1000MW超超臨界汽輪機(jī)1號軸承振動分析及處理研究

華潤電力控股有限公司華中大區(qū) 付燦平

2006年11月上海電氣集團(tuán)引進(jìn)德國西門子公司技術(shù)生產(chǎn)的首臺1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組在華能玉環(huán)電廠投入商業(yè)運(yùn)行，目前國內(nèi)已有100多臺該型機(jī)組投入運(yùn)營[1]。盡管該機(jī)型在熱力性能、快速啟動、運(yùn)行靈活、可靠性及調(diào)峰能力等諸多方面有顯著優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際運(yùn)行中軸系出現(xiàn)一些典型的振動故障，尤其是#1軸承。其軸系布置和汽缸結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)導(dǎo)致準(zhǔn)確的診斷其故障有一定的難度，致使無法制定通用可行的消振措施。

汽輪機(jī)#1軸承振動問題是一個比較普遍的問題，嚴(yán)重時甚至影響機(jī)組帶負(fù)荷能力，威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。很多電廠由于#1軸承振動問題無法帶滿負(fù)荷從而影響機(jī)組迎峰度夏、迎峰度冬的保電工作，且低負(fù)荷出現(xiàn)振動問題也會導(dǎo)致機(jī)組深度調(diào)峰能力下降，無法配合電網(wǎng)進(jìn)行深度調(diào)峰，個別電廠還出現(xiàn)過因#1軸承振動大導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)。因此，了解和掌握該機(jī)型#1軸承振動故障原因及處理方法具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 某電廠汽輪機(jī)#1軸承振動概況

上汽1000MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組軸系是高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、兩個低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、勵磁機(jī)轉(zhuǎn)子及8個支持軸承組成，各轉(zhuǎn)子通過剛性聯(lián)軸器連接，高壓轉(zhuǎn)子前端還有液壓盤車裝置，布置于汽輪機(jī)#1軸承箱內(nèi)。汽輪機(jī)的5個支持軸承均是經(jīng)過特殊優(yōu)化的袋式軸承，分別座落在5個落地式軸承座內(nèi)。#1軸承為袋式軸承，是橢圓軸承的一種特殊形式，相對于常規(guī)可傾瓦軸承，承載能力更高，最大比壓可達(dá)到3.2MPa；其最突出的特點(diǎn)在于下瓦的型線根據(jù)需要進(jìn)行了特殊優(yōu)化，由三段連續(xù)的圓弧構(gòu)成，軸承更易于形成動壓潤滑油膜，提高承載能力和穩(wěn)定性。某電廠2020年3月#3機(jī)組運(yùn)行過程中1X、1Y軸振較大，當(dāng)1X軸振幅值最大時記錄各測點(diǎn)振動數(shù)據(jù)如表1。

由表1數(shù)據(jù)可知，振動最大的頻率分量是一倍頻，同時含有一定的半頻分量。查DCS歷史數(shù)據(jù)，#1軸振變化趨勢與負(fù)荷有相關(guān)性，負(fù)荷降低幅值增大，負(fù)荷升高幅值逐漸減小。在機(jī)組停運(yùn)過程中，#1軸承振動一直偏大，最高可達(dá)143μm（機(jī)組轉(zhuǎn)速2000r/min附近#1軸承軸振143μm、#2軸承軸振178μm），且主要為半頻分量。通過對該機(jī)組#1軸承振動長期監(jiān)測和異常狀態(tài)下的頻譜分析，該軸承振動主要有以下現(xiàn)象和特點(diǎn)：

表1 1X軸振幅值最大時各測點(diǎn)振動數(shù)據(jù)

#1軸承振動存在半頻分量較大的振動和基頻分量較大的振動兩種類型；#1軸承振動與機(jī)組負(fù)荷關(guān)系較大。一般機(jī)組高負(fù)荷（≥800MW）時振動較小，低負(fù)荷（≤600MW）時振動較大，但高負(fù)荷時也有振動大的情況，這時一般都存在半頻分量振動較大，而低負(fù)荷時振動大一般都存在基頻分量振動較大的現(xiàn)象；#1軸承的振動與軸瓦溫度、油膜壓力也存在一定關(guān)系，一般高負(fù)荷時上半軸瓦溫度升高、油膜壓力較低，低負(fù)荷時下半軸承溫度升高、油膜壓力增大；#1瓦軸承振動敏感性較大，容易受環(huán)境溫度、機(jī)組負(fù)荷、蒸汽參數(shù)、調(diào)門開度、凝汽器真空等因素影響并導(dǎo)致振動異常增大。

2 振動原因分析及控制措施

2.1 振動原因分析

汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中，受設(shè)計(jì)制造、建設(shè)安裝、檢修維護(hù)、外部環(huán)境及運(yùn)行參數(shù)變動等因素影響，都有可能會引起振動異常，從而影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。一般引起汽輪機(jī)#1軸承振動的主要原因如下：

汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子較輕（約20t），#1軸承壓比較?。ǎ?.5MPa），軸承負(fù)載較輕，導(dǎo)致油膜不穩(wěn)定；存在#1軸承支架與球面墊鐵底部因電腐蝕導(dǎo)致接觸不良，長期運(yùn)行振動增大并產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致軸承自位性能不佳；軸承支架與球面墊鐵磨損、軸承座二次灌漿、基礎(chǔ)沉降及管道應(yīng)力等影響，導(dǎo)致軸瓦標(biāo)高下沉；軸瓦自身的接觸情況差，軸承間隙（轉(zhuǎn)子與軸承直接的間隙）/軸承緊力（軸承與軸承座之間的緊力）等數(shù)據(jù)超標(biāo)。

軸承橫向限位插銷間隙超標(biāo)，限位插銷因振動導(dǎo)致磨損。軸承潤滑油進(jìn)油塞塊或頂軸油模塊逆止門存在內(nèi)漏，導(dǎo)致油膜壓力低；汽缸與高壓轉(zhuǎn)子不同心，機(jī)組運(yùn)行中存在汽流激振力或動靜碰磨現(xiàn)象；液壓盤車和高壓轉(zhuǎn)子的對中狀態(tài)不佳，不能形成連續(xù)的揚(yáng)度；機(jī)組運(yùn)行中因外部環(huán)境、運(yùn)行參數(shù)發(fā)生急劇變化導(dǎo)致軸承自身的自激振動變化，引起#1軸承振動增大。

2.2 機(jī)組運(yùn)行中振動的控制措施

通過對#1軸承振動產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，經(jīng)過具體的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)摸索總結(jié)出運(yùn)行中#1軸承振動的控制措施：

碰磨類振動（或者基頻分量較大振動）。特征：一般出現(xiàn)在800MW以下，隨負(fù)荷降低軸振、瓦振同步變大，與負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)；控制措施：盡量提高機(jī)組負(fù)荷，避開振動大的負(fù)荷區(qū)間；滑壓運(yùn)行，降低主汽溫和主汽壓，保持高調(diào)門開度40%以上，此種方法非常有效，只要是采用這種方式基本可以維持機(jī)組任何負(fù)荷運(yùn)行，但對運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有較大影響。

油膜震蕩類振動（或者半頻分量較大振動）。特征：一般出現(xiàn)在900MW以上負(fù)荷，表現(xiàn)為軸振出現(xiàn)階躍上漲，之后在較高范圍內(nèi)跳變（波動幅度大于10μm），軸振中半頻分量相對較大，瓦振一般較??；預(yù)控措施：900MW以上負(fù)荷，控制爐側(cè)和升壓站側(cè)主汽溫存在一定偏差，具體偏差的大小和方向應(yīng)結(jié)合具體機(jī)組的情況來確定[2]；降低機(jī)組變負(fù)荷的速率，尤其是升負(fù)荷過程中更應(yīng)注意振動情況，如果發(fā)現(xiàn)振動有上漲趨勢應(yīng)停止升負(fù)荷，待振動穩(wěn)定后再繼續(xù)升負(fù)荷；可通過試啟頂軸油泵或直流潤滑油泵的方式使軸承油膜穩(wěn)定下來；在保持主汽溫左右偏差的前提下，也可嘗試深度滑壓運(yùn)行方式使振動下降；可在#1軸承箱蓋上的頂絲孔，用加長頂絲頂住軸瓦可以很好控制半頻分量引起的振動；如果長期油膜不穩(wěn)會對軸瓦產(chǎn)生損壞，當(dāng)振動控制不住應(yīng)采取降負(fù)荷的方式來調(diào)整。

3 機(jī)組檢修檢查及處理

通過對#1軸承振動原因的分析，找出了#1軸承存在的主要問題，針對這些問題，檢修中進(jìn)行相應(yīng)的排查及處理。

檢查軸承瓦枕的球面接觸。復(fù)查發(fā)現(xiàn)#1軸承瓦枕球面電腐蝕嚴(yán)重，與軸承支架配合較差，接觸面積約為20%。由于此處球面接觸修刮難度較大，故提前備好了一套軸瓦和支架，本次檢修直接更換了軸瓦及軸承支架?；匮b時應(yīng)注意調(diào)整軸承支架與軸承墊塊的接觸位置，并保證軸瓦的瓦口間隙均勻。為有效減小#1軸承與支架之間的電腐蝕，在#2軸承處加裝碳刷以消除高壓轉(zhuǎn)子軸電流引起的瓦枕電腐蝕。

檢查軸承左右兩側(cè)插銷間隙和上半的防跳間隙。復(fù)查發(fā)現(xiàn)#1軸承蓋爐側(cè)防跳間隙為0.60mm，超出設(shè)計(jì)值0.35mm?；匮b時以上間隙應(yīng)嚴(yán)格按照圖紙標(biāo)準(zhǔn)并下限調(diào)整，并保證接觸均勻；檢查#1軸承內(nèi)外油檔間隙及油檔洼窩中心值、轉(zhuǎn)子與汽缸同心度。復(fù)查發(fā)現(xiàn)#1軸承內(nèi)、外油檔間隙均較設(shè)計(jì)值偏大0.1～0.2mm，#1軸承油檔洼窩中心值偏低0.065mm，高壓缸前軸封間隙上下偏差0.60mm，左右偏差0.30mm。采用碰缸的方法調(diào)整高壓轉(zhuǎn)子中心，保證通流間隙上下左右均勻，同時調(diào)整油檔間隙符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

檢查#1軸承潤滑油進(jìn)油塞塊、逆止門及頂軸油軟管。復(fù)查發(fā)現(xiàn)#1軸承潤滑油進(jìn)油塞塊調(diào)整墊破損，且緊固螺栓斷裂三顆，逆止門及頂軸油軟管正常無泄漏?；匮b時更換了進(jìn)油塞塊調(diào)整墊與緊固螺栓；檢查油檔洼窩中心數(shù)據(jù)。根據(jù)#1軸承運(yùn)行中油膜壓力和檢修中測量的油檔洼窩中心數(shù)據(jù)，將軸瓦標(biāo)高抬高0.12mm，以提高軸瓦載荷。

經(jīng)過檢修中的徹底排查及處理，引起#3汽輪機(jī)#1軸承振動大的原因得以消除，機(jī)組啟動后#1軸承的軸振與瓦振均明顯下降，達(dá)到了優(yōu)良水平。檢修后運(yùn)行中三個典型工況下汽輪機(jī)軸承振動情況如表2。

表2 三個典型工況下軸承測點(diǎn)振動數(shù)據(jù)

綜上，雖然上汽1000MW超超臨界汽輪機(jī)#1軸承振動問題普遍存在，而且是行業(yè)內(nèi)的一項(xiàng)技術(shù)難題，但通過監(jiān)測其振動的變化趨勢、探究其振動的規(guī)律、分析其振動的原因，根據(jù)振動的原因及時采取控制措施，并結(jié)合機(jī)組停機(jī)或計(jì)劃檢修對軸承、高壓轉(zhuǎn)子及汽缸等部套進(jìn)行全面排查，發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行相應(yīng)的處理，基本上就可以解決。