某200MW發(fā)電機振動及氫氣系統(tǒng)故障分析及處理

朱小東， 張 剛， 趙 飛， 溫文光

某200MW發(fā)電機振動及氫氣系統(tǒng)故障分析及處理

朱小東1， 張 剛1， 趙 飛2， 溫文光3

（1.華電電力科學研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古華伊卓資熱電有限公司，內(nèi)蒙古 卓資縣 012300；3.內(nèi)蒙古岱海發(fā)電有限責任公司，內(nèi)蒙古 涼城 013700）

某200MW機組運行過程中，在帶大負荷階段出現(xiàn)發(fā)電機軸振異常升高、發(fā)電機氫氣純度低的故障。通過跟蹤對比發(fā)電機軸瓦振動的變化，制定了試驗方案并實施，在分析運行及試驗數(shù)據(jù)的基礎上，對發(fā)電機軸瓦振動大故障進行了診斷。診斷結果表明，發(fā)電機軸瓦振動大的原因為發(fā)電機轉子高負荷發(fā)生熱彎曲，氫氣純度低的原因為振動大導致密封瓦和軸頸損壞，氫氣受到密封油污染。根據(jù)診斷結果，結合現(xiàn)場實際運行情況，在7瓦滑環(huán)處加配重塊，進行現(xiàn)場高速動平衡，同時對6瓦軸頸進行修復，更換6、7號密封瓦。動平衡和檢修結果表明，發(fā)電機軸瓦振動得到了有效降低，氫氣純度恢復正常。

發(fā)電機； 振動； 氫氣純度； 熱彎曲； 動平衡

0 引言

汽輪發(fā)電機組振動大，將直接影響到機組的安全運行[1]。某200 MW汽輪發(fā)電機組于2006年投產(chǎn)，近年來機組運行中出現(xiàn)發(fā)電機6、7瓦振動異常升高的故障，振動頻率主要以50Hz工頻振動為主，6Y軸振幅值在107μm至145μm之間波動。伴隨著發(fā)電機軸振升高，出現(xiàn)了發(fā)電機6瓦處密封瓦損壞嚴重，發(fā)電機漏氫量急劇增加，嚴重威脅機組運行安全。通過跟蹤對比發(fā)電機軸瓦振動的變化，制定了相關試驗方案并實施，在分析運行及試驗數(shù)據(jù)的基礎上，對發(fā)電機軸瓦振動大故障進行了診斷，并進行了相應的處理，汽輪發(fā)電機軸系振動處于良好狀態(tài)，發(fā)電機氫氣系統(tǒng)運行正常，對汽輪發(fā)電機組類似振動故障、氫氣系統(tǒng)故障的分析及處理具有借鑒意義。

1 汽輪發(fā)電機組簡介

某200MW汽輪機為單軸、三缸雙排汽、中間再熱、間接空冷凝式汽輪機，型號為：NJK200-12.7MPa/535℃/535℃，由一個高壓缸、一個中壓缸、一個低壓缸組成。汽輪機高中壓缸為合缸結構，兩個低壓缸均為雙流反向布置并采用落地軸承座。汽輪發(fā)電機組軸系中除1號軸承采用可傾瓦式軸承，2號軸承為推力支持聯(lián)合橢圓軸承，其余均采用橢圓形軸承。

配套發(fā)電機型號為QFSN3-200-2型汽輪發(fā)電機，采用自并勵磁系統(tǒng)為發(fā)電機轉子繞組供勵磁電流。發(fā)電機采用定子繞組水內(nèi)冷，轉子繞組氫內(nèi)冷，定子鐵芯及其它部件氫氣表面冷卻的“水-氫-氫”冷卻方式。發(fā)電機內(nèi)部為密閉式循環(huán)通風結構，氫氣由發(fā)電機兩端的四角冷卻器進行冷卻。

該發(fā)電機采用雙流環(huán)密封油系統(tǒng)，密封油系統(tǒng)由空側和氫側兩個各自獨立又互有聯(lián)系的的油路組成，空側和氫側密封油同時向發(fā)電機兩端的雙流環(huán)式密封瓦供油，空側和氫側密封油通過兩端的平衡閥保持油壓相等，空側密封油和氫氣通過主差壓閥維持兩者差壓穩(wěn)定。

汽輪機發(fā)電機組軸系各軸承支撐情況及連接如圖1所示。

2 振動及漏氫現(xiàn)象描述

該機組在2015年大修之后，發(fā)電機6、7瓦振動升高，2016年5月發(fā)電機6、7瓦通頻振動情況見表1。由表1可以看出，機組在大負荷階段、勵磁電流較大的情況下，總會出現(xiàn)發(fā)電機6瓦振動增大、7瓦振動基本保持不變的現(xiàn)象，6X軸振熱變量達到51μm；負荷變化過程中，發(fā)電機6、7瓦軸振主要是1倍頻為主，并且相位比較穩(wěn)定；當機組負荷、勵磁電流降低之后，發(fā)電機6瓦振動也會隨之降低，振動狀態(tài)基本能夠回到之前的基本狀態(tài)。

伴隨著發(fā)電機6瓦振動變大，發(fā)電機氫氣純度下降，補氫量增加，具體現(xiàn)象如下：該機組氫氣純度維持在96%以上較為困難，每天補氫量100m3左右，計算漏氫量8.14m3/d，氫氣濕度偶爾有超標現(xiàn)象；汽端氫側、空側密封油平衡閥差壓表擺動較大，擺動范圍-100Pa-+100Pa；發(fā)電機存在進油現(xiàn)象，發(fā)電機底部排污管排油量達到500ml/d。

表1 發(fā)電機6、7瓦的通頻振動數(shù)據(jù)

3 發(fā)電機在線振動試驗

圖1 汽輪發(fā)電機組軸系結構圖

為了進一步分析發(fā)電機振動的原因及振動特性，2016年7月12日，對該機組進行了軸系振動試驗。試驗過程中，維持機組有功、氫氣溫度、氫氣壓力不變，通過調整發(fā)電機無功，改變轉子電流，收集軸系振動及發(fā)電機相關運行數(shù)據(jù)。試驗結果見表2、表3、表4。

試驗結果表明：當發(fā)電機勵磁電流增加，6瓦振動升高；當發(fā)電機勵磁電流降低，6瓦振動下降。發(fā)電機6瓦振動與勵磁電流具有明顯相關性。

由于氫氣溫度不具備試驗條件（氫溫達到了43℃，且冷卻水門已全開，無調整余地），現(xiàn)場未進行氫溫變化試驗。通過查看機組的歷史運行曲線，密封油溫度、定冷水溫度變化對軸系振動沒有明顯影響。

4 發(fā)電機振動故障診斷

查看6瓦、7瓦軸振相位基本穩(wěn)定，現(xiàn)場軸瓦處未聽受阻，而其他轉子線圈膨脹正常，就會導致發(fā)電機轉子發(fā)生熱彎曲，即發(fā)電機轉子線圈不對稱膨脹引起熱不平衡 ，發(fā)電機軸瓦振動增大。這種故障引起振動與勵磁電流也有相關性，暫時不能排除。

表2 軸系振動試驗相關數(shù)據(jù)記錄

表3 試驗過程中發(fā)電機瓦振動情況

表4 試驗過程中發(fā)電機氫氣溫度情況

（3）發(fā)電機冷卻系統(tǒng)存在故障

從試驗結果來看，發(fā)電機內(nèi)部冷卻系統(tǒng)存在故障可能性較大。本發(fā)電機2、4、6、8風區(qū)為冷卻氫氣入口溫度，3、5、7、9風區(qū)為冷卻氫氣出口溫度。由表4看出，1風區(qū)溫度明顯偏高，經(jīng)熱工人員檢查為熱工測點故障；發(fā)電機各風區(qū)氫氣溫度分布不均，多個相鄰風區(qū)（4、5風區(qū)和6、7風區(qū)）進、出口風溫沒有溫升。發(fā)電機轉子冷卻風道局部堵塞或者匝間絕緣移位會引起通風不暢，導致截面出現(xiàn)溫度不對稱，發(fā)電機轉子熱彎曲，振動增大[4-5]。

綜合以上分析，對機組發(fā)電機振動增大的故障診斷如下：本發(fā)電機熱敏性現(xiàn)象明顯，軸瓦振動跟隨機組有功正向變化，造成這種故障的原因主要為高負荷發(fā)電機轉子發(fā)生熱彎曲。發(fā)電機轉子熱彎曲的原因可能為：轉子冷卻不對稱、發(fā)電機內(nèi)摩擦效應。見異常摩擦聲音，查看上次6瓦、7瓦密封瓦更換記錄，安裝尺寸、間隙符合規(guī)程要求，可以排除油擋碰磨的可能。

2號機組啟動定速3000rpm時候，6X軸振107μm。隨著發(fā)電機負荷升高，6瓦振動不穩(wěn)定，呈現(xiàn)爬升狀態(tài)。200MW時候，6X軸振158μm，熱變量達到51μm。引起發(fā)電機熱敏性的影響因素很多，包括轉子冷卻不對稱、發(fā)電機轉子線圈匝間短路、發(fā)電機內(nèi)摩擦效應等[2-3]。

（1）發(fā)電機轉子線圈匝間短路

2號機組轉子線圈匝間短路監(jiān)測裝置未安裝，所以無法確認機組是否發(fā)生了匝間短路。但對比同廠同類型的3號機組運行情況，在相同有功，相同無功條件下，2號機組勵磁電流沒有明顯增大，不具備匝間短路的現(xiàn)象，所以可以排除此故障。

（2）發(fā)電機內(nèi)摩擦效應

如果發(fā)電機轉子槽楔裝配，間隔墊塊安裝工藝，護環(huán)、芯環(huán)裝配工藝不良，在勵磁電流增加的過程中，發(fā)電機轉子線圈受熱膨脹，會導致一部分轉子線圈膨脹

5 氫氣純度低故障診斷

針對發(fā)電機氫氣純度低的問題，現(xiàn)場開展如下檢查：

（1）現(xiàn)場檢查發(fā)電機與壓縮空氣管路、二氧化碳管路已可靠隔離。

（2）現(xiàn)場檢查2號機組氫側密封油箱補油管路溫度較高，氫側密封油箱正常排油管路及氫側密封油快排管路溫度與環(huán)境溫度一致。

（3）嘗試將關閉2號機組氫側密封油箱補油閥之后，氫側密封油箱油位快速下降，證明密封油回油量少。

（4）現(xiàn)場檢查氫側密封油箱油位跟蹤良好，排除浮球故障可能。

（5）將氫側密封油快排閥開關多次，排除閥門有內(nèi)漏可能。

根據(jù)機組情況，結合現(xiàn)場檢查情況分析，發(fā)電機氫氣純度低的最有可能的原因為：由于發(fā)電機軸振大，發(fā)電機密封瓦損壞嚴重，發(fā)電機密封油串入發(fā)電機內(nèi)部，造成發(fā)電機內(nèi)部氫氣受到污染，純度下降。

6 故障處理

由于現(xiàn)場并不具備發(fā)電機解體或返廠檢修的條件，而且機組軸系振動的幅值、相位情況基本穩(wěn)定，所以，在現(xiàn)場具備的條件下，以高速動平衡來補償發(fā)電機熱彎曲。

經(jīng)過動平衡計算，最終在發(fā)電機轉子末端7瓦滑環(huán)處燕尾槽加平衡重量757g∠234°。軸系動平衡前后振動情況見表5。機轉子軸頸部位進行了修復，啟動后發(fā)電機氫氣系統(tǒng)運行正常，氫氣純度合格。

7 結語

（1）通過現(xiàn)場對發(fā)電機氫氣和密封油系統(tǒng)進行檢查，并開展發(fā)電機軸系在線振動試驗，查找到了本機組發(fā)電機氫氣純度低以及發(fā)電機軸振升高的原因。

（2）通過現(xiàn)場進行發(fā)電機轉子高速動平衡，發(fā)電機轉子的熱彎曲狀態(tài)得到改善，軸系振動處于良好狀態(tài)，同時對6瓦軸頸進行修復，更換6、7號密封瓦，發(fā)電機氫氣純度恢復正常，達到預期的效果。

表5 發(fā)電機轉子動平衡前、后振動對比

從動平衡的結果來看，發(fā)電機軸振得到了有效降低，各瓦振動值在優(yōu)秀范圍以內(nèi)。同時，在機組停運期間，對損壞的發(fā)電機密封瓦進行了更換，對磨損的發(fā)電

[1]王延博.汽輪發(fā)電機組轉子及結構振動[M].1版.北京：中國電力出版社，2016．

[2]張建鋒.發(fā)電機轉子匝間短路故障診斷及處理措施[J].中國新技術新產(chǎn)品，2016（9）：44．

[3]寇勝利.汽輪發(fā)電機組的振動及現(xiàn)場平衡[M].1版.北京：中國電力出版社，2007．

[4]張學延，張衛(wèi)軍，葛祥，等.電廠旋轉機械設備振動問題處理案例分析 [J].中國電力，2015,48（8）:110-116.

[5]魏繼龍，杜君文，劉俊漢，等.600MW發(fā)電機轉子不穩(wěn)定振動分析及控制[J].中國電力,2014，47（11）:10-13.

A 200MW Generator Vibration and Hydrogen System Failure Analysis and Treatment

ZHU Xiao-dong1， ZHANG Gang1， ZHAO Fei2， WEN Wen-guang3

（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hohhot 010010，China；2.Inner Mongolia Huayizhuozi thermal Power Co.，Ltd，Zhuozi 012300，China；3.Inner Mongolia Daihai Power Incorporated Company，Liangcheng 013700，China）

In a 200MW unit in the process of operation,abnormal vibration generator shaft with big load phase increases,generator hydrogen purity low failure.Through comparing the change of the generator bearing vibration track,develop the test plan and implement,on the basis of analysis and test data，for large generator bearing vibration fault diagnosis.Diagnostic results show that the reason for the generator rotor of the generator bearing vibration high hot bending load，lead to seal the reasons for the low hydrogen purity for vibration and shaft neck damage，hydrogen seal oil pollution.According to diagnosis，combining with the actual operation，at 7 watts slip ring and counter weight,on-site high speed dynamic balance，at the same time to repair of 6 wazhou neck，replace the seal 6，7 watts.Dynamic balance and repair results show that the generator bearing vibration has been effectively reduced，the hydrogen purity returned to normal.

generator； vibration； hydrogen purity； thermal bending； dynamic balancing

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.006

TM621.3

B

2095-3429（2017）04-0029-04

朱小東（1983-），男，四川峨眉人，碩士，工程師，從事火電廠汽輪機技術監(jiān)督及汽輪發(fā)電機組振動診斷、處理工作。

2017-07-17

修回日期：2017-08-02