某9F燃機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)振動(dòng)異常的處理

陳 杰，趙衛(wèi)正

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003）

某9F燃機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)振動(dòng)異常的處理

陳 杰，趙衛(wèi)正

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003）

某PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)在高負(fù)荷下1Y軸振大，在處理過(guò)程中發(fā)現(xiàn)機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)定速3 000 r/min后1Y軸振幅值增大至178 μm后銳減又增大及相位角連續(xù)變化接近360°的振動(dòng)異常現(xiàn)象。分析該機(jī)組的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特征與啟動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)子溫度分布可以解釋異常振動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，通過(guò)2次現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡校正，減小了高負(fù)荷下機(jī)組1Y軸振的幅值。

燃?xì)廨啓C(jī)；振動(dòng)異常；拉桿轉(zhuǎn)子

某發(fā)電廠11號(hào)機(jī)組是由美國(guó)通用電氣生產(chǎn)的S109FA聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組。該機(jī)組投產(chǎn)一段時(shí)間后，軸振1Y顯著增大。軸振1Y通頻值穩(wěn)定在122 μm，接近機(jī)組報(bào)警值，以下介紹減振處理情況。

1 第一階段振動(dòng)處理

1.1 振動(dòng)情況及特點(diǎn)

該機(jī)組為單軸布置，軸系配置形式為燃?xì)廨啓C(jī)（簡(jiǎn)稱燃機(jī)）-汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)度為42.1 m，共4段：燃機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，每段轉(zhuǎn)子均由2個(gè)軸承支撐，共8道支撐軸承，機(jī)組軸系布置示意圖如圖1所示。其中1—5號(hào)軸承為可傾瓦型支撐軸承，6—8號(hào)軸承為橢圓型支撐軸承。推力軸承安裝在壓氣機(jī)端1號(hào)軸承座內(nèi)，機(jī)組絕對(duì)死點(diǎn)位于壓氣機(jī)進(jìn)氣端、汽輪機(jī)高壓缸排汽端和汽輪機(jī)低壓缸垂直中分面出。轉(zhuǎn)子相對(duì)死點(diǎn)位于1號(hào)軸承推力瓦處。

2015年1月15日機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)，除1號(hào)軸振外，其余各瓦軸振均在70 μm以下。定速3 000 r/min后，1號(hào)軸振繼續(xù)爬升，軸振回落后機(jī)組帶負(fù)荷，380 MW負(fù)荷下1X軸振：通頻為106 μm，一倍頻為102 μm，相位75°，1Y軸振：通頻為123 μm，一倍頻119 μm，相位351°。

圖1 軸系布置示意

1.2 振動(dòng)分析與處理

從現(xiàn)場(chǎng)采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)可以看到，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)至帶負(fù)荷過(guò)程中，1號(hào)軸承振動(dòng)大，且1X和1Y軸振均以一倍頻為主。在機(jī)組帶高負(fù)荷后，振動(dòng)幅值和相位基本保持穩(wěn)定，可判斷該振動(dòng)為普通強(qiáng)迫振動(dòng)，轉(zhuǎn)子可能存在不平衡[1]。對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡，依據(jù)轉(zhuǎn)子在工作轉(zhuǎn)速下呈二階振型的經(jīng)驗(yàn)，取滯后角50°。由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無(wú)法在壓氣機(jī)側(cè)加重，確定加重方案為在透平側(cè)加重：P2=300 g∠80°。

第一階段加重后，機(jī)組于2015年5月3日冷態(tài)啟動(dòng)。機(jī)組帶負(fù)荷時(shí)各瓦的軸振數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 動(dòng)平衡前后1—7號(hào)軸振數(shù)據(jù)

對(duì)比加重前后1號(hào)瓦軸振，1X與1Y軸振通頻幅值和一倍頻幅值均有小幅增大，第一次現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡效果不佳。機(jī)組定速3 000 r/min后，1Y軸振的幅值變化曲線如圖2所示。從1Y軸振變化曲線可以看到，機(jī)組定速3 000 r/min后，1Y振動(dòng)繼續(xù)爬升，通頻/一倍頻幅值最大達(dá)178 μm/ 175 μm；1Y軸振達(dá)到峰值后開始減小，在1Y振動(dòng)幅值為99 μm/90 μm時(shí)，機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷；此后1Y振動(dòng)幅值繼續(xù)減小，至14 μm/6 μm后振動(dòng)幅值開始回升，振動(dòng)幅值在144 μm/137 μm附近保持穩(wěn)定。

圖2 第一次加重冷態(tài)啟動(dòng)定速3 000 r/min后1Y軸振變化曲線

此外，軸振1Y的相位角在定速3 000 r/min后，由剛定速時(shí)的339°單調(diào)增加，增大至360°（即0°）后，繼續(xù)增大，在機(jī)組定速3 h后，1Y相位增大至330°左右，且基本保持穩(wěn)定。

此后幾次溫態(tài)啟動(dòng)，機(jī)組在高負(fù)荷下各瓦的軸振幅值、相位角與本次冷態(tài)啟動(dòng)高負(fù)荷下的振動(dòng)數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明轉(zhuǎn)子在高負(fù)荷下仍存在不平衡[5]。比較此次動(dòng)平衡前后機(jī)組帶負(fù)荷時(shí)1Y軸振的振幅及相位角，確定第一次加重的滯后角選取及工作轉(zhuǎn)速與二階臨界轉(zhuǎn)速的高低判斷有誤，需進(jìn)行第二次動(dòng)平衡。

2 第二階段振動(dòng)處理

2.1 動(dòng)平衡分析及加重方案

第一次加重后冷態(tài)啟動(dòng)1Y軸振相位角出現(xiàn)接近360°變化的原因分析如下：9F燃機(jī)采用的轉(zhuǎn)子為拉桿轉(zhuǎn)子，這種轉(zhuǎn)子通過(guò)沿周向均勻布置的拉桿螺栓利用預(yù)緊力作用將葉輪、軸頭聯(lián)成一體組合而成[3]，因此與傳統(tǒng)的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在結(jié)構(gòu)上存在差異。當(dāng)燃機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，壓氣機(jī)端溫度接近環(huán)境溫度，而透平端溫度達(dá)到540℃左右，兩者存在較大的溫度差。靠近透平端的輪盤溫度上升速率大于遠(yuǎn)離透平端的輪盤溫度上升速率，這將導(dǎo)致各輪盤的膨脹量不一致，輪盤間產(chǎn)生相對(duì)位移，存在發(fā)生轉(zhuǎn)子局部彎曲的可能。隨著時(shí)間的推移，拉桿轉(zhuǎn)子膨脹狀態(tài)不斷變化，使轉(zhuǎn)子局部彎曲的方向及大小逐步改變。當(dāng)整個(gè)轉(zhuǎn)子的溫度分布不再隨時(shí)間變化時(shí)，轉(zhuǎn)子達(dá)到完全膨脹狀態(tài)，機(jī)組的振動(dòng)將保持穩(wěn)定。此時(shí)，機(jī)組的振動(dòng)與熱負(fù)荷無(wú)關(guān)，振動(dòng)幅值及相位角不變，主要由質(zhì)量不平衡量引起。

利用第一次動(dòng)平衡前后的數(shù)據(jù)計(jì)算P2的影響系數(shù)，由此得到第二次動(dòng)平衡方案：透平側(cè)加重P2′=600 g∠320°，第一次加的平衡塊不再取下。

2.2 第二次動(dòng)平衡后冷態(tài)啟動(dòng)

利用機(jī)組調(diào)停機(jī)會(huì)，安裝新平衡塊。2015年6月17日，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)。機(jī)組在341 MW負(fù)荷下各瓦的軸振數(shù)據(jù)如表1所示。與第一階段動(dòng)平衡后冷態(tài)啟動(dòng)的振動(dòng)數(shù)據(jù)相比，1X與1Y軸振通頻幅值/一倍頻幅值均大幅減小，達(dá)到優(yōu)秀水平。

機(jī)組定速3 000 r/min后，1Y軸振的幅值變化曲線見圖3。可以看到1Y軸振通頻幅值與一倍頻幅值的變化趨勢(shì)與第一次動(dòng)平衡后冷態(tài)啟動(dòng)的變化趨勢(shì)相同，但峰值從178 μm/175 μm減小至164 μm/157 μm。機(jī)組在高負(fù)荷下振動(dòng)穩(wěn)定，1Y軸振通頻幅值/一倍頻幅值為41 μm/38 μm。

圖3 第二次加重冷態(tài)啟動(dòng)定速3 000 r/min后1Y軸振變化曲線

第二次加重后冷態(tài)啟動(dòng)，軸振1Y相位角的變化趨勢(shì)與第一次加重后啟動(dòng)時(shí)一致。定速3 000 r/min時(shí)，軸振1Y的相位角為336°，之后緩慢增大，越過(guò)360°后繼續(xù)增大至300°，并在300°保持穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

GE公司9F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)采用拉桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，工作轉(zhuǎn)速下的機(jī)械滯后角與常見汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械滯后角相差較大，如采用后者作為動(dòng)平衡計(jì)算依據(jù)，加重效果不佳，甚至對(duì)降低振動(dòng)幅值無(wú)益。針對(duì)特定機(jī)組，可采用試加重的方法確定加重大小及加重角度。

機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)定速3 000 r/min后，1號(hào)瓦軸振仍繼續(xù)爬升，相位角連續(xù)變化接近360°，其原因?yàn)槔瓧U轉(zhuǎn)子各輪盤的溫升率不等，導(dǎo)致膨脹不均，產(chǎn)生局部彎曲。當(dāng)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化后，機(jī)組振動(dòng)將不再受熱負(fù)荷影響，此時(shí)振動(dòng)主要由質(zhì)量不平衡引起，仍可通過(guò)動(dòng)平衡手段降低軸振幅值。

同型號(hào)機(jī)組普遍存在冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)1號(hào)瓦軸振幅值偏大的情況。運(yùn)行人員為防止軸振高引發(fā)跳機(jī)，通常在機(jī)組定速、1號(hào)瓦軸振幅值上升趨勢(shì)結(jié)束后再進(jìn)行并網(wǎng)操作，且升負(fù)荷速率較慢。由以上分析可知，對(duì)由拉桿轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及膨脹不均引起1號(hào)瓦軸振高的9F機(jī)組，可采用定速3 000 r/min后快速并網(wǎng)帶負(fù)荷，以增加轉(zhuǎn)子熱負(fù)荷，使轉(zhuǎn)子溫度快速均勻的方法，促使1號(hào)瓦軸振在短時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定，機(jī)組快速帶負(fù)荷也提高了機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

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

[2]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.

[3]章圣聰，王艾倫.盤式拉桿轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性研究[J].振動(dòng)與沖擊，2009，28（4）∶117-120.

（本文編輯：陸 瑩）

Treatment on Abnormal Vibration of a 9F Gas Turbine in Cold-state Startup

CHEN Jie，ZHAO Weizheng
（Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China）

In high load of PG9351FA gas turbine there is large 1Y shaft vibration.It is detected during treatment that in constant speed of 3 000 r/min of cold-state startup 1Y shaft vibration increases to 178 μm and then decreases sharply and decreases afterwards；besides，the phase angle constantly changes by almost 360 degrees.The paper explains the reasons of abnormal vibration in terms of rotor structure characteristics and its temperature distribution during startup.Through two filed dynamic balance calibration，amplitude value of 1Y shaft vibration in high load is reduced.

gas turbine；abnormal vibration；rod fastening rotor

TK477

B

1007-1881（2015）11-0097-03

2015-09-17

陳 杰（1986），男，從事汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)處理工作。