某電廠發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障診斷及處理

劉樹(shù)鵬，葛 祥（西安熱工研究院有限公司，西安 70032）

某電廠發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障診斷及處理

劉樹(shù)鵬1，葛 祥1
（西安熱工研究院有限公司，西安 710032）

某電廠4號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組帶負(fù)荷時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)不斷爬升幵達(dá)到跳機(jī)值，導(dǎo)致調(diào)試進(jìn)程無(wú)法順利完成。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)、全面的測(cè)試，診斷其故障原因?yàn)椋簾釕B(tài)下轉(zhuǎn)子線圈出現(xiàn)動(dòng)態(tài)匝間短路現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部受熱而發(fā)生暫態(tài)彎曲。這一診斷結(jié)論得到了電氣專(zhuān)業(yè)動(dòng)態(tài)匝間短路試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。更換發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子后，振動(dòng)爬升現(xiàn)象徹底消除。機(jī)組帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，軸系振動(dòng)達(dá)到優(yōu)良水平。

汽輪發(fā)電機(jī)組；發(fā)電機(jī)；振動(dòng)；匝間短路；熱彎曲

0 引言

某電廠4號(hào)機(jī)組是由東方汽輪機(jī)廠和東方電機(jī)廠生產(chǎn)的超超臨界、凝汽式660MW汽輪發(fā)電機(jī)組。其中汽輪機(jī)為N660-25/600/600型超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)，配以QFSN-660-2-22型全封閉、自通風(fēng)、強(qiáng)制潤(rùn)滑、水/氫/氫冷卻方式的發(fā)電機(jī)，采用自幵勵(lì)靜止勵(lì)磁[1]。

機(jī)組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子（HIP）、低壓轉(zhuǎn)子（LP）、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子（GEN）、勵(lì)磁滑環(huán)小軸（EXC）以及8個(gè)支持軸承組成，各個(gè)轉(zhuǎn)子之間均采用剛性聯(lián)軸器連接，其中高中壓轉(zhuǎn)子的兩個(gè)支承軸承均為可傾瓦軸承，低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為橢圓瓦軸承，各轉(zhuǎn)子均采用雙支撐型式。機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示[1]。

圖1　機(jī)組軸系簡(jiǎn)圖

1 機(jī)組振動(dòng)概況

4號(hào)機(jī)組于2014年6月底進(jìn)入整套起動(dòng)調(diào)試階段，升速過(guò)程振動(dòng)尚可，初定速時(shí)軸系振動(dòng)也不大，7X軸振動(dòng)在70μm左右。定速初期一段時(shí)間，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)尤其是 7X軸振動(dòng)爬升速度較快，半個(gè)小時(shí)左右7X軸振動(dòng)增大到120μm左右。幵網(wǎng)后，低負(fù)荷區(qū)間，7X軸振動(dòng)仌然不斷爬升，只是速度有所放緩，高負(fù)荷區(qū)間，尤其是仍400MW繼續(xù)升負(fù)荷時(shí)，7X軸振動(dòng)爬升的速度突然加快，超過(guò)250μm，達(dá)到跳機(jī)值。停機(jī)惰走過(guò)程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)比升速過(guò)程時(shí)顯著增大。圖2和圖3分別給出其中兩次定速帶負(fù)荷過(guò)程7X軸振動(dòng)及其相位變化趨勢(shì)圖[1]。

2 振動(dòng)故障分析診斷及處理

2.1相關(guān)振動(dòng)試驗(yàn)

該機(jī)組振動(dòng)故障的初步印象就是振動(dòng)跟負(fù)荷有關(guān)，即升負(fù)荷過(guò)程發(fā)電機(jī)振動(dòng)逐步增大。為進(jìn)一步查明根本原因，調(diào)試過(guò)程中穿插著對(duì)機(jī)組進(jìn)行了變勵(lì)磁電流、變冷卻氫溫以及變密封瓦油溫試驗(yàn)。下面分別介紹各個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)電機(jī)振動(dòng)的變化趨勢(shì)。

圖2　7月11日定速帶負(fù)荷過(guò)程7X軸振動(dòng)趨勢(shì)圖

圖3　7月18日定速帶負(fù)荷過(guò)程7X軸振動(dòng)趨勢(shì)圖

（1）變勵(lì)磁電流試驗(yàn)

7月21日13:10始，保持負(fù)荷為330MW，將勵(lì)磁電流仍2650A逐步增加到3020A，7X軸振動(dòng)仍110μm增大到125μm左右，振動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)比較明顯，為避免振動(dòng)發(fā)散控制不住，未將勵(lì)磁電流繼續(xù)增大到額定值，試驗(yàn)結(jié)束。

實(shí)際上，7月19日調(diào)試方試圖進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)，過(guò)程也相當(dāng)于進(jìn)行了一次變勵(lì)磁電流電壓試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流仍3969A升高至4445A左右，7X軸振動(dòng)仍190μm突然增大到接近250μm，試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行下去。隨即降低勵(lì)磁電流，振動(dòng)值也不降低，又采取措施降負(fù)荷至300MW以下，振動(dòng)雖有下降趨勢(shì)，但是降速非常緩慢。試驗(yàn)中振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

（2）變冷卻氫溫試驗(yàn)

變勵(lì)磁電流試驗(yàn)完成后隨即進(jìn)行變冷卻氫溫試驗(yàn)，試驗(yàn)中將氫冷器冷風(fēng)溫度仍38℃提高到48℃，7X軸振動(dòng)仍130μm增大到145μm左右，8號(hào)軸振動(dòng)變化不大。停止試驗(yàn)，恢復(fù)氫溫到原始值后，振動(dòng)卻不降低，無(wú)法恢復(fù)原始值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

表1　變勵(lì)磁電流試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)詳細(xì)振動(dòng)數(shù)據(jù)

表2　變冷卻氫溫試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)詳細(xì)振動(dòng)數(shù)據(jù)

（3）變密封油溫試驗(yàn)

變密封油溫試驗(yàn)由調(diào)試方在調(diào)試中自行完成。試驗(yàn)中振動(dòng)基本保持穩(wěn)定，結(jié)果表明改變密封油溫對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)基本沒(méi)有影響。

（4）動(dòng)平衡配重試驗(yàn)

由于工期較緊，現(xiàn)場(chǎng)嘗試對(duì)發(fā)電機(jī)軸系進(jìn)行了一次動(dòng)平衡配重工作，試圖補(bǔ)償熱態(tài)下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)變化。動(dòng)平衡后，在空載及低負(fù)荷區(qū)間取得一定效果，振動(dòng)降低至合格水平，但是大負(fù)荷后仌然出現(xiàn)較大的振動(dòng)變化，振動(dòng)仌然超標(biāo)[2]。另外，后來(lái)廠家提供的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出廠前的動(dòng)平衡試驗(yàn)報(bào)告也表明，該轉(zhuǎn)子冷態(tài)下平衡狀態(tài)尚可，但熱態(tài)下平衡狀態(tài)較差，廠內(nèi)動(dòng)平衡配重也未取得預(yù)期效果，說(shuō)明問(wèn)題的根源不在于平衡等機(jī)械方面的缺陷。

3 振動(dòng)故障分析診斷及處理

3.1相關(guān)振動(dòng)試驗(yàn)

對(duì)該機(jī)組振動(dòng)故障的初步判斷就是振動(dòng)跟負(fù)荷有關(guān)，即升負(fù)荷過(guò)程發(fā)電機(jī)振動(dòng)逐步增大。為進(jìn)一步查明根本原因，調(diào)試過(guò)程中穿插著對(duì)機(jī)組進(jìn)行了變勵(lì)磁電流、變冷卻氫溫以及變密封瓦油溫試驗(yàn)。下面分別介紹各個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)電機(jī)振動(dòng)的變化趨勢(shì)。

（1）變勵(lì)磁電流試驗(yàn)

7月21日13:10始，保持負(fù)荷為330MW，將勵(lì)磁電流仍2650A逐步增加到3020A，7X軸振動(dòng)仍110μm增大到125μm左右，振動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)比較明顯，為避免振動(dòng)發(fā)散控制不住，未將勵(lì)磁電流繼續(xù)增大到額定值，試驗(yàn)結(jié)束。

實(shí)際上，7月19日調(diào)試方試圖進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)，過(guò)程也相當(dāng)于進(jìn)行了一次變勵(lì)磁電流電壓試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流仍3969A升高至4445A左右，7X軸振動(dòng)仍190μm突然增大到接近250μm，試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行下去。隨即降低勵(lì)磁電流，振動(dòng)值也不降低，又采取措施降負(fù)荷至300MW以下，振動(dòng)雖有下降趨勢(shì)，但是降速非常緩慢。試驗(yàn)中振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所列。

表3　變勵(lì)磁電流試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)詳細(xì)振動(dòng)數(shù)據(jù)

（2）變冷卻氫溫試驗(yàn)

變勵(lì)磁電流試驗(yàn)完成后隨即進(jìn)行變冷卻氫溫試驗(yàn)，試驗(yàn)中將氫冷器冷風(fēng)溫度仍38℃，提高到48℃，7X軸振動(dòng)仍130μm增大到145μm左右，8號(hào)軸振動(dòng)變化不大。停止試驗(yàn)，恢復(fù)氫溫到原始值后，振動(dòng)卻不降低，無(wú)法恢復(fù)原始值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4　變冷卻氫溫試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)詳細(xì)振動(dòng)數(shù)據(jù)

（3）變密封油溫試驗(yàn)

變密封油溫試驗(yàn)由調(diào)試方在調(diào)試中自行完成。試驗(yàn)中振動(dòng)基本保持穩(wěn)定，結(jié)果表明改變密封油溫對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)基本沒(méi)有影響。

（4）動(dòng)平衡配重試驗(yàn)

由于工期較緊，現(xiàn)場(chǎng)嘗試對(duì)發(fā)電機(jī)軸系進(jìn)行了一次動(dòng)平衡配重工作，試圖補(bǔ)償熱態(tài)下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)變化。動(dòng)平衡后，在空載及低負(fù)荷區(qū)間取得一定效果，振動(dòng)降低至合格水平，但是大負(fù)荷后仌然出現(xiàn)較大的振動(dòng)變化，振動(dòng)仌然超標(biāo)[2]。另外，后來(lái)廠家提供的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出廠前的動(dòng)平衡試驗(yàn)報(bào)告也表明，該轉(zhuǎn)子冷態(tài)下平衡狀態(tài)尚可，但熱態(tài)下平衡狀態(tài)較差，廠內(nèi)動(dòng)平衡配重也未取得預(yù)期效果，說(shuō)明問(wèn)題的根源不在于平衡等機(jī)械方面的缺陷。

3.2振動(dòng)故障分析診斷及處理

根據(jù)以上試驗(yàn)及數(shù)據(jù)，4號(hào)發(fā)電機(jī)振動(dòng)存在以下特征：

（1）空載時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)不大，隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)及幵網(wǎng)后負(fù)荷增加，發(fā)電機(jī)振動(dòng)尤其是7號(hào)軸振動(dòng)穩(wěn)步增長(zhǎng)。

（2）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)增長(zhǎng)主要與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流有關(guān)，隨勵(lì)磁電流增大，轉(zhuǎn)子振動(dòng)也穩(wěn)步增大。振動(dòng)增大后，降低電流及負(fù)荷，振動(dòng)很難恢復(fù)到低位。

（3）振動(dòng)幅值增長(zhǎng)時(shí)，振動(dòng)相位也變化較大，最終穩(wěn)定的角度區(qū)域趨同。

（4）振動(dòng)成分主要以1倍頻分量為主，其余雜波成分很少。

綜合以上特征分析，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)異常增長(zhǎng)屬于轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲而引起的不穩(wěn)定強(qiáng)迫振動(dòng)。結(jié)合本機(jī)振動(dòng)變化的引發(fā)因素以及振動(dòng)變化趨勢(shì)，可以排除冷卻系統(tǒng)缺陷、線圈膨脹受阻以及出現(xiàn)動(dòng)靜碰磨等故障，鑒于振動(dòng)變化與勵(lì)磁電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的根源在于轉(zhuǎn)子線圈存在匝間短路故障，而且該故障在轉(zhuǎn)子受熱后，較大的勵(lì)磁電流和電壓下才表現(xiàn)比較明顯。這一結(jié)論后來(lái)得到電氣專(zhuān)業(yè)動(dòng)態(tài)匝間短路試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，試驗(yàn)表明，只有在大負(fù)荷尤其是400MW以上時(shí)，發(fā)電機(jī)第7、第8道線圈的動(dòng)態(tài)氣隙波形不合格。

考慮到對(duì)發(fā)電機(jī)匝間短路故障處理的技術(shù)及環(huán)境要求較高，廠家要求返廠處理，由于現(xiàn)場(chǎng)工期緊張，電廠和廠家協(xié)調(diào)的結(jié)果是更換一根新的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。

3.3振動(dòng)故障處理效果

更換新發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子后，4號(hào)機(jī)組于8月16日首次起動(dòng)，升速過(guò)程軸系振動(dòng)最大未超過(guò)100μm，額定轉(zhuǎn)速下，軸系振動(dòng)均小于70μm，振動(dòng)處于優(yōu)良水平。該機(jī)組于8 月19日12:45幵網(wǎng)帶負(fù)荷，幵網(wǎng)前后軸系振動(dòng)變化不大，升負(fù)荷過(guò)程各軸瓦振動(dòng)也比較穩(wěn)定，至機(jī)組帶滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，軸系中最大振動(dòng)7X為61μm左右，其余均小于60μm，振動(dòng)水平達(dá)到優(yōu)良水平。表5列出若干負(fù)荷工況下軸系振動(dòng)數(shù)據(jù)。

帶負(fù)荷過(guò)程中，低壓轉(zhuǎn)子瓦振動(dòng)波動(dòng)較大，尤其是3、4號(hào)軸承瓦振動(dòng)，帶負(fù)荷初期瓦振動(dòng)均小于50μm，但是隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，瓦振動(dòng)大幅波動(dòng)，最大時(shí)超過(guò)80μm，最終穩(wěn)定在45μm左右，期間3、4號(hào)軸振動(dòng)卻比較穩(wěn)定，說(shuō)明瓦振動(dòng)變化主要是由軸瓦結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度差引起的，這是該機(jī)型的通病。低壓軸承座坐落在缸體上，軸承座動(dòng)剛度受缸體的膨脹變形影響較大，實(shí)際的振動(dòng)情況需等機(jī)組大負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間、缸體膨脹到位后的瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

表5　升負(fù)荷過(guò)程軸系振動(dòng)數(shù)據(jù) （單位：通頻μm）

4 結(jié)論

（1）4號(hào)機(jī)組調(diào)試過(guò)程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)爬升故障原因在于熱態(tài)下轉(zhuǎn)子線圈出現(xiàn)動(dòng)態(tài)匝間短路現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部受熱變形而發(fā)生暫態(tài)熱彎曲。更換轉(zhuǎn)子后，徹底消除了振動(dòng)爬升現(xiàn)象。

（2）目前，4號(hào)機(jī)組帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)軸系振動(dòng)均小于70μm，達(dá)到GB11348.2-2012標(biāo)準(zhǔn)及火電工程調(diào)整試運(yùn)質(zhì)量檢驗(yàn)及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)良水平，機(jī)組可以安全運(yùn)行。

劉樹(shù)鵬（1986-），2011年7月畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程專(zhuān)業(yè)，碩士，研究方向?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)測(cè)試、故障診斷及處理，工程師。

審稿人：呂桂萍

Vibration Diagnosis and Disposal for Generator of 600MW Ultra-Supercritical Unit of a Centain Power Plant

LIU Shupeng, GE Xiang
(Xi'an Thermal Power Research Institute Co Ltd, Xi'an 710032, China)

The generator rotor vibrations of a power plant No.4 unit have been in state of gradually climbing and then reached the tripping value during loading, resulting in the commissioning procedure could not be successfully completed. Through detailed and comprehensive field test, it is found that the cause of the malfunction is that the rotor coils occur dynamic intertern short circuit at hot state. It causes the rotor been partially heated and then occurs transient thermal bending. This diagnostic conclusion has been verified by the dynamic interturn short circuit test. The phenomenon of the rotor vibrations climbing has been completely eliminated after replacing the generator rotor. During the unit stable operation with load, the rotor vibrations have been controlled to the excellent level.

turbo-generator set; generator; vibration; interturn short circuit; thermal bending

TM301.4.+2

A

1000-3983(2016)03-0015-04

2015-06-30

[1] 劉樹(shù)鵬. 重慶合川發(fā)電有限責(zé)任公司4號(hào)機(jī)組振動(dòng)診斷分析與處理[R]. 西安熱工研究院有限公司技術(shù)報(bào)告. 2014.

[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, 2007.174-187.