姜連軼

(大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司， 長(zhǎng)春 130012)

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330 MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)突升問題的分析

姜連軼

(大唐東北電力試驗(yàn)研究所有限公司， 長(zhǎng)春 130012)

針對(duì)某電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶負(fù)荷后振動(dòng)大，并在運(yùn)行中出現(xiàn)振動(dòng)突升的問題，通過分析振動(dòng)特點(diǎn)得出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)突升是由轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻引起。經(jīng)處理后，振動(dòng)問題得到解決。

汽輪發(fā)電機(jī)； 轉(zhuǎn)子； 膨脹受阻； 振動(dòng)突升

汽輪發(fā)電機(jī)是電力生產(chǎn)中的重要設(shè)備，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)發(fā)電企業(yè)至關(guān)重要；而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)是汽輪發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)是否正常的重要依據(jù)。隨著火電機(jī)組單機(jī)容量不斷增大，轉(zhuǎn)子振動(dòng)帶來的危害也隨之增加，特別是運(yùn)行中的振動(dòng)突升，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。因此正確認(rèn)識(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)突升的原因?qū)φ駝?dòng)處理和機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。筆者針對(duì)某發(fā)電廠330 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行中的振動(dòng)突升現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并針對(duì)性處理后，振動(dòng)問題得到了徹底解決。

1 機(jī)組概況

該發(fā)電廠的2號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)為亞臨界、一次中間再熱、三缸雙排汽、N330-17.75/540/540型汽輪機(jī)，配套的發(fā)電機(jī)為QFSN-330-2型水氫氫內(nèi)冷發(fā)電機(jī)。機(jī)組軸系由高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)成，勵(lì)磁滑環(huán)和勵(lì)磁風(fēng)機(jī)安裝在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子懸臂端。為增加懸臂端的穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子末端通過對(duì)輪與一個(gè)由單個(gè)穩(wěn)定軸承支撐的短軸連接。所有轉(zhuǎn)子均采用剛性連接。各轉(zhuǎn)子均采用兩軸承支撐，1、2、3、4號(hào)軸承為高、中壓轉(zhuǎn)子軸承，采用落地式軸承形式；5、6號(hào)軸承為低壓轉(zhuǎn)子軸承，軸承箱與低壓外缸為一整體；7、8號(hào)軸承為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承，采用端蓋式軸承形式；9號(hào)軸承為勵(lì)磁懸臂端穩(wěn)定軸承，采用落地式軸承形式。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組采用氫氣冷卻，轉(zhuǎn)子線圈與定子相應(yīng)地形成“四進(jìn)五出”9個(gè)風(fēng)區(qū)。軸系所有振動(dòng)測(cè)點(diǎn)均安裝在軸承上，測(cè)量轉(zhuǎn)子的相對(duì)振動(dòng)。機(jī)組軸系示意圖見圖1。

圖1 機(jī)組軸系

2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)問題

2.1 帶負(fù)荷后振動(dòng)問題

該機(jī)組2009年投產(chǎn)后長(zhǎng)期存在著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)大的問題(7x、8x方向)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)現(xiàn)象為：(1)定速未帶負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)子振動(dòng)正常，帶負(fù)荷后振動(dòng)增加，7x、8x方向振動(dòng)最大達(dá)到170 μm左右；(2)7x、8x方向振動(dòng)變化趨勢(shì)同步一致；(3)振動(dòng)成分以一倍頻為主；(4)振動(dòng)升高后未隨負(fù)荷的下降而立即減少，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行在某次帶大負(fù)荷后振動(dòng)會(huì)突然下降；(5)停機(jī)惰走過臨界時(shí)振動(dòng)明顯大于啟動(dòng)過程；(6)機(jī)組多次啟機(jī)振動(dòng)情況相似，重復(fù)性較好。

2.2 振動(dòng)突升問題

2014年7x、8x方向振動(dòng)多次發(fā)生異常變化，情況見表1。

表1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通頻振幅突變情況

觀察全年7x、8x方向振動(dòng)頻譜圖，均以一倍頻為主，二倍頻和低頻所占比例極小(以2014年6月27日270 MW工況為例，見圖2、圖3)；緩慢改變機(jī)組負(fù)荷對(duì)振動(dòng)影響并不明顯，但每次振動(dòng)突變，無論突升還是突降都發(fā)生在負(fù)荷的大幅增長(zhǎng)后。

圖2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子7x方向軸振動(dòng)頻譜圖

圖3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子8x方向軸振動(dòng)頻譜圖

3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)原因分析

3.1 帶負(fù)荷后振動(dòng)問題分析

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶負(fù)荷后振動(dòng)以一倍頻成分為主，屬于強(qiáng)迫振動(dòng)。啟動(dòng)過臨界和空負(fù)荷時(shí)機(jī)組振動(dòng)正常，帶負(fù)荷后振動(dòng)隨負(fù)荷增加而增加，因此判斷轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了熱不平衡。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱不平衡原因有轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均、轉(zhuǎn)子線圈匝間短路、冷卻風(fēng)道堵塞和轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻[1]。由于轉(zhuǎn)子帶負(fù)荷后振幅上升，但沒有隨負(fù)荷下降而下降，因此可以排除轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均；運(yùn)行中通過改變勵(lì)磁電流試驗(yàn)，振動(dòng)幅值變化與勵(lì)磁電流變化無明顯對(duì)應(yīng)關(guān)系，且通過絕緣檢查也排除了轉(zhuǎn)子線圈存在匝間短路的可能；運(yùn)行過程中進(jìn)行改變氫氣溫度的試驗(yàn)，對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)沒有產(chǎn)生影響，可排除冷卻風(fēng)道堵塞的可能；根據(jù)振動(dòng)在帶負(fù)荷后增加，沒有隨負(fù)荷的減小而下降，但在某次帶大負(fù)荷后轉(zhuǎn)子振動(dòng)會(huì)突降的現(xiàn)象判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)是由線圈膨脹受阻引起。線圈與絕緣槽表面產(chǎn)生摩擦，阻礙線圈正常膨脹，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了附加的不平衡質(zhì)量，引起一倍頻振動(dòng)增加；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷下降后，摩擦仍然存在，轉(zhuǎn)子不能恢復(fù)到帶負(fù)荷前的平衡狀態(tài)，振動(dòng)仍保持較高值；當(dāng)出現(xiàn)較大負(fù)荷后轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生較大的軸向膨脹，克服與絕緣槽表面的摩擦力，膨脹受阻現(xiàn)象逐步緩解，轉(zhuǎn)子振動(dòng)隨之減小[2]。

3.2 振動(dòng)突升問題分析

能夠引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)突變的原因有油膜渦動(dòng)或油膜振蕩，動(dòng)靜碰摩，轉(zhuǎn)子裂紋，轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻[3]。

根據(jù)7x、8x方向振動(dòng)以一倍頻為主，低頻所占比例極少，可排除油膜渦動(dòng)或油膜振蕩；根據(jù)2014年機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象可逆，并多次重復(fù)，可排除內(nèi)油擋等動(dòng)靜間隙較小處發(fā)生碰摩的可能[4]；7x、8x方向的振動(dòng)可重復(fù)，也可排除軸裂紋的可能[5]。

轉(zhuǎn)子振動(dòng)突升后改變機(jī)組功率對(duì)轉(zhuǎn)子振動(dòng)影響并不明顯，在某次發(fā)電機(jī)功率大幅變化后振動(dòng)會(huì)逐漸減小，這符合發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻的振動(dòng)特征。但以往的轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻引起的振動(dòng)是在并網(wǎng)后隨負(fù)荷的增加而升高，該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)會(huì)在帶大負(fù)荷后突升，以2014年11月12日振動(dòng)突升為例，見圖4。

圖4 振動(dòng)突變與負(fù)荷的關(guān)系

該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在帶大負(fù)荷后振動(dòng)增加，很顯然是產(chǎn)生了新的不平衡質(zhì)量。通常轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻都是存在單個(gè)膨脹受阻點(diǎn)，當(dāng)該膨脹受阻點(diǎn)消失后，不平衡質(zhì)量引起的振動(dòng)就會(huì)下降，但當(dāng)轉(zhuǎn)子線圈同時(shí)存在兩個(gè)或多個(gè)膨脹受阻點(diǎn)，且產(chǎn)生的振動(dòng)在空間上以反向分量為主的時(shí)候，現(xiàn)象將截然不同。例如轉(zhuǎn)子存在A、B兩個(gè)由線圈膨脹受阻產(chǎn)生的熱不平衡質(zhì)量，且引起的振動(dòng)在空間上以反向分量為主，當(dāng)轉(zhuǎn)子帶大負(fù)荷后，引起A熱不平衡質(zhì)量的膨脹受阻點(diǎn)克服摩擦力后熱不平衡質(zhì)量消失，這時(shí)熱不平衡質(zhì)量B就凸顯出來，現(xiàn)象為轉(zhuǎn)子振動(dòng)突升。同時(shí)熱不平衡質(zhì)量B也具有轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻的特征，當(dāng)機(jī)組帶大負(fù)荷后振動(dòng)就會(huì)逐漸緩解。

該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)突變時(shí)一倍頻的變化情況見表2。根據(jù)變化量性質(zhì)可以看出7x、8x方向一倍頻振動(dòng)變化可歸納為兩類：一類以同相分量為主，另一類同時(shí)包含同相分量和反向分量。這是由于轉(zhuǎn)子同時(shí)存在兩個(gè)線圈膨脹受阻點(diǎn)，其中一個(gè)膨脹受阻點(diǎn)產(chǎn)生以同相分量為主的振動(dòng)，另一個(gè)膨脹受阻點(diǎn)產(chǎn)生包含同相分量和反向分量的振動(dòng)。任何一個(gè)膨脹受阻點(diǎn)克服阻力后，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)就發(fā)生突增現(xiàn)象。

表2 振動(dòng)一倍頻突變情況

4 對(duì)振動(dòng)問題的處理

該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子2015年5月返制造廠解體檢修，分別在汽端和勵(lì)端護(hù)環(huán)處發(fā)現(xiàn)線圈和絕緣槽的擠壓摩擦痕跡，制造廠更換了轉(zhuǎn)子線圈的絕緣槽和楔下墊條，并對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了高速動(dòng)平衡。機(jī)組檢修結(jié)束后于2015年6月啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)、定速和帶負(fù)荷后振動(dòng)穩(wěn)定在合格范圍以內(nèi)，未出現(xiàn)振動(dòng)突升或突降的現(xiàn)象(見表3)。

表3 返廠檢修后轉(zhuǎn)子振動(dòng)通頻幅值

5 結(jié)語

(1) 轉(zhuǎn)子線圈存在膨脹受阻是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在帶負(fù)荷后振動(dòng)上升的原因之一。當(dāng)機(jī)組帶負(fù)荷后，由于線圈膨脹不對(duì)稱，產(chǎn)生了不平衡質(zhì)量。

(2) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的振動(dòng)突升是由于轉(zhuǎn)子線圈存在兩個(gè)膨脹受阻點(diǎn)，且兩個(gè)不平衡質(zhì)量所引起的振動(dòng)在空間上以反向分量為主，當(dāng)某一個(gè)膨脹受阻點(diǎn)克服摩擦力后破壞了轉(zhuǎn)子平衡，導(dǎo)致振動(dòng)突升。通過更換線圈擠壓摩擦部位的絕緣槽和楔下墊條消除膨脹受阻后，振動(dòng)突變現(xiàn)象消失。轉(zhuǎn)子解體檢修后應(yīng)進(jìn)行高速動(dòng)平衡，以消除更換備件和安裝誤差對(duì)轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的影響。

[1] 寇勝利,張學(xué)延. 漢川電廠2號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)診斷和處理[J]. 中國(guó)電力,1998,31(10): 30-34.

[2] 寇勝利. 汽輪發(fā)電機(jī)的熱不平衡振動(dòng)[J]. 大電機(jī)技術(shù),1998(5): 12-18.

[3] 張學(xué)延,張衛(wèi)軍,王延博. 汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子突發(fā)性振動(dòng)問題分析[J]. 中國(guó)電力,2001,34(12): 11-15.

[4] 楊建剛. 旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析與工程應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社,2007.

[5] 陸頌元. 汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社,2000.

Cause Analysis on Sudden Rise of Rotor Vibration in a 330 MW Turbo-Generator Set

Jiang Lianyi

(Datang Northeast Electric Power Test & Research Institute, Changchun 130012, China)

To reduce the excessive vibration of a loaded generator rotor and to avoid the sudden rise of vibration during operation period, an analysis was conducted on the vibration characteristics, which was found to be caused by hindered expansion of rotor winding. The problem has been solved after relevant countermeasures were taken.

turbo-generator; rotor; hindered winding expansion; sudden rise of vibration

2016-05-30；

2016-08-05

姜連軼(1980—)，男，工程師，主要從事汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷工作。

E-mail: Lanng_jiang@163.com

TK268.1

A

1671-086X(2017)02-0121-03