汽輪發(fā)電機(jī)組間歇性振動故障分析與處理

周 淼，王廣庭，盧雙龍

(國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

汽輪發(fā)電機(jī)組間歇性振動故障分析與處理

周 淼，王廣庭，盧雙龍

(國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

針對某電廠汽輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，頻繁出現(xiàn)間歇性軸系振動大的故障（有時達(dá)到跳閘值）問題，為了保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，通過對機(jī)組軸系振動數(shù)據(jù)的測試和分析，確定了其振動故障的根本原因。據(jù)此進(jìn)行了檢修和改良，通過油擋修刮、加大油封回油孔和加裝擋汽板等措施，有效解決了機(jī)組振動故障。

間歇性振動；碰磨；汽輪發(fā)電機(jī)組；油擋；積碳

某電廠的一臺汽輪發(fā)電機(jī)組，軸系由高、中壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、低壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子組成，其中高、中壓轉(zhuǎn)子由1號和2號軸承支撐。該機(jī)組在檢修后一年左右時，高、中壓轉(zhuǎn)子頻繁出現(xiàn)間歇性振動大的故障，軸振幅值有時可達(dá)到跳機(jī)值，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過對機(jī)組振動進(jìn)行全面測試和數(shù)據(jù)分析后，判定其振動故障的根本原因為：高、中壓轉(zhuǎn)子端部油擋內(nèi)潤滑油結(jié)焦碳化，導(dǎo)致了動、靜部件碰磨。

1 機(jī)組振動情況

該機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩根汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子由1～3號軸承支撐，軸瓦為橢圓瓦，從驅(qū)動端看為順時針旋轉(zhuǎn)。

機(jī)組在大修剛結(jié)束的啟停機(jī)及帶負(fù)荷過程中，軸系振動穩(wěn)定正常。在檢修后一年左右時，逐漸開始出現(xiàn)軸系間歇性振動故障，尤其以高壓轉(zhuǎn)子軸振表現(xiàn)明顯，且發(fā)生頻率日趨頻繁，約10 h發(fā)生一次，幅值存在逐次增大的趨勢。每次振動故障持續(xù)約30 min，之后幅值回落至正常值。機(jī)組軸系各軸振測點(diǎn)變化趨勢如圖2所示，軸系振動數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of unit rotor

從軸系振動趨勢圖和診斷數(shù)據(jù)列表中可以看出，該機(jī)組振動故障具有如下幾個主要特點(diǎn)：

1）正常情況下，機(jī)組軸系各振動測點(diǎn)均在合格范圍以內(nèi)，最大振動處為1y測點(diǎn)，數(shù)值為52 μm，并且機(jī)組可以在正常值維持相對較長一段時間。

2）在機(jī)組發(fā)生振動故障時，爬升和回落的整個過程大約持續(xù)30 min，之后機(jī)組軸系振動可以恢復(fù)到故障發(fā)生前的振動水平。

圖2 軸系間歇性振動趨勢圖Fig.2 Intermittent vibration trend chart of rotor

表1 故障期間軸系各測點(diǎn)振動數(shù)據(jù)列表Tab.1 Vibration data of rotor during fault

3）振動爬升現(xiàn)象首先發(fā)生在高中壓轉(zhuǎn)子前端，之后各測點(diǎn)振動隨后逐步增大，振動最劇烈時，振動最大點(diǎn)為1x，幅值由43 μm爬升至179 μm。

4）在間歇性振動發(fā)生時，軸系各測點(diǎn)振動相位也隨之發(fā)生了較大的變化，2x、2y測點(diǎn)相位分別減小了89°和67°，在振動幅值回落后，各測點(diǎn)相位也恢復(fù)到正常值。

2 故障原因分析

2.1 故障發(fā)生的可能原因

該機(jī)組振動故障主要表現(xiàn)為軸系振動爬升和間歇性。根據(jù)振動特征分析，引起機(jī)組此類振動故障的原因存在以下幾種可能：

1）動、靜部件存在碰磨。動、靜部件出現(xiàn)碰磨，轉(zhuǎn)子軸頸將會受到摩擦力的沖擊作用，振動幅值增大，同時，摩擦產(chǎn)生的熱量會造成轉(zhuǎn)子局部溫升，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)臨時彎曲，進(jìn)而加劇動、靜部件之間的碰磨[1]；在磨損較大或動、靜間隙增大后，動、靜部件碰磨消失，轉(zhuǎn)子彎曲現(xiàn)象也將逐漸緩解，振動隨之逐步降低至正常值[2]。

2）油膜振蕩。油膜振蕩是由于滑動軸承中的油膜作用而引起的旋轉(zhuǎn)軸的自激振蕩，該故障一般與軸瓦類型、潤滑油黏度、軸承承載情況以及主蒸汽配汽方式等因素存在一定的關(guān)聯(lián)，在機(jī)組發(fā)生油膜振蕩后，機(jī)組軸系振動持續(xù)爬升并呈發(fā)散性質(zhì)，通常伴隨半頻或低頻分量出現(xiàn)[3]。

3）聯(lián)軸器對中不良；在此情況下，不均衡扭矩將會產(chǎn)生附加擾動力作用到轉(zhuǎn)子上，引起軸系不穩(wěn)定振動，但此類故障通常在機(jī)組負(fù)荷或轉(zhuǎn)速變化過程中，并伴隨高次諧波。但該機(jī)組發(fā)生間歇性振動發(fā)生在機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，機(jī)組運(yùn)行工況和參數(shù)未見顯著變化，因此基本可以排除聯(lián)軸器對中不良的原因。

4）動靜部件間存在異物進(jìn)入。在動靜部件小間隙部位，如軸封、葉片頂部等如有帶液蒸汽或異物進(jìn)入，將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子突發(fā)性振動[4]。但從該機(jī)組振動故障的頻發(fā)性和漸變性特征來看，異物進(jìn)入的可能性較小。

為進(jìn)一步確定該機(jī)組振動故障根本原因，對軸系各測點(diǎn)振動數(shù)據(jù)進(jìn)行了頻譜分析，在振動幅值最大時，軸系各測點(diǎn)振動頻譜圖如圖3所示。

圖3 軸系振動頻譜圖Fig.3 Vibration frequnency spectrum of rotor

由軸系頻譜圖可以看出，軸系各測點(diǎn)振動均以工頻分量（50 Hz）為主，伴隨少量倍頻分量，基本未見半頻或低頻分量。通過軸系振動頻譜圖基本可以排除油膜振蕩的可能性。

從機(jī)組振動數(shù)據(jù)表現(xiàn)特征綜合分析，認(rèn)為發(fā)生動、靜部件碰磨的可能性最大。

2.2 碰磨振動故障分析

通常汽輪機(jī)發(fā)生動、靜碰磨的部位在隔板汽封、圍帶汽封及軸端汽封，還可能在軸承油擋、擋汽片部位；發(fā)電機(jī)的徑向碰磨大多發(fā)生在密封瓦處[5]。該機(jī)組振動故障發(fā)生時主要表現(xiàn)在1號、2號軸承振動測點(diǎn)處，可以判定機(jī)組摩擦發(fā)生在高、中壓轉(zhuǎn)子上。

碰磨故障通常表現(xiàn)為其他故障的間接結(jié)果，如轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子彎曲、油擋結(jié)焦積碳以及熱膨脹或變形造成的間隙不足都可能引發(fā)動、靜碰磨[6]。

由該機(jī)組正常運(yùn)行時振動數(shù)據(jù)來看，機(jī)組軸系質(zhì)量不平衡現(xiàn)象尚好，各測點(diǎn)振動均在合格范圍內(nèi)；轉(zhuǎn)子彎曲與熱膨脹等因素引發(fā)的碰磨，一般與軸封溫度、脹差等運(yùn)行參數(shù)緊密相關(guān)，與該機(jī)組振動故障特征不甚相符。同時考慮到該機(jī)組的振動故障發(fā)生在檢修一年后的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，基本也排除了軸封等部件安裝間隙過小導(dǎo)致的碰磨。

對機(jī)組進(jìn)行仔細(xì)了現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子軸端汽封漏氣較為嚴(yán)重，且沒有配置擋汽板，軸封對外的漏氣直接噴覆到軸承的油擋外端面，初步診斷表明，該機(jī)組存在油擋結(jié)焦積碳的可能。

2.3 油擋結(jié)焦積碳振動機(jī)理與特征

汽輪機(jī)組潤滑油系統(tǒng)為微負(fù)壓狀態(tài)，油煙及空氣中的塵埃易被吸至油擋處積存，而如果汽輪機(jī)高、中壓軸封漏氣嚴(yán)重，將會導(dǎo)致油擋附近處于高溫環(huán)境，油擋內(nèi)吸入的油泥塵埃在高溫的烘烤下，極易形成堅硬的積碳，油擋與軸頸之間的間隙逐漸減小，當(dāng)集聚到一定程度，便會觸發(fā)動、靜部件的碰磨，造成軸系振動突發(fā)性的增大，軸心位置及振動相位也將隨之發(fā)生變化，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)子局部溫升和臨時彎曲，振動將會持續(xù)爬升，摩擦加劇，形成惡性循環(huán)。

積碳的初始硬度并非特別高，且與油擋結(jié)合不是非常牢固，存在碰磨后脫落或磨損的現(xiàn)象，摩擦將會中斷，軸系振動逐漸回落，直至恢復(fù)正常。但如果根本原因未消除，經(jīng)過一定時間運(yùn)行，油擋表面的結(jié)焦繼續(xù)累積，軸系將會反復(fù)性發(fā)生軸系碰磨振動，并逐次加劇。

可以看出，油擋結(jié)焦積碳所引起的振動特征與該機(jī)組反復(fù)出現(xiàn)間隙性振動情況非常吻合。圖4為該機(jī)組的軸心位置變化圖，在振動爬升和回落過程中，1號和2號軸頸處均因摩擦發(fā)生了明顯的軸心位置變化。

圖4 機(jī)組軸心位置變化圖Fig.4 Shaft position chart of rotor

3 故障處理

通過上述分析診斷，判定該機(jī)組振動故障的根本原因為軸瓦油擋結(jié)焦積碳引起的動、靜部件碰磨，為防止機(jī)組振動的進(jìn)一步惡化，將機(jī)組打閘停機(jī)，對軸瓦油擋進(jìn)行檢查。

檢查發(fā)現(xiàn)在1號和2號軸瓦油擋處的確均存在油泥結(jié)焦碳化的情況，并存在摩擦的痕跡，如圖5所示。

圖5 軸瓦油擋處的結(jié)焦積碳情況Fig.5 Slagging and carbon deposition of oil baffle

針對以上分析和檢查結(jié)果，提出了以下處理措施：1）對1號和2號軸瓦油擋結(jié)焦積碳處進(jìn)行修刮清理；2）調(diào)整軸封壓力和軸加冷卻器工作狀態(tài)至正常狀態(tài)，加裝軸封擋汽板，防止過多高溫軸封汽直接泄露至軸承油擋處，同時也有利于改善潤滑油質(zhì)；3）加大油封回油孔尺寸，促進(jìn)軸承潤滑油的及時回油，避免在油擋處的集聚，同時適當(dāng)減少油箱負(fù)壓，大量減少塵埃被吸入軸瓦和油擋。

在采取如上故障處理措施，機(jī)組再次開機(jī)啟動并運(yùn)行半年后，在穩(wěn)定工況下，軸系各振動測點(diǎn)均保持在50 μm以下，未再出現(xiàn)類似的振動波動和爬升。由此可見，該機(jī)組由油擋結(jié)焦積碳引起的間歇性動、靜部件碰磨振動故障得以徹底解決。

4 結(jié)語

1）該機(jī)組在正常運(yùn)行工況下發(fā)生了間歇性軸系振動故障，主要由高、中壓轉(zhuǎn)子兩端軸瓦油擋處結(jié)焦積碳引起的動、靜部件碰磨所致。

2）油擋積碳引起的振動故障主要表現(xiàn)為間歇性發(fā)生、逐次增大、振動工頻為主、與運(yùn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)不明顯等特征。

3）通過采取油擋修刮、加大油封回油孔和加裝擋汽板等措施，有效解決了機(jī)組振動故障。

（References）

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Intermittent Vibration Fault Analysis and Solution for a Turbo Generator Unit

ZHOU Miao,WANG Guangting,LU Shuanglong
(State Grid Hubei Electric Power Research Institute,Wuhan Hubei 430077,China)

Intermittent vibration fault occurred frequently during operation of turbo-generator unit in a power plant.Sometimes the Vibration reached the trip value.In order to insure the safe and re?liable operation of the unit,according to the vibration test and analysis of the unit,the fundamen?tal reason is found out.Based on the above,the maintenance and improvement are made,and vibra?tion fault is solved completely by retaining and scraping of oil baffle,expanding oil return hole of oil seal and installing the steam baffle plate.

intermittent vibration;rub;turbo generator unit；oil baffle；carbon deposition

TK85

A

1006-3986(2016)07-0017-05

10.19308/j.hep.2016.07.004

2016-06-10

周 淼（1980），男，河南濮陽人，高級工程師。