某臺350 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機組振動異常處理及分析

李衛(wèi)軍，吳文健，蔡文方

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

某臺350 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機組振動異常處理及分析

李衛(wèi)軍，吳文健，蔡文方

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

雙水內(nèi)冷發(fā)電機轉(zhuǎn)子因冷卻水管不同程度的堵塞引起軸振爬升的現(xiàn)象時有發(fā)生，常用的處理方法為停機進行反沖洗，但現(xiàn)場動平衡也可作為一種有效減振方法。通過一臺350 MW發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動異常的測試，得出振動爬升的主因為轉(zhuǎn)子部分冷卻水管流動不暢產(chǎn)生了熱彎曲，采用動平衡大幅降低其振動，確保了機組安全穩(wěn)定運行。

發(fā)電機；雙水內(nèi)冷；振動；動平衡

0 引言

300 MW等級雙水內(nèi)冷發(fā)電機已得到廣泛應用，目前在役已超過70臺，多用于干燥且易形成較強靜電的地區(qū)。雙水內(nèi)冷發(fā)電機組的定子和轉(zhuǎn)子均采用水冷卻，定子鐵芯及端部結(jié)構(gòu)采用空氣冷卻；機座、端蓋不需要防爆和密封結(jié)構(gòu)，發(fā)電機結(jié)構(gòu)比較簡單[1]；同時，無氫系統(tǒng)及密封油系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)簡單，安裝、運行、維護方便。大部分該型發(fā)電機組的振動為優(yōu)良；但部分機組轉(zhuǎn)子因冷卻水管局部堵塞[2，3]、匝間短路等的影響，誘發(fā)轉(zhuǎn)子軸振較大，對機組不同工況下的振動進行分析，探索有效的減振措施，可有效提高機組的可靠性。

某電廠4號機組采用350 MW雙水內(nèi)冷發(fā)電機，在運行中軸振爬升量較大，嚴重威脅機組的安全運行。通過振動測試與分析，診斷出機組異常振動的根源，及時采取動平衡減振措施，保證了機組的安全穩(wěn)定運行。

1 機組振動現(xiàn)象

1.1 機組概況

4號機組的汽輪機為N350-24.2/566/566型超臨界、一次再熱雙缸兩排汽、反動凝汽式機組；發(fā)電機為QFS2-350-2型雙水內(nèi)冷發(fā)電機。機組軸系主要由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子及集電環(huán)轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子之間均采用剛性聯(lián)軸節(jié)連接，轉(zhuǎn)子均采用雙軸承支撐，其軸系布置如圖1所示。發(fā)電機的現(xiàn)場實測臨界轉(zhuǎn)速為840 r/min和2 580 r/min。

圖1 4號機組軸系布置

1.2 振動現(xiàn)象

4號機組自2014年7月投入商業(yè)運行以來，存在5號瓦軸振爬升現(xiàn)象，最高至100 μm。在2016年3月C修后的開機過程中，剛定速3 000 r/min時，5號瓦、6號瓦的軸振分別為41 μm和37 μm；但在帶負荷過程中，5號瓦、6號瓦的軸振爬升很大，負荷為350 MW時，5號瓦、6號瓦的軸振分別為129 μm和95 μm，軸振超出125 μm的報警值，嚴重影響機組的安全運行，詳細數(shù)據(jù)見表1。

表14 號機組發(fā)電機兩端軸瓦X向軸振數(shù)據(jù)

2 振動分析及診斷

由表1可知，5號瓦、6號瓦的軸振定速3 000 r/min，軸振均小于45 μm，表明轉(zhuǎn)子原始不平衡量很小。但帶滿負荷時，振動爬升至129 μm，爬升量較大；且振動始終以1X分量為主，屬于普通強迫振動。表明發(fā)電機轉(zhuǎn)子在帶負荷過程中出現(xiàn)了一定程度的熱彎曲，引發(fā)熱不平衡，其誘因可能是發(fā)電機匝間短路、冷卻水管冷卻不均等。為此，進行相關(guān)試驗對振動原因進行確認。

2.1 振動試驗及分析

2016年3月15日，對4號機組進行變有功試驗，在機組無功（即勵磁電流）不變時，調(diào)整機組有功，5號瓦、6號瓦振動隨有功減小而減小，隨有功增大而增大。有功增大至350 MW時，5號瓦振動爬升至109 μm，30 min后，振動繼續(xù)爬升至123 μm，此后基本保持不變。在有功變化過程中，機組的振動變化量和機組有功、無功同時變化時負荷變化的振動變化量基本一致。5號瓦、6號瓦振動爬升至較高值后，負荷降低，振動降至較小值，且具有重復性；若汽發(fā)對輪存在缺陷，振動應在某工況下迅速突變，且不隨負荷降低而快速降低，該可能性可排除。

隨后，對4號機組進行變無功試驗，將機組負荷穩(wěn)定在350 MW，勵磁電流（即無功）降低的過程中，5號瓦、6號瓦振動隨無功降低基本不變，可排除轉(zhuǎn)子存在匝間短路等電氣故障，試驗過程中的振動數(shù)據(jù)見表2，表中電流為勵磁電流。

表2 試驗中發(fā)電機軸瓦X向軸振數(shù)據(jù)

試驗過程中，5號瓦、6號瓦振動以1X分量為主，可推斷部分發(fā)電機轉(zhuǎn)子冷卻水管存在堵塞，致使轉(zhuǎn)子冷卻不均，誘發(fā)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲現(xiàn)象。

2.2 振動原因分析

對于雙水冷發(fā)電機組，發(fā)電機轉(zhuǎn)子冷卻水回路是均勻?qū)ΨQ布置的，若各支管通流特性良好，可保證機組轉(zhuǎn)子軸向與徑向均勻散熱。發(fā)電機在帶負荷過程中時，不會出現(xiàn)熱彎曲現(xiàn)象，振動保持穩(wěn)定。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子冷卻水流量不均主要原因是：某些轉(zhuǎn)子分支回路存在不同程度堵塞現(xiàn)象，致使該支路的冷卻水量減少，轉(zhuǎn)子的動平衡狀態(tài)被破壞。同時，隨著機組負荷的升高，且轉(zhuǎn)子處的熱量不易帶走，在轉(zhuǎn)子直徑對稱方向?qū)a(chǎn)生溫差，導致轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲，即轉(zhuǎn)子熱不平衡。理論計算表明[4]，轉(zhuǎn)子熱不平衡和轉(zhuǎn)子徑向溫差成正比，轉(zhuǎn)子徑向溫差為1℃，轉(zhuǎn)子的跨中處的彎曲量及偏心量分別達到120 μm和80 μm。相對于該轉(zhuǎn)子，熱變形的溫差為1～2℃時，轉(zhuǎn)子兩側(cè)的振動變化量已經(jīng)很大。

雙水內(nèi)冷發(fā)電機汽端軸瓦電機側(cè)有冷卻水回水出水孔，在機組盤車時，可觀測各冷卻水管的通流狀況。2016年6月26日停機后，從回水孔觀測，部分冷卻水管流量偏小。

雙水內(nèi)冷發(fā)電機出現(xiàn)振動隨負荷爬升現(xiàn)象時，應在停機檢修期間，進行反沖洗。該方法耗時較長，大約需停機14～18天，嚴重影響機組的發(fā)電量。若機組停機時間較短，可將現(xiàn)場動平衡作為臨時處理措施，降低機組的振動值，保證機組的安全穩(wěn)定運行。

由表1可知，4號機組5號瓦、6號瓦軸振不同工況下、振動變化量均為同相分量，在發(fā)電機轉(zhuǎn)子外伸端加重，具有較好的效果。但該法只能作為一種補償性減振措施，要徹底消除機組的振動，應在機組檢修期間安排反沖洗。

3 振動處理措施

3.1 現(xiàn)場動平衡處理

4號機組在定速3 000 r/min及帶負荷過程中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端軸瓦軸振以同相分量為主，熱彎曲產(chǎn)生的振動分量也以同相分量為主，由此判斷，熱彎曲在轉(zhuǎn)子中部或兩端產(chǎn)生了1階或3階不平衡。發(fā)電機轉(zhuǎn)子的1階、2階臨界轉(zhuǎn)速均低于3 000 r/min，如果轉(zhuǎn)子熱不平衡在轉(zhuǎn)子中部或兩端，可產(chǎn)生同相的振動增量[5]。

2016年6月26日停機過程中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端軸瓦軸振臨界轉(zhuǎn)速下的振動均小于100 μm，表明冷態(tài)下，發(fā)電機轉(zhuǎn)子平衡得很好，5號瓦振動波特圖見圖2。進一步證明：發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動爬升為熱彎曲，且熱彎曲在機組減負荷過程中，逐漸消除，是一種可逆的熱彎曲。

圖2 5號瓦升降速的波特圖

在4號機組汽發(fā)對輪上加重0.72 kg，啟動過程中不同工況下的振動均較小，最大為63 μm；同時，機組帶負荷過程中，5號瓦、6號瓦振動的一倍頻矢量變化量較大，分別為77 μm和60 μm。動平衡前后的轉(zhuǎn)子振動增量大小相當，且變化量的相位角相同，見表3。

因此，通過現(xiàn)場動平衡加重，一方面降低了發(fā)電機轉(zhuǎn)子3 000 r/min工況下的軸振；另一方面，平衡塊抵消了帶負荷過程發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的熱不平衡量，使得爬升后的振動較小，保證機組5號、6號瓦在各工況下的振動值不超標，機組可安全運行。

表3 動平衡后4號發(fā)電機軸瓦X向軸振數(shù)據(jù)

3.2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子動平衡后振動分析

由表1、表3對比可知，4號機組動平衡前后滿、空負荷下發(fā)電機軸振的變化量基本一致，表明：動平衡后，發(fā)電機轉(zhuǎn)子上熱不平衡依然存在，且較穩(wěn)定。根據(jù)振動理論推算，可定位轉(zhuǎn)子上的熱不平衡量在120°～130°處（以鍵向槽為零位，逆轉(zhuǎn)向計），即逆轉(zhuǎn)向第5和第6根管道處。

要徹底消除該故障，應在停機檢修過程中測量發(fā)電機轉(zhuǎn)子各出水孔的流量，流量偏小出水孔處的冷卻水管即存在不同程度堵塞。應重點對堵塞的水管進行反沖洗，采用大流量正反沖洗或高壓氮氣（1.5～1.8 MPa）逐根管反沖洗，即可有效消除轉(zhuǎn)子冷卻水管通流不暢現(xiàn)象[6]。反沖洗后，發(fā)電機轉(zhuǎn)子各出水孔的流量應較一致，判別可參考《汽輪發(fā)電機繞組內(nèi)部水系統(tǒng)檢驗方法及評定》中“流量最小的出水管流量不小于所有出水管平均流量的85%，甚至90%”的要求。

4 結(jié)論

通過某廠4號機組振動測試分析、診斷及處理，將其振動降低至優(yōu)良，使其可安全穩(wěn)定運行。結(jié)論如下：

（1）雙水內(nèi)冷發(fā)電機部分轉(zhuǎn)子冷卻水管流動不暢誘發(fā)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲，致使機組在帶負荷過程中，軸振發(fā)生爬升現(xiàn)象。汽發(fā)對輪處的加重是有效降低其振動的一種方法，可作為提高發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行的臨時手段。

（2）要徹底解決雙水內(nèi)冷發(fā)電機轉(zhuǎn)子熱彎曲，應在停機檢修中進行反沖洗，并結(jié)合流量分配試驗，確保發(fā)電機轉(zhuǎn)子各冷卻水管流通特性良好，以消除轉(zhuǎn)子冷卻不均產(chǎn)生的熱彎曲。

[1]胡磊，袁益超，李立軍，等.300 MW雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機定子鐵心內(nèi)空氣流動特性研究[J].上海理工大學學報，2014（5）∶456-460.

[2]關(guān)玉芳，樓新明，馮禮奎.發(fā)電機定子線棒堵塞治理與定冷水水質(zhì)優(yōu)化[J].浙江電力，2012，31（3）∶31-34.

[3]盧洪坤，何朝暉，王建松.300 MW發(fā)電機定子繞組溫差大缺陷分析及處理[J].浙江電力，2012，31（6）∶44-45.

[4]寇勝利.汽輪發(fā)電機組的振動及現(xiàn)場平衡[M].北京：中國電力出版社，2007.

[5]楊建剛.旋轉(zhuǎn)機械振動分析與工程應用[M].北京：中國電力出版社，2007.

[6]周懷里.雙水內(nèi)冷發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路堵塞原因分析和防止措施[J].江蘇電機工程，2004（9）∶59-61.

（本文編輯：徐晗）

Treatment and Analysis on Abnormal Vibration of the 350 MW Turbo-Generator with Double Inner Water-cooling

LI Weijun，WU Wenjian，CAI Wenfang
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

s:The vibration of generator rotor shaft increases frequently due to blockage of the cooling water pipes of turbo-generator with double inner water-cooling.The common treatment is backwash during its shutdown；in addition，on-site dynamic balancing can be used to reduce the vibration.Through abnormal vibration testing of a 350 MW generator rotor，it is concluded that the main reason for the vibration increase is thermal bending due to some blocked cooling water pipes.It can ensure units operation safety and stability by using the dynamic balancing to reduce its vibration greatly.

generator；double internal water-cooling；vibration；dynamic balancing

項目：國家自然科學基金資助項目（51275452）；國網(wǎng)浙江省電力公司科技項目（5211DS14005B）

TK268+.1

B

1007-1881（2017）01-0047-03

2016-10-21

李衛(wèi)軍（1975），男，高級工程師，從事汽輪發(fā)電機組振動測試及分析。