線圈膨脹不暢導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障分析與處理

李立波，楊會(huì)斌，范會(huì)勇，李 帥

(1.大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012; 2.大唐武安發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056000; 3.大唐東營(yíng)發(fā)電有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

0 前言

某發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組自2009年12月投產(chǎn)以來(lái)一直存在高負(fù)荷時(shí)發(fā)電機(jī)軸振超標(biāo)的問(wèn)題，嚴(yán)重影響機(jī)組的負(fù)荷率和安全穩(wěn)定運(yùn)行，至2018年11月停機(jī)處理前，進(jìn)行過(guò)多次處理，但仍未解決，至11月份停機(jī)處理前，最大軸振已經(jīng)達(dá)到190 μm。為保障機(jī)組安全，降低發(fā)電機(jī)振動(dòng)幅值，并查明發(fā)電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生原因，利用機(jī)組停機(jī)機(jī)會(huì)，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確認(rèn)發(fā)電機(jī)振動(dòng)原因?yàn)榫€圈膨脹不暢產(chǎn)生非對(duì)稱軸向力導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲，經(jīng)過(guò)多次發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡配重，最終將振動(dòng)控制在合格范圍內(nèi)。本文可以為今后類(lèi)似振動(dòng)故障處理提供一定的借鑒意義。

1 機(jī)組運(yùn)行概況

1.1 軸系構(gòu)成簡(jiǎn)介

2號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)型號(hào)為NC330-17.75/540/540，發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN-330-2水-氫-氫發(fā)電機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)組各轉(zhuǎn)子之間均為剛性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，共9個(gè)軸承，其中7個(gè)橢圓軸承，在勵(lì)磁碳刷后端9瓦為圓形穩(wěn)定軸承，此軸承未安裝振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，4瓦為可傾瓦軸承，軸系布置如圖1所示。

圖1 軸系簡(jiǎn)圖

1.2 發(fā)電機(jī)振動(dòng)情況

2009年12月21日2號(hào)機(jī)組投產(chǎn)，7、8瓦振動(dòng)值(X向)空負(fù)荷時(shí)為130 μm，帶負(fù)荷后穩(wěn)定在170 μm左右。

2011年12月進(jìn)行了機(jī)組的A修，A修期間將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返回制造廠重新進(jìn)行平衡實(shí)驗(yàn)，最終出廠的平衡數(shù)據(jù)符合制造廠的振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。A修后啟動(dòng)空負(fù)荷時(shí)7瓦振動(dòng)值(X向)為155 μm，8瓦振動(dòng)值(X向)為142 μm，帶負(fù)荷后7瓦振動(dòng)值(X向)為162 μm，8瓦振動(dòng)值(X向)為135 μm。

2014年3月為了緩解發(fā)電機(jī)振動(dòng)進(jìn)行了一次現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡，動(dòng)平衡后帶負(fù)荷時(shí)7瓦振動(dòng)值(X向)降為145 μm，8瓦振動(dòng)值(X向)為126 μm。

2018年05月02日-6月15日2號(hào)機(jī)組B級(jí)檢修，發(fā)電機(jī)抽轉(zhuǎn)子返制造廠進(jìn)行改造，目的是徹底處理發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振的問(wèn)題，在制造廠進(jìn)行了冷熱動(dòng)平衡試驗(yàn)，并調(diào)整了發(fā)電機(jī)配重。機(jī)組啟動(dòng)后7、8瓦振動(dòng)值(X向)分別為160 μm、165 μm，帶負(fù)荷后穩(wěn)定在173 μm、186 μm。

2018年11月12日2號(hào)機(jī)組停備檢修，借此停機(jī)機(jī)會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)原因進(jìn)行了徹底的排除試驗(yàn)，并對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)平衡加重，機(jī)組啟動(dòng)后7、8 瓦振動(dòng)值(X向)空負(fù)荷時(shí)穩(wěn)定在101 μm和83.4 μm左右，帶負(fù)荷后振動(dòng)逐漸下降，最終穩(wěn)定在51.1 μm和65 μm。

1.3 發(fā)電機(jī)振動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題及損失

自投運(yùn)以來(lái)，2號(hào)機(jī)因發(fā)電機(jī)振動(dòng)大引起零部件松動(dòng)導(dǎo)致漏氫事件6起，漏油事件2 起；引起管道裂紋、斷裂事件4起；軸瓦損壞事件1起；引起跳機(jī)事件1起，發(fā)電機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 振動(dòng)原因分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 振動(dòng)原因分析

自2號(hào)機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)7、8瓦振動(dòng)值一直偏高，電廠曾邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)相關(guān)專業(yè)的專家和制造廠家進(jìn)行了多次分析和診斷，故障原因也一直未能明確，通過(guò)近年來(lái)機(jī)組大修時(shí)對(duì)儀器和相關(guān)測(cè)點(diǎn)的不斷完善，在2018年11月停機(jī)前進(jìn)行的相關(guān)排除和驗(yàn)證試驗(yàn)可以得出明確的結(jié)論，振動(dòng)原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)線圈膨脹不暢導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲，即轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱不平衡。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生熱不平衡常見(jiàn)的原因有：轉(zhuǎn)子線圈熱膨脹不均而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力、轉(zhuǎn)子鍛件材料的各項(xiàng)異性、轉(zhuǎn)子受熱不均、轉(zhuǎn)子不對(duì)稱冷卻[1-3]。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了確定故障原因，在11月份停機(jī)前進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)機(jī)組在熱態(tài)下停機(jī)，降速至500 r/min后立即升速至工作轉(zhuǎn)速，觀察升、降速振動(dòng)差別，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)升速振動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于降速振動(dòng)，說(shuō)明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在熱態(tài)運(yùn)行時(shí)是存在一定彎曲的[4]。如圖2所示，為發(fā)電機(jī)升降速振動(dòng)伯德圖。

圖2 發(fā)電機(jī)升降速振動(dòng)伯德圖

(2)降速再升速至3 000 r/min ，此時(shí)振動(dòng)較小，在合格范圍，且以一倍頻為主。從發(fā)電機(jī)多測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)對(duì)比圖可以明顯看出，加勵(lì)磁電流后振動(dòng)開(kāi)始發(fā)生變化，隨時(shí)間增長(zhǎng)，振動(dòng)逐漸增大。

(3)停機(jī)做去勵(lì)磁試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)解列后斷開(kāi)勵(lì)磁開(kāi)關(guān)勵(lì)磁電流到0，發(fā)電機(jī)振動(dòng)無(wú)明顯變化，且振動(dòng)主要為1倍頻分量，表明振動(dòng)與磁場(chǎng)無(wú)關(guān)[5]。

(4)將發(fā)電機(jī)冷氫溫度降低5 ℃，振動(dòng)有降低趨勢(shì)，說(shuō)明隨著發(fā)電機(jī)冷卻，轉(zhuǎn)子的彎曲有一定程度的恢復(fù)，也表明了發(fā)電機(jī)存在熱彎曲[6]。

(5)停機(jī)前做去離心力試驗(yàn)。離心力去除后振動(dòng)明顯降低，再次沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min振動(dòng)基本沒(méi)有變化，證明在較短的升降速時(shí)間內(nèi)，保證熱量變化不大的情況下，去除離心力后膨脹受阻的點(diǎn)恢復(fù)正常了。

至此，發(fā)電機(jī)自投運(yùn)以來(lái)的振動(dòng)故障原因基本查明，即膨脹不暢導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱不平衡。但是由于目前不具備返制造廠進(jìn)行徹底處理的條件，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的方式來(lái)降低機(jī)組的振動(dòng)[7]，等待下次返制造廠時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行有針對(duì)性的檢查和處理。

3 振動(dòng)處理方法及結(jié)果分析

3.1 第一階段現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡

如圖3所示，2014年03月05日為緩解2號(hào)機(jī)7、8瓦振動(dòng)，進(jìn)行了發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡配重，選擇低發(fā)對(duì)輪和發(fā)勵(lì)對(duì)輪做為發(fā)電機(jī)的兩個(gè)加重平面配重后，帶負(fù)荷初期7瓦由175 μm 降至145 μm，8瓦由145 μm降至75 μm，后穩(wěn)定在126 μm，就地實(shí)測(cè)瓦振達(dá)到100 μm左右，因?yàn)榧又匚恢每拷?瓦而遠(yuǎn)離8瓦，勢(shì)必影響勵(lì)磁小軸的自身平衡狀態(tài)，9瓦自身沒(méi)有振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，平衡時(shí)也無(wú)法考慮9瓦的振動(dòng)幅值，導(dǎo)致加重后9瓦振動(dòng)劣化。

圖3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加重示意圖

3.2 第二階段返廠處理

利用2018年6月的B修機(jī)會(huì)將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行返廠改造，改造目的就是為了徹底解決發(fā)電機(jī)線圈膨脹受阻問(wèn)題，主要改造內(nèi)容如下：

(1)根據(jù)制造廠在此種發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)上的經(jīng)驗(yàn)，將轉(zhuǎn)子槽楔連接塊由原來(lái)的三角形更換為現(xiàn)在的矩形，在熱態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子槽楔發(fā)生膨脹，三角塊受兩個(gè)槽楔擠壓后可能會(huì)產(chǎn)生向上的應(yīng)力，而造成轉(zhuǎn)子受力不均勻而振動(dòng)，矩形塊則可以避免此問(wèn)題。如圖4所示，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽楔圖。

(2)此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由于設(shè)計(jì)缺陷，原阻尼槽楔連接位置與月牙槽未對(duì)齊，會(huì)削弱月牙槽降低剛性的功能[8]，造成轉(zhuǎn)子大齒與小齒剛性差別較大而引起不平衡。

(3)在汽、勵(lì)端部中心環(huán)與端環(huán)的接觸面處，重新加工一個(gè)深約3 mm的槽，目的是為轉(zhuǎn)子膨脹留出更多的空間，防止此處熱膨脹受阻而造成熱不平衡。

(4)更換中心環(huán)彈簧。改造過(guò)程中多次進(jìn)行交直流阻抗試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子匝間絕緣試驗(yàn)、絕緣電阻試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子中心孔氣密性試驗(yàn)、通風(fēng)試驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)目，除絕緣電阻偏低后期已處理外，其他試驗(yàn)均合格。退出護(hù)環(huán)后，檢查線圈、端部絕緣塊、槽楔下墊條、槽楔滑移層，未發(fā)現(xiàn)擠壓、膨脹受阻現(xiàn)象，因此沒(méi)有將發(fā)電機(jī)全部線圈拆下進(jìn)行徹底檢查。

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽楔圖

(5)出廠前動(dòng)平衡。在出廠前進(jìn)行了冷熱態(tài)動(dòng)平衡，從平衡效果來(lái)看，冷態(tài)下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平衡后狀態(tài)較好，但發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在較大的初始不平衡量，且不平衡量位置為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中部，冷態(tài)動(dòng)平衡加重量達(dá)到了2 300 g，并且熱態(tài)較冷態(tài)數(shù)據(jù)變化較大，說(shuō)明轉(zhuǎn)子存在一定的熱不平衡。動(dòng)平衡測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，并據(jù)此在轉(zhuǎn)子上增加了配重；其中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子制造廠內(nèi)加重平面示意圖為圖5，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子廠內(nèi)動(dòng)平衡加重?cái)?shù)據(jù)如表2所示。

表1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子廠內(nèi)動(dòng)平衡測(cè)試數(shù)據(jù)

圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子制造廠內(nèi)加重平面示意圖

表2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子廠內(nèi)動(dòng)平衡加重?cái)?shù)據(jù)

改造后首次啟動(dòng)后數(shù)據(jù)如下：

首次啟動(dòng)順利定速3 000 r/min，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速下各瓦振動(dòng)均在合格范圍內(nèi)，表明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷態(tài)下振動(dòng)良好。進(jìn)行完各種發(fā)電機(jī)試驗(yàn)后開(kāi)始帶負(fù)荷，隨著勵(lì)磁電流的增大，發(fā)電機(jī)7瓦和8瓦的軸振開(kāi)始逐漸增大，當(dāng)負(fù)荷300 MW 時(shí)的振動(dòng)如表3所示，振動(dòng)值偏高，證明此次改造未能解決發(fā)電機(jī)軸振問(wèn)題。

3.3 第三階段現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡

鑒于兩次返制造廠均未解決發(fā)電機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，此次振動(dòng)處理過(guò)程中，根據(jù)工作轉(zhuǎn)速下的軸系振型(如圖6所示)，對(duì)加重面的選擇進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)選擇低發(fā)對(duì)輪、發(fā)勵(lì)對(duì)輪和距離8瓦更近的勵(lì)磁風(fēng)扇加重平面進(jìn)行綜合配重。2018年11月12日，利用2號(hào)機(jī)停機(jī)機(jī)會(huì)，進(jìn)行了發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡配重，平衡前振動(dòng)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖6 軸系振型圖

表3 平衡前振動(dòng)數(shù)據(jù)(300 MW)

如圖7所示，根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù)和第一次動(dòng)平衡的效果，制定2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)7、8 瓦平衡加重方案如下：低發(fā)對(duì)輪加重1 233 g，發(fā)勵(lì)對(duì)輪加重420 g，勵(lì)磁風(fēng)扇加重1 503 g。

加重后，在300 MW負(fù)荷時(shí)發(fā)電機(jī)各瓦的軸振值均在優(yōu)秀范圍內(nèi)，如表4所示；且現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)9瓦瓦振為26 μm，降幅達(dá)到60%。

圖7 發(fā)電機(jī)-勵(lì)磁小軸加重示意圖

表4 平衡后振動(dòng)數(shù)據(jù)(300 MW)

4 結(jié)論

(1)振動(dòng)故障原因的確定對(duì)于指導(dǎo)機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)處理或返回制造廠處理是十分關(guān)鍵的，必須全面、準(zhǔn)確，錯(cuò)誤的判斷會(huì)產(chǎn)生很高的處理成本。

(2)熱態(tài)不平衡在發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障中發(fā)生的較多，雖然現(xiàn)場(chǎng)采取動(dòng)平衡的方法能有效降低振動(dòng)的幅值，但是通過(guò)振型來(lái)選取加重平面尤為重要，直接關(guān)系到現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡的成敗。

(3)在確認(rèn)故障原因的過(guò)程中，進(jìn)行一系列的相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證是非常必要的，通過(guò)各種試驗(yàn)，從各個(gè)角度來(lái)排除，最終確認(rèn)唯一的故障原因。

(4)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁端穩(wěn)定軸承一直以來(lái)都沒(méi)有引起重視，但是作為軸系的一個(gè)支點(diǎn)，它的振動(dòng)也應(yīng)引起足夠的重視。