C12-3.43/0.981型汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障分析

鐘挺，張柏林，門文斌

(1.巴陵石化公司，湖南 岳陽 414014;

2.湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

C12-3.43/0.981型汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障分析

鐘挺1，張柏林2，門文斌1

(1.巴陵石化公司，湖南 岳陽 414014;

2.湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

針對(duì)某廠C12-3.43/0.981型汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中的異常振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定機(jī)組異常振動(dòng)的主要來源。通過對(duì)#3軸承座進(jìn)行加墊片以及發(fā)電機(jī)平衡槽內(nèi)反對(duì)稱加重，在工作轉(zhuǎn)速下使#2，#3軸承振動(dòng)下降到30 μm以下，符合振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

汽輪機(jī);振動(dòng);異常;動(dòng)平衡;剛度下降

某石化企業(yè)自備電廠4號(hào)機(jī)組是在拆除原有12 MW背壓機(jī)組基礎(chǔ)上改建而成的，汽輪機(jī)為C12-3.43/0.981型調(diào)整抽汽式汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)為QFW-12-2型三相同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子采用風(fēng)冷卻，勵(lì)磁系統(tǒng)采用靜態(tài)勵(lì)磁。

軸系由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子之間由剛性對(duì)輪連接，發(fā)電機(jī)尾部外伸端是勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子，軸系結(jié)構(gòu)如圖1示。#1軸承坐落于汽輪機(jī)前軸承箱內(nèi)，#2，#3軸承坐落在低壓排汽缸上，#3軸承下有一小臺(tái)板，#4軸承為落地軸承結(jié)構(gòu)。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)值為1 660 r/min。

圖1 機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)

機(jī)組在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)啟動(dòng)，#3瓦垂直振動(dòng)相對(duì)較大，且在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)存在“第二階臨界轉(zhuǎn)速”現(xiàn)象，接近工作轉(zhuǎn)速時(shí)保持較高的振動(dòng)幅值;帶負(fù)荷初期，#3瓦振動(dòng)變化較大。為了解決機(jī)組的異常振動(dòng)問題，開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析機(jī)組異常振動(dòng)原因，提出消除機(jī)組異常振動(dòng)的措施并實(shí)施。

1 機(jī)組振動(dòng)試驗(yàn)與結(jié)果分析

1.1 測(cè)試系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，在#1—#4軸承垂直方向臨時(shí)裝設(shè)9 200型振動(dòng)傳感器測(cè)量各軸承瓦振，現(xiàn)場(chǎng)#4瓦附近安裝光電傳感器以測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速和振動(dòng)相對(duì)相位。各軸承振動(dòng)及轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入到振動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)、分析和處理。

1.2 測(cè)試工況

分別在下列工況下進(jìn)行機(jī)組振動(dòng)測(cè)試:

升速過程振動(dòng)特性試驗(yàn)和帶負(fù)荷過程振動(dòng)測(cè)試分析;降負(fù)荷及降速過程振動(dòng)測(cè)量;熱態(tài)、冷態(tài)下#3軸承座垂直方向、水平方向固有頻率測(cè)試;升、降速過程振動(dòng)測(cè)試分析;帶負(fù)荷振動(dòng)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理。

1.3 測(cè)試結(jié)果與分析

1)振動(dòng)的轉(zhuǎn)速特性

從汽輪發(fā)電機(jī)組升速特性曲線可知，汽輪機(jī)#1，#2軸承在1 410～1 570 r/min時(shí)會(huì)出現(xiàn)第1個(gè)臨界轉(zhuǎn)速，此時(shí)#1，#2軸承垂直振動(dòng)分別為25 μm，52 μm(圖2所示)。隨著轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高，發(fā)電機(jī)臨界轉(zhuǎn)速1 700 r/min即為軸系第2臨界轉(zhuǎn)速，此時(shí)#3，#4瓦振動(dòng)分別為60 μm，14 μm，這是由轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)的參數(shù) (剛度和質(zhì)量)共同決定的。由于小臺(tái)板存在脫空現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速在2 910 r/min左右發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)出現(xiàn)共振現(xiàn)象 (圖3所示)，某次升速過程機(jī)組各軸承振動(dòng)值見表1。

圖2 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸承振動(dòng)轉(zhuǎn)速特性曲線

圖3 升、降速過程發(fā)電機(jī)#3，#4軸承振動(dòng)特性曲線

表1 升速過程機(jī)組各軸承振動(dòng)值

在開、停機(jī)過程中，進(jìn)行了2次升、降速振動(dòng)測(cè)試，過臨界時(shí)#1 瓦振動(dòng)值為 28.3 μm/250°，#2 瓦振動(dòng)值為44 μm/326°，由此可以判斷汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子存在一定的一階不平衡。測(cè)試中，#4瓦振最大值為12 μm，轉(zhuǎn)速從1 700 r/min升到2 700 r/min，#3瓦振動(dòng)都維持在較高的水平，幅值在62～45 μm之間。當(dāng)轉(zhuǎn)速升到2 900 r/min左右時(shí)，#3軸承蓋出現(xiàn)共振。在額定轉(zhuǎn)速下，#3瓦振值為22～21 μm，#4瓦振值為6 ～8 μm。

2)振動(dòng)的負(fù)荷特性

帶負(fù)荷過程中，負(fù)荷增大引起機(jī)組振動(dòng)有所增大。負(fù)荷達(dá)到7 MW時(shí)，#3軸瓦垂直、水平振動(dòng)均達(dá)到66 μm，68 μm;隨后降負(fù)荷到3 MW，#3軸瓦振動(dòng)迅速降低到18 μm;當(dāng)負(fù)荷再次上升并穩(wěn)定到8 MW負(fù)荷時(shí)，各軸承振動(dòng)最大值僅24 μm，機(jī)組振動(dòng)在優(yōu)良范圍內(nèi)。

降負(fù)荷停機(jī)過程中，測(cè)得機(jī)組振動(dòng)最大值為:#3瓦垂直振動(dòng)值和#2，#3瓦軸向振動(dòng)值都為23 μm;發(fā)電機(jī)解列后維持轉(zhuǎn)速在3 000 r/min時(shí)，#3瓦垂直振動(dòng)值增加到29 μm。停機(jī)過程中，降速到軸系臨界轉(zhuǎn)速1 600 r/min時(shí)，#1—#4瓦垂直振動(dòng)最大值分別為 41 μm，68 μm，64 μm，19 μm。降負(fù)荷及停機(jī)過程的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2。

表2 降負(fù)荷及停機(jī)過程軸承振動(dòng) μm

降負(fù)荷過程中，#3瓦垂直振動(dòng)增加明顯，主要是解列后排汽缸溫度較高且兩側(cè)溫差較大，#3瓦下小臺(tái)板懸空后剛度大幅度降低所致。停機(jī)降速過程中，軸系臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)值比開機(jī)升速時(shí)振動(dòng)值略大，說明汽輪機(jī)動(dòng)靜部分沒有碰磨、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不存在熱變形。

3)軸承振動(dòng)的外特性

機(jī)組在1 040 r/min低速暖機(jī)時(shí)測(cè)量#3軸承座外特性 (見圖4)，可以看出爐側(cè)小臺(tái)板完全脫空。該機(jī)組#3軸承座下小臺(tái)板處設(shè)計(jì)無支撐，圖中支撐角鋼是投產(chǎn)后現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)增加。由于運(yùn)行時(shí)#2，#3軸承座標(biāo)高變化大 (開機(jī)過程中排汽缸溫度變化大)，臨時(shí)支撐對(duì)機(jī)組中心狀況有一定的影響，運(yùn)行過程中爐側(cè)支撐角鋼被割斷。

圖4 開機(jī)時(shí)#3軸承座振動(dòng)的外特性

當(dāng)發(fā)電機(jī)8 MW負(fù)荷時(shí)，再次測(cè)量#3軸承座各部位振動(dòng)值，獲得#3軸承座振動(dòng)外特性試驗(yàn)結(jié)果(見圖5)?？梢钥闯觯鳒y(cè)點(diǎn)振動(dòng)值較小，說明帶負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下轉(zhuǎn)子上的干擾力不大。各部件之間差別振動(dòng)正常，連接部分不松動(dòng)。

圖5 帶負(fù)荷時(shí)#3軸承振動(dòng)的外特性

4)#3軸承振動(dòng)的固有特性

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)速達(dá)到2 800～2 900 r/min時(shí)#3軸承出現(xiàn)共振現(xiàn)象，表明#3軸承座系統(tǒng)存在一個(gè)46.6～48.3 Hz大致范圍的共振區(qū)。汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)單轉(zhuǎn)子1階臨界在1 600～1 700 r/min，2階臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)該在3 500 r/min之上，所以轉(zhuǎn)速在2 800～2 900 r/min范圍出現(xiàn)的振動(dòng)應(yīng)該是軸承座的固有特性引起的。

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行#3軸承座固有頻率測(cè)試，機(jī)組停機(jī)轉(zhuǎn)速到0時(shí)投入盤車運(yùn)行后測(cè)量熱態(tài)下的固有頻率，停機(jī)冷卻后冷態(tài)下的固有頻率，具體數(shù)據(jù)見表3。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，#3軸承座存在48.5 Hz的固有頻率，即轉(zhuǎn)子在2 900 r/min的峰值是由于在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子2階激振力的作用下，轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)出現(xiàn)共振所致，同時(shí)軸承座的支撐剛度下降，進(jìn)一步放大了軸承振動(dòng)。從升速特性看，在1 400 r/min左右軸承振動(dòng)也出現(xiàn)一峰值，可能與軸承25 Hz的固有頻率有關(guān)。

表3 #3軸承座不同工況下的固有頻率 Hz

#3瓦固有頻率與熱態(tài)停機(jī)降速過程的共振轉(zhuǎn)速區(qū)較為接近，冷態(tài)下測(cè)得的固有頻率高于熱態(tài)時(shí)的固有頻率。主要有以下2方面原因:一是#3瓦下小臺(tái)板間隙變化產(chǎn)生的影響，二是冷熱態(tài)下軸承座材料的剛度發(fā)生了一定的變化。

2 處理措施及效果評(píng)價(jià)

2.1 處理措施

大修中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子送制造廠處理葉片故障后進(jìn)行高速動(dòng)平衡，通過加墊片的方式墊實(shí)大修中#3軸承座，開機(jī)時(shí)又將墊片進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，同時(shí)在發(fā)電機(jī)平衡槽內(nèi)加重300 g墊片進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)高速動(dòng)平衡。

2.2 實(shí)施效果

將#3軸承座下的小臺(tái)板墊片進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以增加#3軸承座在熱態(tài)工況的剛度，#3軸承座小臺(tái)板臨時(shí)支撐墊實(shí)后所測(cè)得的振動(dòng)值見表4。

表4 #3軸承座小臺(tái)板臨時(shí)支撐墊實(shí)后振動(dòng)值

同時(shí)在發(fā)電機(jī)平衡槽內(nèi)反對(duì)稱加重2×150 g墊片，以減小發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的原始不平衡質(zhì)量。圖6為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡以后#3軸承振動(dòng)升速特性圖，在2 800～2 900 r/min共振轉(zhuǎn)速區(qū)，#2，#3軸承的振幅降至20 μm以下，工作轉(zhuǎn)速下的振幅在30 μm以下。從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果看，動(dòng)平衡后機(jī)組振動(dòng)達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 動(dòng)平衡處理后#3軸承振動(dòng)升速特性圖

帶負(fù)荷下的振動(dòng)值 (見表5)，機(jī)組振動(dòng)狀況良好。

表5 帶負(fù)荷時(shí)機(jī)組的振動(dòng)

3 結(jié)論

該機(jī)組異常振動(dòng)的主要原因?yàn)?在開機(jī)過程中#3軸承座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象，使得支撐剛度下降，轉(zhuǎn)子存在不平衡的情況，振動(dòng)偏大;同時(shí)#3軸承座有48.5 Hz的固有頻率，升速過程中存在共振現(xiàn)象。通過對(duì)上述問題的分析處理，機(jī)組振動(dòng)明顯下降，在后續(xù)的運(yùn)行中機(jī)組振動(dòng)達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

〔1〕陳江龍，李寶清.西屋引進(jìn)優(yōu)化型300 MW汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷分析和處理〔J〕.振動(dòng)與沖擊，2010，29(8):10-12.

〔2〕卞立中，李金.汽輪發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)的原因及處理〔J〕.機(jī)電信息，2011(12):82-83.

〔3〕寇勝利.汽輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)及現(xiàn)場(chǎng)平衡〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

TK268.1

A

1008-0198(2013)02-0064-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2013.02.019

2012-09-07

鐘 挺(1969— )男，湖南岳陽人，工程師，主要從事汽輪機(jī)技術(shù)工作。