某臺630 MW機組低壓轉子異常振動診斷及處理

李衛(wèi)軍，吳文健，應光耀

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

某臺630 MW機組低壓轉子異常振動診斷及處理

李衛(wèi)軍，吳文健，應光耀

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

對某臺630 MW機組低壓轉子的異常振動進行了測試試驗，結果表明：低壓轉子存在原始不平衡或熱不平衡且動靜間隙偏小、發(fā)電機轉子上的熱不平衡，引起低壓轉子不同程度的動靜碰磨，導致低壓轉子軸振異常。通過在低壓轉子與汽發(fā)對輪上同時加重的現(xiàn)場動平衡調整，徹底解決了該振動問題，可為630 MW機組的振動故障診斷提供參考。

630 MW機組；低壓轉子；異常振動；碰磨；動平衡

0 引言

隨著汽輪機技術的發(fā)展，通流改造技術可顯著提高機組的效率，是火電機組節(jié)能減排的重要措施。在蒸汽流量不變的情況下，600 MW亞臨界機組銘牌出力可改造為630 MW機組，其安全可靠性均有所提高。但改造后的部分機組在調試或運行過程中，因轉子質量不平衡、轉子動靜碰磨等振動故障[1，2]，影響機組的安全穩(wěn)定運行。

目前，浙江省已完成5臺某型機組的改造，其效率、可靠性均有明顯的改善。但有1臺改造后的630 MW機組在調試及運行過程中，低壓LPB轉子軸振存在波動較大的異常情況，影響其安全可靠性。通過對機組軸系振動測試及分析，認為LPB轉子的動靜碰磨為主要原因，并采用動平衡，徹底處理了該機組的振動問題，軸系振動為優(yōu)良并且很穩(wěn)定。

1 機組概述與振動現(xiàn)象

1.11 號機組概述

2016年，某廠1號機組開展通流改造，改造后汽輪機型號為N630-16.7/538/538-1，為亞臨界一次再熱式、四缸四排汽、單軸凝汽式汽輪機。汽輪機高、中、低壓轉子由剛性聯(lián)軸器聯(lián)接并支撐在8只徑向軸承上，其中1—4號軸承為可傾瓦結構，5號軸承為三瓦塊可傾瓦軸承，6—8號軸承為圓筒軸承，發(fā)電機軸承為可傾瓦軸承。其軸系布置如圖1。

圖1 機組軸系布置示意

為了提高低壓缸效率及安全可靠性，低壓缸進行了技術改造，具體措施為：

（1）葉片改型。低壓缸通流采用雙向反動式壓力級，為2×7級，末級采用1 050 mm的長葉片。

（2）缸體加固。600 MW亞臨界機組在改造前低壓轉子的缸體較弱，真空變化時，低壓轉子易發(fā)生動靜碰磨現(xiàn)象[3]。在改造過程中，對低壓缸進行了加固，以提高低壓缸的剛度。

（3）凝汽器的改造。凝汽器由原來的單背壓、雙流程改為雙背壓、單流程。

1.2 振動現(xiàn)象及特征

該機組通流改造結束后，2016年9月8日首次啟動中，19∶00定速2 450 r/min進行中速暖機；19∶40后的1 h內，7號瓦、8號瓦軸振分別由41 μm和46 μm爬升至64 μm和70 μm，隨后逐漸降低至42 μm和45 μm。在2 950 r/min的閥切換中，7號、8號軸振在2 min內快速分別由52 μm和91 μm爬升至122 μm和173 μm，導致機組停機，振動數(shù)據(jù)見表1，振動趨勢見圖2。

圖2 首次啟動中8Y振動變化趨勢

表1 該機組Y向軸振數(shù)據(jù)

7號瓦、8號瓦軸振爬升極快，6號瓦、9號瓦的振動變化量較小，認為振動故障在低壓LPB轉子（下文簡稱LPB轉子）。7號瓦、8號瓦爬升過程為時2 min，以1X分量為主，振動變化不是突變性振動，可排除轉子部件脫落或對輪錯位等故障，確認LPB轉子發(fā)生了動靜碰磨[4]。

9月9日03時定速3 000 r/min并進行電氣試驗期間，低壓LPB轉子軸動較穩(wěn)定。9月9日20時并網(wǎng)，7號瓦、8號瓦軸振在11 min內分別爬升至195 μm和180 μm，和前一次的振動快速爬升情況極其相似，致使機組跳機，數(shù)據(jù)見表1。

9月10日04時定速3 000 r/min，7號瓦、8號瓦振動分別穩(wěn)定在80 μm和60 μm。降低機組真空，即真空由-96 kPa降低至-92 kPa；調整機組軸封汽溫度，將軸封汽溫度由142℃提高至162℃，機組振動較穩(wěn)定，在帶10%負荷5個多小時后，順利完成閥門汽密性試驗和超速試驗。機組發(fā)生動靜碰磨后，調整軸封汽溫度、真空等，均可使低壓轉子軸振減小或趨于穩(wěn)定，進一步驗證了機組的振動爬升為低壓轉子動靜碰磨。

該機組在9月12日后的帶負荷過程中，7號瓦、8號瓦軸振分別在80～94 μm和83～104 μm波動，且以1X分量為主。分析認為LPB轉子發(fā)生輕微動靜碰磨或軸瓦不穩(wěn)定，通過調整真空、軸封汽溫度等，7號瓦、8號瓦軸振雖在波動，但未發(fā)生大幅波動現(xiàn)象，詳細數(shù)據(jù)見表2。

表2 該機組帶負荷過程Y向軸振數(shù)據(jù)

2 原因分析

該機組運行過程中，7號、8號瓦軸振存在快速爬升或波動現(xiàn)象，其原因為：軸封汽溫度、真空等不匹配、轉子的軸端汽封間隙偏小、轉子存在動不平衡等，均會導致轉子發(fā)生動靜碰磨，引起軸振爬升或波動現(xiàn)象。分析如下：

2.1 LPB轉子動靜間隙較小

為了提高低壓缸效率，在通流改造、軸封改造中，軸封、汽封與轉子的間隙設計值偏小，這給機組的安裝、運行帶來了一定的難度。若轉子動靜間隙較小，在機組運行中，諸如軸封汽溫度、真空等運行參數(shù)和運行工況不匹配，誘發(fā)動靜碰磨，振動略微爬升后，容易發(fā)生嚴重的動靜碰磨，致使低壓轉子軸振快速爬升，甚至導致停機，這和該機組振動現(xiàn)象一致。

由表1可知，機組第一次、第二次動靜碰磨，低壓轉子振動爬升時間分別為2 min和11 min，振動爬升至173 μm和195 μm。這表明，動靜碰磨發(fā)生后，動靜間隙有所增大，后期的碰磨強度已有所減弱。

2.2 低壓轉子存在不平衡現(xiàn)象

低壓轉子的軸振略大時，容易出現(xiàn)動靜碰磨。該機組定速3 000 r/min時，低壓LPA轉子、低壓LPB轉子的最大軸振分別為60 μm和80 μm，且以1X分量為主。LPA轉子軸振較小，相對較穩(wěn)定，未發(fā)生動靜碰磨；而LPB轉子軸振相波動較大，發(fā)生了2次嚴重的動靜碰磨，表現(xiàn)為7號瓦、8號瓦軸振大幅爬升。經(jīng)計算，低壓LPB轉子上存在一定的不平衡量，且嚴重動靜碰磨后，其不平衡量有所增大。

該機組在帶負荷過程中，LPB轉子發(fā)生輕微動靜碰磨，前期較輕微。在機組溫升試驗后，因發(fā)電機轉子的熱不平衡，7—10號瓦振動略增大，低壓轉子動靜碰磨有所加重，7號瓦、8號瓦振動波動頻繁且振動變化量有所增大。經(jīng)計算，不同工況下，低壓LPB轉子上的不平衡量基本不變，表明碰磨程度較輕，未產(chǎn)生明顯的熱不平衡。

2.3 低壓轉子臨界轉速對碰磨的影響

在機組升降速過程中，測定轉子升速與降速過程的軸振值，根據(jù)波特圖或奈奎斯特圖確定其臨界轉速。該機組8號瓦在超速前后的波特圖見圖3、圖4（其它軸振波特圖相似，不再列舉），該型2臺改造機組的臨界轉速如表3。

由圖3、圖4可知，LPB轉子的1階臨界轉速為1 580～1 710 r/min，并存在2 910～2 970 r/min的臨界轉速，這與超速試驗后的波特圖相吻合。廠家的資料顯示：低壓轉子臨界轉速為1 600 r/min，葉片的共振轉速在1 900～2 280 r/min及2 600～2 910 r/min范圍內。根據(jù)波特圖，發(fā)電機轉子的臨界轉速為2 910～2 970 r/min；勵磁機小軸在2 910～2 970 r/min的振動均較小，且轉子質量較低壓轉子輕很多，也不足以誘發(fā)低壓轉子的大振動。因此，低壓轉子確實存在2 910～2 970 r/min范圍內的臨界轉速，接近3 000 r/min。

圖3 軸振8X波特

圖4 軸振8Y波特

表3 2臺機組低壓轉子的臨界轉速r/min

LPB轉子臨界轉速接近3 000 r/min，即轉子強迫振動和共振振動頻率較近，轉子軸振不穩(wěn)定裕度降低，轉子發(fā)生動靜碰磨，出現(xiàn)嚴重動靜碰磨的概率會增大。一方面，轉子在臨界轉速附近發(fā)生動靜碰磨，碰磨效應產(chǎn)生的轉軸熱彎曲，將會增加碰撞程度[5]。另一方面，碰磨產(chǎn)生的熱彎曲使得轉子附加一熱不平衡量，軸振相應會增大，因動靜間隙較小，會使動靜碰磨程度加劇，導致轉子軸振快速爬升。

2.4 發(fā)電機軸振變化對低壓LPB轉子振動的影響

該機組在2016年9月20日的發(fā)電機溫升試驗中，9號瓦、10號瓦軸振分別爬升13 μm，17 μm，以1X分量為主；且有一定的滯后性。機組在大電流工況下，因為熱脹不暢、滑移層膨脹受阻等因素，轉子上產(chǎn)生了一定量的熱態(tài)不平衡；該機振動變化量較小，表明熱不平衡量較小，數(shù)據(jù)見表4。對低壓轉子來說，發(fā)電機轉子的熱不平衡相當于其外伸端出現(xiàn)了不平衡量，導致低壓轉子軸振有所增大。在2016年9月20日溫升試驗后，7號瓦、8號瓦振動值有所增大，波動幅度更大，8號瓦最高爬升至110 μm，且波動更頻繁，數(shù)據(jù)見表5。

表4 機組溫升試驗中Y向軸振數(shù)據(jù)

表5 機組溫升試驗后部分Y向軸振數(shù)據(jù)

綜上分析，原始不平衡、動靜碰磨產(chǎn)生的熱不平衡、發(fā)電機轉子上產(chǎn)生的熱不平衡量的共同作用，導致LPB轉子的軸振較大。低壓轉子動靜間隙較小，在運行中，時而發(fā)生動靜碰磨，導致7號瓦、8號瓦軸振容易波動。

3 振動處理

根據(jù)上述分析，采用振型分離法結合動平衡計算技術，實施準確的動平衡，減小LPB轉子和發(fā)電機軸振，可解決該振動問題。

LPB轉子在不同工況下軸振的1X分量為反相，且其二階臨界轉速接近3 000 r/min，以二階振型下的不平衡為主，可在低壓轉子缸內施加反對稱型配重或單端配重。而發(fā)電機的軸振以同相分量為主，其運行轉速為3 000 r/min；而發(fā)電機的實測一階、二階臨界轉速分別為830 r/min和2 040 r/min。表明發(fā)電機轉子存在一階或三階型的熱不平衡，應在發(fā)電機外伸端加重。汽發(fā)對輪作為低壓轉子和發(fā)電機轉子的共同外伸端，對降低發(fā)電機、汽輪機的振動均有較好的減振效果。

利用該機組9月28日—10月9日的檢修期，在LPB轉子缸內汽側輪轂上、汽發(fā)對輪上同時加重，加重量分別為0.570 kg∠210°和0.40 kg∠120°。10月9日，機組在加重后的啟動過程中，7—10號瓦的振動均小于50 μm，且很穩(wěn)定，該機組能安全可靠地穩(wěn)定運行，運行數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 該機組動平衡后Y向軸振數(shù)據(jù)

4 結論

通過對某廠1號機組低壓轉子振動測試分析、診斷及處理，將該機組的振動降低至優(yōu)良，確保其安全穩(wěn)定運行。結論如下：

（1）低壓轉子軸振大且波動的原因為低壓轉子的動靜碰磨，其誘因為低壓轉子動靜間隙偏小，存在一定的原始不平衡或熱不平衡。低壓轉子的某階臨界轉速接近3 000 r/min，其軸系穩(wěn)定性較差，加劇了其動靜碰磨的程度。

（2）發(fā)電機溫升試驗中，發(fā)電機轉子上產(chǎn)生了一定的熱不平衡，低壓轉子、發(fā)電機的振動略有上升，加劇了LPB轉子軸系不穩(wěn)定。

（3）采用動平衡有效降低了LPB轉子、發(fā)電機轉子的振動值，低壓LPB轉子軸振小于50 μm且很穩(wěn)定。

[1]李衛(wèi)軍，吳文健，蔡文方，等.某軸向拂汽式汽輪發(fā)電機組異常振動的分析及處理[J].浙江電力，2015，34（11）∶8-11.

[2]徐曉峰.600 MW機組通流改造后振動故障診斷及治理[J].安徽電力，2016，33（1）∶1-3.

[3]吳文健，童小忠，應光耀，等.浙江省內國產(chǎn)化600 MW汽輪發(fā)電機組振動綜合處理.浙江電力，2010，29（10）∶28-31.

[4]李榮義，李小軍，陸頌元，等.兩臺大型機組動靜碰磨故障現(xiàn)場分析及診斷[J].汽輪機技術，2008，9（6）∶440-442.

[5]王士敏，陸啟韶，等.轉子通過臨界轉速時碰摩熱效應對振動特性的影響[J].動力學與控制學報，2004，2（3）∶64-68.

[6]魏繼龍，杜君文，劉俊漢，等.600 MW發(fā)電機轉子不穩(wěn)定振動分析及控制[J].中國電力，2004，2（3）∶64-68.

（本文編輯：徐晗）

Diagnosis and Treatment on Abnormal Vibration of Low-pressure Rotors of 630 MW Units

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

The abnormal vibration of low-pressure rotors of 630 MW units is tested.The result shows that there is initial unbalance or thermal unbalance in the rotors；besides，the kinetic-static clearance is small，and thermal unbalancing of the rotors results in rubbing of low-pressure rotor and the abnormal shaft vibration. The abnormal vibration is thoroughly eliminated by on-site dynamic balancing of low-pressure rotors and wheels of turbine and generator，which can be used as reference for the fault diagnosis of 630 MW units.

630 MW units；low-pressure rotor；abnormal vibration；rubbing；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）01-0054-04

2016-12-08

李衛(wèi)軍（1975），男，高級工程師，主要從事汽輪機故障診斷及處理工作。