淺談矢量?jī)?yōu)化法在汽輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡中的運(yùn)用

全建軍

摘要：汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)問(wèn)題直接影響機(jī)組的安全性，是誘發(fā)機(jī)組故障的一個(gè)重要原因。研究發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)多是轉(zhuǎn)子不平衡引起的，動(dòng)平衡是一種經(jīng)濟(jì)有效的處理措施。本文首先介紹了汽輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的原理;然后指出矢量?jī)?yōu)化法的原理、特點(diǎn)、適用范圍;最后結(jié)合案例，分析了矢量?jī)?yōu)化法在汽輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡中的實(shí)際應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī)組;動(dòng)平衡;原理;矢量?jī)?yōu)化法

在過(guò)去，人們一般是在動(dòng)平衡機(jī)上進(jìn)行平衡，但操作工序復(fù)雜，不僅檢修時(shí)間長(zhǎng)，而且費(fèi)用較高。動(dòng)平衡技術(shù)，不僅降低了平衡成本，縮短了檢修時(shí)間;而且能在帶負(fù)荷的工況下保持平衡。以下結(jié)合實(shí)踐，探討了汽輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡中矢量?jī)?yōu)化法的應(yīng)用情況。

1.汽輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的原理

1.1 轉(zhuǎn)子平衡原理

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，使用專用儀器測(cè)量不平衡量的位置、大小，得到數(shù)據(jù)后，在相對(duì)位置上增重或減重，從而維持旋轉(zhuǎn)平衡。本質(zhì)上，是對(duì)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布進(jìn)行調(diào)整，促使轉(zhuǎn)子軸線、中心慣性軸線相重合，從而避免產(chǎn)生振動(dòng)。

1.2 不平衡的原因

轉(zhuǎn)子不平衡的原因，主要是轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心、轉(zhuǎn)子出現(xiàn)缺損。數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，70%的故障是轉(zhuǎn)子不平衡引起的。具體分析轉(zhuǎn)子不平衡的誘因，主要包括：①轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有問(wèn)題;②生產(chǎn)加工時(shí)偏差過(guò)大;③元件裝配時(shí)出現(xiàn)誤差;④材料本身的質(zhì)量不均勻、精度低;⑤機(jī)組運(yùn)行時(shí)，聯(lián)軸器的位置發(fā)生變化;⑥長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，因腐蝕、磨損、結(jié)垢造成轉(zhuǎn)子缺損;⑦在疲勞應(yīng)力下，轉(zhuǎn)子零部件脫落、局部損壞，例如葉片、葉輪等。

1.3 不平衡的類型

按照轉(zhuǎn)子不平衡的發(fā)生過(guò)程，主要分為以下幾類：①原始不平衡，因轉(zhuǎn)子本身的質(zhì)量問(wèn)題，出廠時(shí)不滿足平衡精度要求，投入運(yùn)行時(shí)就出現(xiàn)振動(dòng)。②漸進(jìn)不平衡，轉(zhuǎn)子上結(jié)垢、沉積粉塵，或葉片和葉輪緩慢磨損，隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，振動(dòng)不斷增大。③突發(fā)不平衡，轉(zhuǎn)子上的零件脫落，或異物附著卡頓，導(dǎo)致振動(dòng)突然出現(xiàn)，并穩(wěn)定在一定數(shù)值上。三類不平衡的振動(dòng)特征見表1。

2.矢量?jī)?yōu)化法的原理、特點(diǎn)、適用范圍

2.1 原理

矢量?jī)?yōu)化法的原理，是配重后觀察機(jī)組的振動(dòng)參數(shù)，一次次嘗試后得到最優(yōu)方案，可通過(guò)編程進(jìn)行試湊。第一步，初步加重，利用影響系數(shù)計(jì)算不同測(cè)點(diǎn)、不同工況下的配重矢量（P1-Pk）。第二步，在配重矢量中，分別計(jì)算最大質(zhì)量（Mmax）、最小質(zhì)量（Mmix），形成質(zhì)量數(shù)列M、角度數(shù)列N，得到m×n個(gè)配重矢量。第三步，將每個(gè)配重矢量帶入影響系數(shù)，計(jì)算測(cè)點(diǎn)的殘余振動(dòng)值，該數(shù)值較小時(shí)，即得到平衡最優(yōu)解。

2.2 優(yōu)點(diǎn)

矢量?jī)?yōu)化法的優(yōu)點(diǎn)，一是考慮到了臨界轉(zhuǎn)速、工作轉(zhuǎn)速等不同速度下的轉(zhuǎn)子振動(dòng)情況;二是兼顧空負(fù)載、滿負(fù)載下的轉(zhuǎn)子振動(dòng)特點(diǎn);三是對(duì)多個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)值進(jìn)行對(duì)比。矢量?jī)?yōu)化法的缺點(diǎn)，是存在累積誤差，算法的精確性，直接影響最后的計(jì)算結(jié)果。

2.3 適用范圍

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，如果轉(zhuǎn)子支承正常，轉(zhuǎn)子配重后，就會(huì)影響轉(zhuǎn)子兩側(cè)的振動(dòng)值，且兩者具有正相關(guān)性。如果轉(zhuǎn)子采用三支承結(jié)構(gòu)，只能在跨外聯(lián)軸器上配重，此時(shí)配重矢量，和聯(lián)軸器兩側(cè)的軸承、轉(zhuǎn)子另一側(cè)軸承會(huì)出現(xiàn)矛盾，可以采用矢量?jī)?yōu)化法。如果轉(zhuǎn)子另一側(cè)的軸承比較敏感，也可以采用矢量?jī)?yōu)化法。

3.矢量?jī)?yōu)化法在汽輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 機(jī)組概況

以國(guó)內(nèi)某火電廠為例，其中某個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組，是由武漢汽輪電機(jī)公司生產(chǎn)，屬于超高壓、一次中間再熱、單軸雙杠、單抽汽凝機(jī)組。該機(jī)組的軸承系統(tǒng)，包括高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三個(gè)部分。一階工況下，三個(gè)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速分別為1475r/min、1909r/min、1213r/min;二階工況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速為2777r/min。

3.2 振動(dòng)問(wèn)題分析

該機(jī)組正常投運(yùn)后，保持穩(wěn)定運(yùn)行，能滿足正常生產(chǎn)需求。隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，2號(hào)軸承的振動(dòng)變大，配重前76MW負(fù)荷下，3個(gè)軸承的振動(dòng)數(shù)據(jù)如下：在X方向上，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)軸承的軸振值分別是70μm∠324°、122μm∠103°、96μm∠198°;在Y方向上，軸振值分別是30μm∠119°、75μm∠222°、60μm∠276°。分析可知：①在臨界轉(zhuǎn)速，3個(gè)軸承的振動(dòng)特點(diǎn)是：高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子的一階不平衡質(zhì)量小。②在工作轉(zhuǎn)速，3個(gè)軸承的振動(dòng)比較穩(wěn)定，屬于基頻強(qiáng)迫振動(dòng);其中2號(hào)軸承存在不平衡質(zhì)量。③在低速狀態(tài)下，3號(hào)軸承的軸振值在100μm∠以上，說(shuō)明軸頸晃動(dòng)較大。

3.3 初次配重

結(jié)合實(shí)際工況和現(xiàn)場(chǎng)條件，進(jìn)行角動(dòng)量分析，測(cè)定不平衡相角。配重計(jì)算過(guò)程中，高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子不進(jìn)行配重，只在2號(hào)軸承的聯(lián)軸器上進(jìn)行平衡配重。通過(guò)分析臨界轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到中低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)軸器的配重為0.7kg∠258°。首次配重后，轉(zhuǎn)子保持3000r/min的速度，結(jié)果顯示1號(hào)、2號(hào)軸承的軸振值減小，3號(hào)軸承的軸振值增大。再次計(jì)算后，得到3個(gè)軸承的最佳配重位置，分別是239°、223°、147°。由于第3個(gè)數(shù)據(jù)和前2個(gè)數(shù)據(jù)的差距較大，因此進(jìn)行矢量?jī)?yōu)化。分析初次配重失敗的原因，可能是受到聯(lián)軸器承載能力的影響，或者計(jì)算時(shí)選擇了原始振動(dòng)大、數(shù)量較少的測(cè)點(diǎn)，會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3.4 矢量?jī)?yōu)化

依據(jù)矢量?jī)?yōu)化法的原理，計(jì)算得到增加矢量為0.938kg∠200°，并得出配重后各個(gè)軸承的預(yù)計(jì)殘余振動(dòng)值。實(shí)際操作時(shí)，受到聯(lián)軸器承載能力、安裝位置的影響，對(duì)原來(lái)的配重操作取消，然后施加新的配重矢量為0.79kg∠190°。

3.5 優(yōu)化效果

2次配重后，機(jī)組再次啟動(dòng)，將轉(zhuǎn)速控制在3000r/min，此時(shí)得到3個(gè)軸承的軸振值見表2。分析可知：①3個(gè)軸承的軸振值，最大為83μm、最小為10μm，低于90μm的標(biāo)準(zhǔn)，處于A區(qū)域（振動(dòng)值優(yōu)良區(qū)域）內(nèi);②殘余振動(dòng)的預(yù)計(jì)值、實(shí)際值偏差，處于允許范圍內(nèi)，能保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。可見，采用矢量?jī)?yōu)化法進(jìn)行2次配重后，解決了轉(zhuǎn)子振動(dòng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)平衡目標(biāo)。

結(jié)語(yǔ)：

采用矢量?jī)?yōu)化法進(jìn)行2次配重后，解決了轉(zhuǎn)子振動(dòng)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)平衡目標(biāo)，希望為機(jī)組運(yùn)行管理提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王延博，寇勝利，劉樹鵬，等.核電站汽輪發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)調(diào)試[J].中國(guó)核電，2019，12（1）：69-73.