°和220°（設(shè)置鍵相位置為0°，下同），啟動驗證，結(jié)果振動略減小，但不明顯。經(jīng)分析核算，認(rèn)為配重的質(zhì)量偏小且角度存在偏差，無法達(dá)到預(yù)期效果，拆除汽、勵端添加的配重塊。

圖4 現(xiàn)場配重位置

（2）第二次平衡配重。在發(fā)電機膛內(nèi)轉(zhuǎn)子汽、勵端護(hù)環(huán)上分別加重1.335 kg，角度分別為17°和197°。第二次平衡配重后，發(fā)電機軸瓦振動數(shù)據(jù)見表3。

表3 6 號、7 號軸瓦振動數(shù)據(jù)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可知，第二次配重后，在600 MW 負(fù)荷時6 號、7 號瓦振分別為0.6 mm/s、3.6 mm/s，在1 000 MW 負(fù)荷時6 號、7 號瓦振分別為0.45 mm/s，2.3 mm/s，雖然在600 MW 負(fù)荷后7 號瓦振有上升趨勢，最大達(dá)到3.9 mm/s，但達(dá)到滿負(fù)荷后，基本穩(wěn)定在2.3 mm/s 左右，各負(fù)荷段6 號、7 號瓦振均低于廠家給定的報警值，達(dá)到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

在很多情況下發(fā)電機軸瓦的振動誘發(fā)因素是多方面的，在振動處理過程中需要逐項排查。某發(fā)電廠4 號發(fā)電機軸瓦振動大的根本原因是發(fā)電機轉(zhuǎn)子存在一定的二階質(zhì)量不平衡，發(fā)電機軸承及支撐系統(tǒng)剛度偏低，導(dǎo)致發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。發(fā)電機瓦振與發(fā)電機氫溫變化有一定的相關(guān)性，其原因可能是發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱或冷卻不均，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱不平衡引起；發(fā)電機瓦振與密封油溫度、凝汽器真空度變化有一定相關(guān)性，其原因與低-發(fā)對輪中心不正有關(guān)，轉(zhuǎn)子存在輕微的動靜碰摩，引起轉(zhuǎn)子熱彎曲，動靜碰摩的位置可能發(fā)生在發(fā)電機密封瓦與油擋處。

機組運行期間，通過調(diào)整汽、勵端氫氣溫度、密封油溫度、凝汽器真空度等參數(shù)，以及緊固發(fā)電機底腳螺栓和在發(fā)電機基座頂部壓砂袋等措施使振動有所降低，但發(fā)電機軸瓦瓦振仍較大。為保證機組長期安全穩(wěn)定運行，利用機組檢修機會，大膽創(chuàng)新，嘗試在發(fā)電機膛內(nèi)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)上進(jìn)行現(xiàn)場配重，最終將軸瓦振動降至優(yōu)秀范圍內(nèi)。該案例為同類型機組在現(xiàn)場進(jìn)行發(fā)電機膛內(nèi)配重開創(chuàng)了先例，可為其他電廠處理類似振動問題提供一定的參考經(jīng)驗。