1 000 MW超超臨界機(jī)組發(fā)電機(jī)調(diào)試期間振動(dòng)問題的分析及處理

馮坤

(國家電投集團(tuán)河南電力有限公司技術(shù)信息中心，鄭州 450000)

0 引言

采用大容量、高參數(shù)的火電機(jī)組是提高火電廠經(jīng)濟(jì)性最為有效的措施。超大功率、超超臨界的百萬千瓦級機(jī)組代表著目前國際的先進(jìn)水平，集高效、節(jié)能和環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢，是我國21世紀(jì)初期最具有競爭力的燃煤機(jī)組。

但超超臨界機(jī)組因轉(zhuǎn)子跨度長、軸承數(shù)量多等特點(diǎn)，易發(fā)生振動(dòng)故障，振動(dòng)故障的處理成本高，過程也較為復(fù)雜。以某1 000 MW汽輪發(fā)電機(jī)組為例，在處理其振動(dòng)故障時(shí)，每次開機(jī)所產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損失都在100萬元以上。因此，發(fā)電單位對振動(dòng)故障診斷的準(zhǔn)確度、及時(shí)度提出了更高的要求。

某電廠新建的#1機(jī)組(1 000 MW)在調(diào)試階段分別發(fā)生了發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速振動(dòng)超標(biāo)、帶負(fù)荷軸振突跳及振幅增大等振動(dòng)異?，F(xiàn)象，通過對機(jī)組振動(dòng)特征的分析及診斷，采用了相應(yīng)的處理方法，成功地解決了相關(guān)振動(dòng)問題，保證了機(jī)組的順利投產(chǎn)。

1 設(shè)備概況

#1機(jī)組采用上海汽輪機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造的C1000-28/0.4/600/610型超超臨界壓力、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)，發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN-1000-2。機(jī)組軸系由高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、2根低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)/勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子及相應(yīng)的8個(gè)支持軸承組成,其中：高壓轉(zhuǎn)子為雙支撐結(jié)構(gòu)；中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子是單支撐結(jié)構(gòu)；發(fā)電機(jī)/勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子是三支撐結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)兩端軸承為#6，#7軸承，勵(lì)磁機(jī)軸承為#8軸承。汽輪機(jī)采用落地軸承，發(fā)電機(jī)采用端蓋軸承。#1機(jī)組各軸承的臨界轉(zhuǎn)速見表1。

表1 #1機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速Tab.1 Critical rotation speed of No.1 unit r/min

2 發(fā)電機(jī)組低轉(zhuǎn)速下振動(dòng)分析

該機(jī)組于2018年11月17日首次開機(jī)。機(jī)組沖轉(zhuǎn)過程中，發(fā)電機(jī)兩端軸振隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高逐漸增大，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速升至340 r/min時(shí)，6X，6Y，7X，7Y方向的振幅分別達(dá)到112，64，33，35 μm。調(diào)試人員為保證機(jī)組安全，打閘停機(jī)。

根據(jù)GB/T 11348.2—2007《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動(dòng)的測量和評定》的規(guī)定，機(jī)組低轉(zhuǎn)速下的振幅為轉(zhuǎn)軸偏擺且振幅不宜超過22.5 μm。機(jī)組軸系偏擺值主要是由轉(zhuǎn)軸偏心、彎曲、表面不圓、局部缺陷、閉合回路剩磁、材質(zhì)分布不均等引起的[1]。為進(jìn)一步確認(rèn)低轉(zhuǎn)速振動(dòng)大的原因，分析6X，6Y，7X，7Y的升速過程伯德圖，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)速上升、振動(dòng)升高的過程中，工頻幅值、相位穩(wěn)定無明顯變化，2倍頻的幅值、相位變化較大。根據(jù)該發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，判定該發(fā)電機(jī)存在副臨界振動(dòng)現(xiàn)象，而非轉(zhuǎn)軸偏擺。

對于汽輪機(jī)這類均勻轉(zhuǎn)子而言，升速過程中轉(zhuǎn)子只會(huì)在系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)共振。發(fā)電機(jī)比較特殊，在升速過程中，不僅會(huì)出現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速，還會(huì)出現(xiàn)副臨界轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本體上通常開有大、小齒槽，大、小齒橫截面上的抗彎剛度不等。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)1周的過程中，撓度會(huì)因重力發(fā)生2次變化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生2倍頻振動(dòng)，其大小與2個(gè)截面面積有關(guān)，與轉(zhuǎn)子本身動(dòng)平衡狀況無關(guān)。升速過程中，轉(zhuǎn)速升到1/2轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，由重力引起的2倍頻振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速正好重合，從而會(huì)產(chǎn)生2倍頻共振。發(fā)電機(jī)副臨界對機(jī)組危害較小，可以通過提高轉(zhuǎn)速的方法避開2倍頻共振區(qū)[1]。第2次沖轉(zhuǎn)過程中,轉(zhuǎn)速到達(dá)340 r/min后直接升速至3 000 r/min，6X，6Y，7X，7Y方向的振幅分別為78，47 ，89，47 μm(如圖1所示)。

3 機(jī)組在負(fù)荷700 MW異常波動(dòng)

機(jī)組負(fù)荷700 MW時(shí)，6X，6Y，7X，7Y方向的軸振出現(xiàn)了突跳且突跳值逐漸增大，振動(dòng)最大時(shí)各方向測點(diǎn)的振幅分別達(dá)到415，432，224，186 μm。該機(jī)組只有瓦振保護(hù)，無軸振保護(hù)，故機(jī)組未跳機(jī)。振動(dòng)突跳時(shí)，機(jī)組負(fù)荷等運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定并無異常，#6，#7軸承瓦振保持不變。圖2為軸振趨勢圖，分析發(fā)現(xiàn)振動(dòng)突跳時(shí)工頻幅值、相位穩(wěn)定，只有通頻值幅波動(dòng)較大。該振動(dòng)突跳有以下特點(diǎn)：(1)振動(dòng)突跳瞬時(shí)出現(xiàn)又瞬時(shí)消失，跳變頻率逐漸增大；(2)6X，6Y，7X，7Y方向振動(dòng)突跳時(shí)，軸承瓦振穩(wěn)定，幾乎沒有變化；(3)機(jī)組整個(gè)軸系除#6，#7軸承軸振動(dòng)突跳外，其他測點(diǎn)振動(dòng)正常；(4)分析發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)波形近似正選波，無明顯的高次諧波，但有負(fù)向畸變(如圖3所示)。根據(jù)以上分析，初步判斷#6，#7軸承軸振異常波動(dòng)為虛假值。

圖2 機(jī)組負(fù)荷700 MW時(shí)的軸振趨勢(截圖)Fig.2 Vibration trends of bearings under 700 MW load(screenshot)

圖3 機(jī)組負(fù)荷700 MW時(shí)的軸振波形(截圖)Fig.3 Vibration waveform of bearings under 700 MW load(screenshot)

在以渦流傳感器測量軸振的汽輪機(jī)安全監(jiān)測及保護(hù)系統(tǒng)(TSI)中，渦流探頭輸出的電壓與探頭到被測表面間的距離、被測表面的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率有關(guān)，只有在被測表面的磁導(dǎo)率與電導(dǎo)率不變時(shí)，輸出電壓的變化才與探頭到被測表面的距離變化(即軸振)有關(guān)，即只有在這種情況下TSI顯示的才是真實(shí)的軸振。

6X，6Y，7X，7Y方向的軸振突跳是同時(shí)發(fā)生的，可以排除個(gè)別渦流傳感器和電纜接頭松動(dòng)或振動(dòng)信號(hào)線接地/屏蔽等問題的可能性。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn),振動(dòng)突跳的原因?yàn)檗D(zhuǎn)軸與接地碳刷接觸不良，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸磁化,渦流傳感器磁通量疊加，進(jìn)而影響TSI和振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量精度，造成振動(dòng)突跳的虛假值。調(diào)整轉(zhuǎn)軸與接觸碳刷接觸后，振動(dòng)恢復(fù)正常[2]。

4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)處理

4.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)情況

機(jī)組首次開機(jī)定速3 000 r/min空負(fù)荷時(shí)，各測點(diǎn)振幅穩(wěn)定，但是在帶負(fù)荷過程中#6,#7，#8軸承軸振逐漸爬升。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷為1 000 MW時(shí)，6X，7X方向振動(dòng)最大值為143，138 μm(見表2)。

由表2可以看出，機(jī)組負(fù)荷1 000 MW時(shí)各測點(diǎn)振動(dòng)變化較大，其中以基頻振幅及相位為主，5X，6X,7X，8X方向基頻幅值變化分別為31，70，69，58 μm，相位變化量分別為28°，15°，57°，51°，判斷振動(dòng)性質(zhì)為不穩(wěn)定的普通強(qiáng)迫振動(dòng)[2]。

4.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)原因分析

根據(jù)機(jī)組帶負(fù)荷前、后振動(dòng)幅值及相位的變化特征可以看出，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在的熱不平衡是機(jī)組帶負(fù)荷過程中軸承軸振動(dòng)爬升的主要原因。影響機(jī)組熱平衡的因素如下。

表2 3 000 r/min時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)(峰-峰值)Tab.2 Vibration data of bearings at 3 000 r/min(peak-to-peak value) μm

表3 變勵(lì)磁電流試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)Tab.3 Variable excitation current test vibration data

表4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子配重后滿負(fù)荷振動(dòng)數(shù)據(jù)Tab.4 Full load vibration data after generator rotor counterweight μm

(1)轉(zhuǎn)子冷卻不均。該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為氫內(nèi)冷機(jī)組，轉(zhuǎn)子局部通風(fēng)孔堵塞或通風(fēng)面積減小會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中冷卻不均，使轉(zhuǎn)子橫截面徑向上形成溫差，引起熱彎曲。

在機(jī)組負(fù)荷900 MW時(shí)進(jìn)行氫溫試，勵(lì)磁電流穩(wěn)定在4 544 A，氫冷器出口溫度41 ℃。調(diào)整氫氣溫度過程中發(fā)現(xiàn)#6和#7軸承軸振隨氫溫的變化不明顯，因此可以判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻不均不是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱不平衡的原因。

(2)轉(zhuǎn)子受熱不均引起熱彎曲。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲可分為可逆和不可逆2種。兩者引起的振動(dòng)都與轉(zhuǎn)子電流大小有關(guān)，前者隨轉(zhuǎn)子電流的增加而減少，后者振動(dòng)隨轉(zhuǎn)子電流的增加而增大。

但該機(jī)組轉(zhuǎn)子電流減小時(shí)振動(dòng)并不降低，而是維持較高的水平。在機(jī)組負(fù)荷800 MW、其他運(yùn)行參數(shù)保持不變時(shí)進(jìn)行變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流先增后減，#6，#7軸承軸振先升后降，振動(dòng)基本恢復(fù)到原始值，該熱彎曲屬于可逆熱彎曲，可以通過對轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱態(tài)平衡補(bǔ)償熱彎曲對轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響[3-4]。

由表2可知，機(jī)組在空負(fù)荷及滿負(fù)荷工況下#6，#7軸振主要呈同向振動(dòng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)可能存在一階、三階不平衡分量，察看#6，#7軸承振幅在升速過程中的伯德圖發(fā)現(xiàn)：機(jī)組在通過發(fā)電機(jī)一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振幅較小，可排除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在一階不平衡；發(fā)電機(jī)二階臨界轉(zhuǎn)速為2 520 r/min,工作轉(zhuǎn)速處于二階臨界轉(zhuǎn)速和三階臨界轉(zhuǎn)速之間且離二階臨界轉(zhuǎn)速較遠(yuǎn)，判斷轉(zhuǎn)子的振型為典型的三階振型[5]。

4.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平衡方法

根據(jù)現(xiàn)場動(dòng)平衡理論，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)響應(yīng)，只能在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇環(huán)對稱加重；現(xiàn)場平衡發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子二階臨界轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)響應(yīng)，只能在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇環(huán)反對稱加重；三階不平衡需要3個(gè)平面加重才能把轉(zhuǎn)子的不平衡消除[6-8]。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處理三階不平衡需要在轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇環(huán)及轉(zhuǎn)子中部加重，即采用模態(tài)平衡法的共振分離法，但是存在需要置換氫氣、停機(jī)拆除發(fā)電端蓋等，工作時(shí)間長、工作量大[7]。

從現(xiàn)場動(dòng)平衡實(shí)踐來看，采用在發(fā)電機(jī)兩端聯(lián)軸器加重來平衡發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三階不平衡具有較好的效果[9-15]。因此決定在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端聯(lián)軸器上加重，采用非正交加重的非常規(guī)現(xiàn)場動(dòng)平衡法。根據(jù)該類型機(jī)組歷史加重影響系數(shù)，分別在汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁機(jī)對輪處加550，580 g，配重后機(jī)組滿負(fù)荷振動(dòng)數(shù)據(jù)見表4。

由表4可見，機(jī)組配重后，滿負(fù)荷時(shí)6X，7X的振幅由143 ，138 μm降低至73 ，56 μm，其他各測點(diǎn)振幅均小于75 μm。

5 結(jié)論

(1)機(jī)組首次開機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中，在轉(zhuǎn)速為340 r/min時(shí)，#6，#7軸承軸振超過允許值的主要原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)副臨界轉(zhuǎn)速下發(fā)生2倍頻共振。發(fā)電機(jī)副臨界共振對機(jī)組危害較小，可以通過提高轉(zhuǎn)速的避開2倍頻共振區(qū)。

(2)機(jī)組700 MW負(fù)荷時(shí)#6，#7軸承軸振突跳，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)振動(dòng)突跳為虛假值，而非軸系真實(shí)振動(dòng)，原因?yàn)檗D(zhuǎn)軸與接地碳刷接觸不良導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸磁化。調(diào)整轉(zhuǎn)軸與接觸碳刷接觸后，振動(dòng)恢復(fù)正常。

(3)當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生可逆熱彎曲時(shí)，可以通過熱平衡方法降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶負(fù)荷過程中的振幅，參考機(jī)組以往加重影響系數(shù)，通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)聯(lián)軸器加重可以有效地平衡發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三階不平衡量。