15 MW汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障分析及處理

何慧軍

15 MW汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障分析及處理

何慧軍

（杭鋼動(dòng)力公司,浙江抗州310022）

針對(duì)杭鋼15 MW汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生的振動(dòng)異常故障,利用故障診斷技術(shù)進(jìn)行分析，找出振動(dòng)原因，并進(jìn)行相應(yīng)處理，確保了設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

汽輪發(fā)電機(jī)組;振動(dòng);分析;處理

1 機(jī)組概況

汽輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行是發(fā)電廠正常生產(chǎn)運(yùn)行的重點(diǎn)，而機(jī)組振動(dòng)是直接反映機(jī)組安全運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，振動(dòng)是汽輪機(jī)常見(jiàn)故障，它嚴(yán)重影響了機(jī)組的正常運(yùn)行。機(jī)組振動(dòng)的誘因是多方面的，即可能是部件損壞，工況變化，也可能是設(shè)備加工質(zhì)量、安裝質(zhì)量等。因此，準(zhǔn)確判明原因?qū)收系奶幚恚岣邫C(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行尤為重要。

杭鋼動(dòng)力公司一熱電2#汽輪發(fā)電機(jī)組是由南京汽輪電機(jī)集團(tuán)制造的單缸、沖動(dòng)、抽凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為C12-4.9/0.981-2,發(fā)電機(jī)型號(hào)QFW-15-2A。機(jī)轉(zhuǎn)臨界轉(zhuǎn)速1649 r/min,軸承處允許最大振動(dòng)為臆35滋m，報(bào)警值60滋m。過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)軸承處允許最大振動(dòng)臆100滋m。汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子分別用兩道軸承支撐,其間用剛性聯(lián)軸器連接,勵(lì)磁機(jī)為懸臂布置（見(jiàn)圖1），1#~4#支撐軸承為圓筒形滑動(dòng)軸承（1#為徑向支撐-軸向推力）,軸承的垂直方向安裝了振動(dòng)傳感器在線監(jiān)測(cè)各瓦的振動(dòng)。

圖12 #汽輪發(fā)電機(jī)組軸系示意圖

2 振動(dòng)特征

該機(jī)組自2005年1月投入使用至2013年，受生產(chǎn)因素制約未開(kāi)缸大修過(guò)，已超廠家規(guī)定的大修期限。2013年4月，經(jīng)協(xié)調(diào)該機(jī)組按計(jì)劃進(jìn)行開(kāi)缸大修，揭缸后發(fā)現(xiàn)1耀5級(jí)壓力級(jí)轉(zhuǎn)子葉片頂部的圍帶（約半圈）有2道0.8耀1.0 mm深,寬2 mm的刮痕，汽封齒略微磨損，前汽封齒有向前傾斜現(xiàn)象，汽機(jī)前、后軸瓦有不同程度的磨損，推力間隙0.85 mm。經(jīng)檢修處理，5月20日開(kāi)始試車，機(jī)組各瓦振動(dòng)如表1所示，當(dāng)負(fù)荷升至2000耀3000 kW時(shí)，2#軸瓦振動(dòng)增大，隨著負(fù)荷逐漸增大該瓦振動(dòng)有所減小，9000 kW以上振動(dòng)降至43滋m，額定負(fù)荷（15 MW）下經(jīng)10 h觀察，振幅略有波動(dòng)，相位變化不大；降負(fù)荷至8000 kW后2#軸瓦振動(dòng)有爬升；打閘停機(jī)轉(zhuǎn)速降至臨界轉(zhuǎn)速（1649 r/min）時(shí)振動(dòng)達(dá)滿量程200滋m。在開(kāi)機(jī)、帶負(fù)荷過(guò)程中，利用SKF便攜式數(shù)據(jù)采集器/FFT頻譜分析儀對(duì)機(jī)組各瓦的振動(dòng)情況進(jìn)行跟蹤和分析。

表1 機(jī)組各階段振動(dòng)值滋m

3 原因分析

引起汽輪機(jī)組振動(dòng)異常的原因是多方面的，包括設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修、運(yùn)行等。經(jīng)反復(fù)分析查找原因（操作原因、軸瓦間隙緊力、機(jī)組中心等）并消缺，機(jī)組2#、3#軸瓦振動(dòng)從頻譜上看依然沒(méi)有減小，為少走彎路，首先對(duì)故障診斷每一步采用嚴(yán)密的正向推理。2013年6月9日記錄了升速并網(wǎng)加負(fù)荷至15 MW的全過(guò)程,其間還做了勵(lì)磁電流變化、凝汽器真空變化及汽機(jī)軸封汽變化等對(duì)振動(dòng)影響的試驗(yàn)。

依據(jù)該機(jī)組振動(dòng)歷史、已做的消振工作和振動(dòng)測(cè)試結(jié)果，對(duì)該機(jī)振動(dòng)故障原因作如下推理和診斷。

3.1 振動(dòng)性質(zhì)

由圖2可知，不同工況下各軸瓦振動(dòng)85%是基頻（1X），振動(dòng)沒(méi)有突變。因此從振動(dòng)性質(zhì)來(lái)說(shuō)屬于普通強(qiáng)迫振動(dòng)。汽輪機(jī)振動(dòng)頻譜主要是基頻，含有2X、3X分量，排除了半速渦動(dòng)、油膜振蕩、汽流激振及松動(dòng)的可能性（低頻分量1/2X、1/3X…）。如：汽流激振有兩個(gè)主要特征:出現(xiàn)較大量0.5X值的低頻分量；振動(dòng)的增大受運(yùn)行參數(shù)的影響明顯,如負(fù)荷,且增大應(yīng)該呈突發(fā)性；半速渦動(dòng)0.43耀0.48X，油膜剛度與軸瓦型式、頂隙、側(cè)隙、下瓦是否刮油囊等因素有關(guān)，檢修中更換了3#軸瓦，由于這些參數(shù)選取不當(dāng)，會(huì)降低油膜剛度。

圖2 軸承振動(dòng)頻譜圖

3.2 支撐動(dòng)剛度

引起機(jī)組振動(dòng)故障的原因主要是支撐動(dòng)剛度不足和激振力過(guò)大。對(duì)軸瓦振動(dòng)來(lái)說(shuō)，支撐動(dòng)剛度由結(jié)構(gòu)剛度、共振、連接剛度三個(gè)要素組成。從3000 r/ min轉(zhuǎn)速下各軸瓦振動(dòng)良好（見(jiàn)表1），可以排除支撐剛度不足。振動(dòng)增大時(shí)，檢測(cè)軸承座連接剛度表明，各點(diǎn)差別振動(dòng)均正常，由此可以排除軸承座連接剛度降低造成振動(dòng)增大，2#軸瓦振動(dòng)增大是激振力增大所致。輕微碰磨主要是工頻振動(dòng)(1X),當(dāng)嚴(yán)重碰磨時(shí),除了工頻成分外還有其它的倍頻成分,如2X、3X等；當(dāng)軸頸和軸瓦發(fā)生碰磨時(shí),軸瓦的烏金溫度和回油溫度將會(huì)升高。

3.3 激振力

引起普通強(qiáng)迫振動(dòng)的共有三種激振力，（1）轉(zhuǎn)子不平衡力；（2）軸系連接同心度和平直度偏差；（3）不均衡電磁力。

振動(dòng)增大主要反映在汽輪機(jī)的1#、2#軸瓦上，而且在保持勵(lì)磁電流穩(wěn)定時(shí)，振動(dòng)仍然發(fā)生變化，由此可排除不均衡電磁力。

由3000 r/min軸系各軸瓦振動(dòng)25滋m以下，同時(shí)也反復(fù)檢查確認(rèn)，可以排除軸系連接同心度和平直度偏差。當(dāng)2#軸瓦振動(dòng)顯著增大時(shí)，3#軸瓦振動(dòng)變化不大，由此可以排除因聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)軸套裝緊力不足，在有功負(fù)荷改變時(shí)，使軸系連接同心度惡化引起的激振力。這里不能排除的只有轉(zhuǎn)子不平衡力，即由于機(jī)組工況的改變，造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的平衡惡化。軸瓦振動(dòng)增大打閘停機(jī)，在汽輪機(jī)臨界轉(zhuǎn)速下，2#軸瓦的振動(dòng)較啟動(dòng)時(shí)顯著增大可以證明，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子平衡確實(shí)惡化了。而降至盤車轉(zhuǎn)速，經(jīng)測(cè)量大軸的彎曲值較啟動(dòng)時(shí)增大，可確認(rèn)汽輪機(jī)平衡惡化是轉(zhuǎn)子熱彎曲所致。從以往多次啟動(dòng)前在連續(xù)盤車2 h后，臨界轉(zhuǎn)速和3000 r/min轉(zhuǎn)速下振動(dòng)都能復(fù)原，表明其平衡惡化是可逆的，由此可排除轉(zhuǎn)動(dòng)部件損壞飛脫使汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子平衡被破壞的可能。

3.4 轉(zhuǎn)子熱彎曲

由汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲引起的強(qiáng)迫振動(dòng)，不僅涉及故障范圍廣，也不是直觀所能理解的。在上述診斷結(jié)果的基礎(chǔ)上，下面將對(duì)引起汽機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的具體故障原因，進(jìn)一步的推理、分析、診斷：

(1)轉(zhuǎn)軸內(nèi)應(yīng)力過(guò)大，材質(zhì)不均。這是在轉(zhuǎn)子（包括電機(jī)）制造過(guò)程中形成的，機(jī)組已運(yùn)行7年，應(yīng)力在這之前應(yīng)已釋放。如果汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子引起熱彎曲，則當(dāng)有功負(fù)荷減小后，瓦振動(dòng)應(yīng)逐步減小，但此時(shí)減負(fù)荷后振動(dòng)卻逐步增大，顯然這種熱彎曲不是轉(zhuǎn)軸上內(nèi)應(yīng)力過(guò)大及材質(zhì)不勻所致。

(2)套裝葉輪之間軸向間隙不足和不均。這種故障引起的轉(zhuǎn)子熱彎曲是在新蒸汽流量增大的一段時(shí)間內(nèi)，因葉輪溫度高于轉(zhuǎn)軸，造成輪轂膨脹量大于轉(zhuǎn)軸，而把轉(zhuǎn)子頂彎。而當(dāng)有功負(fù)荷穩(wěn)定1耀2 h之后，特別是有功負(fù)荷減小后，振動(dòng)會(huì)迅速降低，因此可排除這一故障。

(3)葉輪輪轂與轉(zhuǎn)軸之間存在徑向不對(duì)稱漏汽。因徑向漏汽不對(duì)稱，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生不對(duì)稱加熱或冷卻，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲，轉(zhuǎn)子熱彎曲值隨葉輪兩側(cè)壓差（有功負(fù)荷）增大而加大，負(fù)荷減小，振動(dòng)應(yīng)逐漸減小，也可排除這一故障。

(4)轉(zhuǎn)軸上套裝零件失去緊力。套裝零件失去緊力產(chǎn)生的直接不平衡可以忽略，但因套裝零件與轉(zhuǎn)軸存在較大溫差，它將對(duì)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生徑向不對(duì)稱加熱或冷卻，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲。這種故障產(chǎn)生的振動(dòng)主要發(fā)生在冷態(tài)啟動(dòng)和有功負(fù)荷迅速增大的一段時(shí)間內(nèi)，負(fù)荷穩(wěn)定1 h之后，振動(dòng)便會(huì)消失。滿負(fù)荷下運(yùn)行8 h振動(dòng)未見(jiàn)減小，有功負(fù)荷減小，振動(dòng)反而迅速增大，由此可排除這一故障。

(5)轉(zhuǎn)軸與水接觸。機(jī)組啟動(dòng)、額定轉(zhuǎn)速和帶負(fù)荷下轉(zhuǎn)軸與水接觸，都會(huì)使軸振突然增大，這種情況在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)有發(fā)生。水的來(lái)源除了進(jìn)汽帶水、疏水不暢外，抽汽管止回閥前的積水在某一負(fù)荷下發(fā)生閃蒸，使冷汽帶水濺到高溫轉(zhuǎn)軸上，也會(huì)造成熱彎曲。發(fā)現(xiàn)軸封疏水管堵塞，割管疏通后，軸瓦振動(dòng)均會(huì)減小。轉(zhuǎn)軸與水接觸引起的振動(dòng)特征與2#軸瓦振動(dòng)較為相似。但轉(zhuǎn)軸與水接觸引起的振動(dòng)增大，打閘停機(jī)后通過(guò)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)不大，通過(guò)這次啟動(dòng)，在3000 r/min轉(zhuǎn)速和帶負(fù)荷下對(duì)所有疏水管都進(jìn)行了檢查，各疏水管閥之后的管子溫度均較高，說(shuō)明有蒸汽通過(guò)。在滿負(fù)荷下運(yùn)行8 h，各段蒸汽都已投入，止回閥早已打開(kāi)，若有積水，也已消除。但降負(fù)荷和解列后，2#軸瓦振動(dòng)仍有增大，由此表明引起振動(dòng)的故障原因并非是轉(zhuǎn)軸與水接觸。

(6)轉(zhuǎn)軸碰磨。它是指間隙消失，動(dòng)靜部件直接接觸，使轉(zhuǎn)子局部碰磨發(fā)熱引起彎曲，產(chǎn)生的振動(dòng)取決于原始不平衡和碰磨熱彎曲的合成效應(yīng)。可發(fā)生在啟動(dòng)和額定轉(zhuǎn)速的任何工況下，轉(zhuǎn)軸碰磨引起的振動(dòng)與目前2#汽輪機(jī)振動(dòng)相似，依據(jù)碰磨發(fā)生部位和碰磨材料的不同，又分下列2種形式。

a.轉(zhuǎn)軸徑向碰磨。當(dāng)軸頸和軸瓦發(fā)生碰磨時(shí),軸瓦的烏金溫度和回油溫度將會(huì)升高;低轉(zhuǎn)速時(shí)在軸封或軸瓦處用聽(tīng)針能聽(tīng)到異常的聲音。這類碰磨主要是由于軸封徑向間隙過(guò)小、汽缸跑偏、上下缸溫差過(guò)大、轉(zhuǎn)子熱彎曲或振動(dòng)過(guò)大等原因，使軸封間隙消失起的碰磨，是現(xiàn)場(chǎng)最常見(jiàn)的一種碰磨，這種碰磨一般經(jīng)1耀2次大振動(dòng)之后，軸封間隙即可磨大，碰磨振動(dòng)便可降低或消失，特別是轉(zhuǎn)子通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速存在大振動(dòng)時(shí)，因轉(zhuǎn)子存在顯著撓曲，徑向間隙磨大應(yīng)更顯著。而2#汽機(jī)在臨界轉(zhuǎn)速下大振動(dòng)已發(fā)生4次，但從振動(dòng)變化和幅值來(lái)看，未見(jiàn)好轉(zhuǎn)。從大修揭缸檢查來(lái)看，葉輪上留下0.8耀1mm磨痕，這種碰磨應(yīng)該還是在臨界轉(zhuǎn)速下的大振動(dòng)形成的，這臺(tái)機(jī)組當(dāng)時(shí)應(yīng)該在啟動(dòng)時(shí)有過(guò)大的振動(dòng)（通過(guò)調(diào)整墊鐵抬高0.30 mm軸瓦，已調(diào)整轉(zhuǎn)子與瓦窩及隔板中心），軸封略有卷邊（更換前后軸封），機(jī)組啟動(dòng)時(shí)疏水不暢及膨脹不均勻；啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子熱彎曲但應(yīng)該在經(jīng)過(guò)2耀4 h的連續(xù)低速盤車，重新沖轉(zhuǎn)之后恢復(fù)正常，也就是轉(zhuǎn)子的彎曲已矯直。因此從多次大振動(dòng)之后振動(dòng)未見(jiàn)改善和揭缸檢查的結(jié)果分析，引起目前振動(dòng)故障原因，并非轉(zhuǎn)軸徑向碰磨。

b.轉(zhuǎn)軸軸向碰磨。這類碰磨是由于隔板變形或安裝失誤，汽封齒與轉(zhuǎn)軸上汽封槽軸向間隙不足，轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)或收縮時(shí)軸向間隙消失引起的轉(zhuǎn)軸碰磨。它所引起的振動(dòng)與轉(zhuǎn)軸徑向碰磨振動(dòng)基本相同，不同的是突發(fā)性振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較徑向碰磨時(shí)間長(zhǎng)得多，而且振動(dòng)增大后打閘停機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下會(huì)發(fā)生大振動(dòng)，這兩點(diǎn)與2#機(jī)組振動(dòng)十分吻合，因此這一故障不能排除。轉(zhuǎn)軸軸向碰磨引發(fā)的的突發(fā)性振動(dòng)持續(xù)時(shí)間之所以長(zhǎng)，有兩個(gè)原因：一是需要磨損量比徑向碰磨大得多，一般達(dá)1耀5 mm。二是發(fā)生大振動(dòng)時(shí)碰磨和被碰磨部件之間的壓力，較徑向碰磨要小得多，加上汽封齒軸向剛度較徑向剛度要小，造成軸向間隙在碰磨過(guò)程中難以加大。在轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速下一般會(huì)發(fā)生大的振動(dòng)，這是由于隨轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)子會(huì)縮短，從而在降速過(guò)程中會(huì)加重軸向碰磨，使轉(zhuǎn)子熱彎曲進(jìn)一步加增大。

依據(jù)引起汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子各種彎曲故障特征與2#汽輪機(jī)振動(dòng)特征的對(duì)比，由上述推理分析，基本確定引起故障的原因是轉(zhuǎn)軸軸向碰磨。

4 消振對(duì)策

針對(duì)上述診斷結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，擬定消振對(duì)策將十分簡(jiǎn)單，只要消除軸向碰磨即可。如何消除軸向碰磨，有兩種方法可以選擇：一是調(diào)整軸向間隙，二是磨大軸向間隙。

軸向碰磨由于碰磨之間軸向壓力較小，因而部件磨損很慢。磨大軸向間隙，消除轉(zhuǎn)軸軸向碰磨，是比較艱難的，要經(jīng)過(guò)多次大振動(dòng)。因此，采取磨大軸向間隙這一措施，機(jī)組將多次啟動(dòng)、并網(wǎng)、帶負(fù)荷、解列、打閘停機(jī)、發(fā)生大振動(dòng)，具有一定的安全隱患。大修時(shí)已更換了前、后軸封，碰磨的時(shí)間就更長(zhǎng)。只有當(dāng)振動(dòng)增大打閘停機(jī)，利用轉(zhuǎn)子伸縮的特點(diǎn)，增加碰磨部件的軸向壓力，才能加速磨損。

根據(jù)汽輪機(jī)檢修中測(cè)得各動(dòng)靜流通間隙的數(shù)據(jù)，為縮短工期，決定采用調(diào)整軸向間隙這一措施。

5 實(shí)施及效果

2#汽輪機(jī)采用綜合推力軸承，推力間隙的調(diào)整是改變非工作瓦塊安裝環(huán)后墊環(huán)的厚度，我們墊上0.5 mm的鋼片，調(diào)整推力間隙為0.35 mm（要求為0.3耀0.4 mm），往電機(jī)方向調(diào)整1#瓦軸向0.30 mm。由于3﹟軸瓦水平向存在2X、3X倍頻分量，其中3X分量換新瓦以后增大許多，只能是軸頸與烏金摩擦，說(shuō)明不是很成功。全面檢查清洗滑銷系統(tǒng)，調(diào)整軸承座與臺(tái)板間的緊力及間隙過(guò)大的汽缸立銷,經(jīng)過(guò)處理后的兩側(cè)間隙:一側(cè)為0.05 mm,另一側(cè)為0.01 mm。

通過(guò)幾次調(diào)整之后再次啟動(dòng)，在滿負(fù)荷下，機(jī)組各軸瓦振動(dòng)穩(wěn)定，快速降負(fù)荷，振動(dòng)爬升已很慢。停機(jī)通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速下2#軸瓦振動(dòng)已接近啟動(dòng)時(shí)振幅70滋m，表明轉(zhuǎn)軸軸向碰磨已消除或很小。汽輪機(jī)后軸瓦32滋m、發(fā)電機(jī)前軸瓦振動(dòng)保持在22滋m，1#和4#軸瓦15滋m，基本滿足機(jī)組運(yùn)行的需求。至目前為止，機(jī)組正常運(yùn)行中。

6 結(jié)語(yǔ)

我們揭缸時(shí)已發(fā)現(xiàn)汽封向前傾倒的現(xiàn)象，這是轉(zhuǎn)軸軸向碰磨的重要征兆，但當(dāng)時(shí)沒(méi)有引起注意,應(yīng)引以為鑒。檢修人員一定要細(xì)心、認(rèn)真做好每一步檢修工作，避免因?yàn)闄z修質(zhì)量不過(guò)關(guān)而導(dǎo)致振動(dòng)發(fā)生。利用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和頻譜分析,能夠確定設(shè)備的故障類型,制定出具有針對(duì)性的檢修方案,并能對(duì)機(jī)組存在的潛在隱患有所了解,為機(jī)組的正常運(yùn)行提供有力的保障。

[1]張學(xué)延.汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2]莽克倫，王正.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障診斷[M].湖南：湖南科學(xué)出版社，2009.

[3]施為新，石靜波.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)及事故[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

Analysis and Treatment of Abnormal Vibration Problem in 15 MW Steam Turbo Generators

He Huijun
(The Power Company of Hanzhou Iron and Steel Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310022,China)

To solve the abnormal vibration in the 15 MW steam turbine generator unit of Hangzhou Steel,the problem was analyzed and the cause was found out using fault diagnosis technology.Relevant treatment was carried out,which ensured the safe and stable operation of the equipment.

steam turbine generator;vibration;analysis;treatment

TM311

B

1006-6764（2014）10-0053-04

2014-05-16

何慧軍（1979-），男，2003年7月畢業(yè)于東北電力學(xué)院熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，工程師，現(xiàn)從事動(dòng)力公司機(jī)械類專業(yè)的大中修（含日常檢修維護(hù)）和技改工作。