1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)組不穩(wěn)定振動(dòng)故障診斷及治理

應(yīng)光耀，吳文健，童小忠，李衛(wèi)軍

（浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014）

上海電氣集團(tuán)引進(jìn)西門子技術(shù)的超超臨界1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，大都存在低壓轉(zhuǎn)子軸承座振動(dòng)（又稱瓦振）超標(biāo)問題，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。以國電浙江北侖第三發(fā)電有限公司7號(hào)機(jī)組（簡稱北侖7號(hào)機(jī)）4號(hào)軸承座振動(dòng)成功治理的實(shí)踐為例，分析了軸承座振動(dòng)大的特征，總結(jié)了治理瓦振的關(guān)鍵要素。

1 振動(dòng)異常現(xiàn)象

北侖7號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)型號(hào)為N1000-26.25/600/600（TC4F），發(fā)電機(jī)型號(hào)為 THDF 125/67。機(jī)組軸系由高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、2根低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子組成。各轉(zhuǎn)子之間采用剛性聯(lián)軸節(jié)連接，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子由5個(gè)徑向橢圓軸承支撐，高壓轉(zhuǎn)子為雙支撐結(jié)構(gòu)，中壓轉(zhuǎn)子和2個(gè)低壓轉(zhuǎn)子為單支撐結(jié)構(gòu)，而發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子為三支撐結(jié)構(gòu)，軸系布置如圖1所示。

2009年4月11日，北侖7號(hào)機(jī)組首次沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min。剛到3 000 r/min時(shí)，各瓦軸振和瓦振值見表1，5-7號(hào)軸振超過優(yōu)良值，5X軸振已有105 μm，4號(hào)瓦振已超標(biāo)，但4號(hào)軸振仍為優(yōu)良值，僅54 μm。隨后機(jī)組定速做電氣試驗(yàn)，期間4號(hào)瓦振、軸振緩慢爬升，當(dāng)4號(hào)瓦振爬升至11.8 mm/s（跳閘保護(hù)定值）時(shí)，機(jī)組跳閘。

圖1 軸系布置示意圖

在之后的電氣試驗(yàn)試運(yùn)期間，4號(hào)瓦振一直無法穩(wěn)定，在定速時(shí)始終出現(xiàn)波動(dòng)爬升現(xiàn)象，多次達(dá)到保護(hù)定值導(dǎo)致機(jī)組跳閘。4號(hào)瓦振爬升至跳機(jī)的時(shí)間短則幾小時(shí)，最長能夠運(yùn)行時(shí)間不超過12 h，已嚴(yán)重威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行，如不處理解決，機(jī)組將無法長周期運(yùn)行。為了解和分析4號(hào)瓦振爬升故障特征，安排相關(guān)振動(dòng)試驗(yàn)。

表1 北侖7號(hào)機(jī)首次3 000 r/min時(shí)的振動(dòng)情況

2 振動(dòng)試驗(yàn)

2.1 軸承座外特性試驗(yàn)

西門子機(jī)組的3-5號(hào)軸承座均為落地式。瓦振為10.2 mm/s時(shí)，對(duì)4號(hào)軸承座進(jìn)行了剛度外特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2?？芍S承座垂直方向振動(dòng)很大，兩側(cè)基礎(chǔ)的振動(dòng)為30 μm左右，4號(hào)軸承座的差別振動(dòng)很小，說明部件的連接狀況不存在問題，轉(zhuǎn)子振動(dòng)的強(qiáng)迫力已全部傳遞在軸承座上。軸承座圖示各測點(diǎn)的水平方向振動(dòng)、軸向振動(dòng)都比較小。

圖2 4號(hào)軸承座垂直振動(dòng)數(shù)據(jù)（單位：μm）

2.2 運(yùn)行參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)

（1）機(jī)組升降速過程中，轉(zhuǎn)速為2 760 r/min和2 940 r/min時(shí)4號(hào)瓦振有振動(dòng)峰值。為驗(yàn)證4號(hào)軸承座是否存在結(jié)構(gòu)共振，進(jìn)行了提升轉(zhuǎn)速試驗(yàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 030 r/min時(shí)，4號(hào)瓦振和軸振也始終在爬升；轉(zhuǎn)速為3 050 r/min時(shí)，瓦振慢慢穩(wěn)定。說明提高轉(zhuǎn)速能降低瓦振，而軸振無變化，但穩(wěn)定在高轉(zhuǎn)速時(shí)，瓦振仍然會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。

（2）變油壓試驗(yàn)。潤滑油壓由0.36 MPa提高至0.46 MPa，4號(hào)瓦振由9.5 mm/s降至9.0 mm/s，運(yùn)行了近5 h后，瓦振又開始爬升，油壓下降至0.32 MPa對(duì)瓦振也無改善。說明油壓的改變對(duì)振動(dòng)只是一個(gè)小擾動(dòng)，有時(shí)候可能會(huì)改善瓦振，但無必然聯(lián)系。

（3）變真空試驗(yàn)。真空由0.004/0.005 MPa下降至0.008/0.009 MPa，瓦振由9.9 mm/s上升至10.3 mm/s，將真空恢復(fù)，瓦振由10.3 mm/s恢復(fù)到9.8 mm/s，軸振基本不變。

3 振動(dòng)故障特征分析

根據(jù)振動(dòng)理論[1-2]，轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)的振動(dòng)情況取決于激振力和軸承動(dòng)剛度的影響。在線性系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)軸振的振幅與轉(zhuǎn)子的激振力成正比，與油膜剛度成反比，轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)瓦振的振幅與轉(zhuǎn)子的激振力成正比，與動(dòng)剛度成反比。動(dòng)剛度是總的剛度系數(shù)，包括油膜剛度、軸承座和基礎(chǔ)動(dòng)力特性。4號(hào)軸振和瓦振都以工頻分量為主，屬于強(qiáng)迫振動(dòng)范疇，振動(dòng)爬升增加的幅值也以工頻分量為主，4X軸振值由最初的70 μm爬升至120 μm甚至更高，瓦振由最初8.0 mm/s爬升至11.8 mm/s的跳機(jī)值。爬升過程中軸振和瓦振的相位基本未變，屬于工頻失穩(wěn)問題。

在額定轉(zhuǎn)速下，軸振和瓦振的工頻相位、轉(zhuǎn)子激振力的位置及轉(zhuǎn)子的不平衡量都基本不變，引起工頻的幅值持續(xù)緩慢上升，軸承座整體動(dòng)剛度緩慢下降或存在結(jié)構(gòu)共振。而引起軸承座整體動(dòng)剛度下降的因素有：油膜剛度下降，軸承座連接剛度下降，軸承座動(dòng)力特性變差。在軸振爬升過程中，間隙電壓基本不變，說明油膜的厚度沒有變化，且油溫也沒有變化，可以認(rèn)為軸承的油膜動(dòng)力特性沒有變化。軸承座外特性試驗(yàn)結(jié)果說明，表面軸承座的連接剛度也不存在問題。變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)表明，4號(hào)瓦振始終存在2 760 r/min和2 940 r/min的共振峰，3 050 r/min有利于振動(dòng)的穩(wěn)定，瓦振較高時(shí)，提高轉(zhuǎn)速能使瓦振短時(shí)間內(nèi)下降，降低轉(zhuǎn)速能使瓦振短時(shí)間上升，但瓦振緩慢波動(dòng)爬升的趨勢(shì)仍然存在。運(yùn)行參數(shù)調(diào)試試驗(yàn)表明，外界的小擾動(dòng)能使瓦振變化，有時(shí)候改變運(yùn)行參數(shù)能改善瓦振，對(duì)軸振沒有影響。

由上分析可知，引起4號(hào)瓦振、軸振爬升最有可能的因素為軸承座動(dòng)力特性變差，軸承座在安裝質(zhì)量方面存在一定的問題，使得軸承座動(dòng)剛度下降，且影響支撐系統(tǒng)的固有頻率。

4 振動(dòng)處理

由上述分析可知，4號(hào)軸振和瓦振是同步上升的，振幅變大后，4號(hào)軸振和瓦振并不再同步變化，因此需采取兩方面的措施[2]：降低軸系的激振力，通過動(dòng)平衡處理降低軸振；提高軸承座的動(dòng)剛度，仔細(xì)檢查軸承座剛度的接觸面和間隙。

4.1 軸承座的檢修處理[3]

影響軸承座支撐系統(tǒng)剛度的關(guān)鍵因素為支承墊塊與瓦枕接觸面。瓦振對(duì)接觸面極其敏感，對(duì)接觸面要求非常高。西門子軸承的支承墊塊為圓球形，而軸承支架為圓柱形，理論上兩者為線接觸，經(jīng)研磨后，此處將形成類似橄欖球形狀的接觸面，接觸面中部寬度約20 mm。在檢修中發(fā)現(xiàn)，該接觸面嚴(yán)重?fù)p傷，經(jīng)返廠處理軸承底部調(diào)整塊和軸承支座，現(xiàn)場再對(duì)底部調(diào)整塊和軸承支座進(jìn)行研磨，確保符合接觸面安裝要求。

4.2 低壓轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡處理

由表1和表2可知，低壓轉(zhuǎn)子還存在一定殘余的不平衡量，在4號(hào)軸振爬升的同時(shí)，5號(hào)軸振有一定的下降。從低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)相位來看，4號(hào)與5號(hào)軸振呈反相關(guān)系，振動(dòng)爬升后相位基本不變，可以用熱態(tài)動(dòng)平衡法降低軸振，減少軸系的激振力，但低壓轉(zhuǎn)子為單支撐結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子的振型相互影響，給動(dòng)平衡處理帶來一定難度。

為了降低4號(hào)軸振爬升值，采用熱態(tài)平衡方法，第一次加重方案為低壓轉(zhuǎn)子A靠4號(hào)瓦末端平衡槽加重830 g。根據(jù)加重效果，調(diào)整該平衡塊角度，在軸承座第二次處理后，保證了機(jī)組能長時(shí)間運(yùn)行。在第三次處理中，考慮到4號(hào)和5號(hào)軸振呈反相關(guān)系，在低壓轉(zhuǎn)子B側(cè)靠5號(hào)瓦末端平衡槽加重840 g。加重后軸振值見表2，可知低壓轉(zhuǎn)子軸系軸振下降明顯，帶滿負(fù)荷后，振動(dòng)也在優(yōu)良范圍內(nèi)，已有效減少轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的激振力。

經(jīng)過軸承座檢修和動(dòng)平衡處理，機(jī)組重新啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)速時(shí)，4號(hào)瓦振動(dòng)最高3.8 mm/s，帶額定負(fù)荷時(shí)，4號(hào)瓦振最高為4.2 mm/s。經(jīng)過此次檢修，北侖7號(hào)機(jī)4號(hào)瓦振超標(biāo)問題得到徹底解決。

表2 低壓轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡前后的振動(dòng)實(shí)測值（通頻/1倍頻∠相位） μm/μm∠°

5 結(jié)論

（1）對(duì)于瓦振和軸振不穩(wěn)定超標(biāo)的治理，動(dòng)平衡處理和軸承座處理必須同步進(jìn)行。由于低壓轉(zhuǎn)子軸系為單支撐結(jié)構(gòu)，軸振的動(dòng)平衡處理不能僅限于同一軸承座的振動(dòng)，要降低整個(gè)軸系的軸振，減少轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的激振力。

（2）采用西門子技術(shù)的軸瓦支承墊塊為球面，軸承支架為圓柱面，兩者接觸面為球面對(duì)圓柱面的接觸，理論上為線接觸，對(duì)接觸面極其敏感，即對(duì)接觸面要求非常高，因此，必須嚴(yán)格對(duì)照西門子公司對(duì)接觸面的要求，認(rèn)真做好研磨工作，確保接觸面符合要求。

[1]鐘一諤，何衍宗，王正，等.轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1987.

[2]張學(xué)延.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]陳建縣.1 000 MW超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)軸瓦振動(dòng)原因分析及處理方法[J].華東電力，2010，38（3）:421-423.