330 MW機(jī)組軸振周期性波動(dòng)分析處理

林 森，王 帥，方 俊

(淮南礦業(yè)集團(tuán)發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232072)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)大一直是困擾火力發(fā)電廠的難題之一。由于引發(fā)汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)大的因素較多，且振動(dòng)種類多種多樣，直接精準(zhǔn)判斷振動(dòng)產(chǎn)生的根源較為困難，往往需要進(jìn)行長(zhǎng)期觀察和反復(fù)試驗(yàn)方能確認(rèn)。

下面介紹某電廠1號(hào)機(jī)組5號(hào)軸瓦振動(dòng)周期性波動(dòng)的異?，F(xiàn)象，并記述了原因分析及缺陷處理的過程。

1 汽輪發(fā)電機(jī)組及其軸系支撐系統(tǒng)簡(jiǎn)介

某電廠汽輪發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)為亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽凝汽式，設(shè)備型號(hào)N330-16.7/538/538；發(fā)電機(jī)為水氫氫冷卻、自并勵(lì)式，設(shè)備型號(hào)QFSN-330-2-20B。汽輪機(jī)分為高壓缸、中壓缸及低壓缸，其中高中壓部分采用合缸結(jié)構(gòu)，高壓部分為雙層缸，低壓缸為對(duì)稱分流式雙層缸結(jié)構(gòu)。汽輪機(jī)高、中、低壓轉(zhuǎn)子均為無(wú)中心孔整體鍛造式轉(zhuǎn)子，高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子分別采用剛性連接。

機(jī)組共6個(gè)支持軸承，其中汽輪機(jī)4個(gè)，發(fā)電機(jī)2個(gè)。為了軸系定位和承受轉(zhuǎn)子軸向力，還有1個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)的推力軸承，位于高中壓轉(zhuǎn)子后端，詳見圖1。汽輪機(jī)的4個(gè)支持軸承分別為可傾瓦軸承及橢圓軸承，1號(hào)和2號(hào)軸承為可傾瓦軸承，3號(hào)和4號(hào)軸承為橢圓軸承。本機(jī)組的推力軸承為活支可傾瓦塊型(密切爾型)，采用了獨(dú)立結(jié)構(gòu)的推力軸承，帶有球面軸瓦套，依靠球面的自位能力保證推力瓦塊載荷均勻。工作推力瓦和定位推力瓦各11塊。分別位于轉(zhuǎn)子推力盤的前后兩側(cè)，承受軸向推力，成為軸系的相對(duì)死點(diǎn)。

圖1 汽輪發(fā)電機(jī)組軸系示意

2 機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象

1號(hào)機(jī)組于2018-05-15啟動(dòng)并網(wǎng)，機(jī)組軸系各軸瓦參數(shù)正常。

8月11日之后，5號(hào)瓦軸振X，Y向振動(dòng)明顯增大且呈規(guī)律性波動(dòng)。表1與表2分別統(tǒng)計(jì)了8月1日至8月11日、8月12日至8月20日軸系各軸瓦軸振在最大負(fù)荷、最低負(fù)荷及平均負(fù)荷情況下的振動(dòng)情況。

表1 8月1日至8月11日軸振振動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)

表2 8月12日至8月20日軸振振動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)

由8月5日至8月15日5號(hào)瓦軸振X，Y向的振動(dòng)歷史曲線可知，三條曲線負(fù)荷歷史曲線、5號(hào)瓦軸振X，Y向振動(dòng)歷史曲線中的兩條振動(dòng)曲線高度重合，合并標(biāo)注。由該振動(dòng)曲線可觀察歸納出兩條規(guī)律：一是負(fù)荷變化趨勢(shì)與振動(dòng)變化趨勢(shì)大致相反，即升負(fù)荷過程中振動(dòng)逐漸減小，降負(fù)荷過程中振動(dòng)逐漸增加，振動(dòng)變化過程較負(fù)荷變化過程有一定的滯后性；二是8月12日開始，5號(hào)瓦軸振X，Y向振動(dòng)值呈周期性波動(dòng)且最大值、最小值逐漸向上漂移，同負(fù)荷下與該時(shí)間點(diǎn)之前相比，振動(dòng)值增加明顯。

之后經(jīng)調(diào)閱汽輪機(jī)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TDM)記錄的5號(hào)瓦軸振X，Y向振動(dòng)頻譜，發(fā)現(xiàn)其振動(dòng)以一倍頻為主。

此外，5號(hào)瓦軸振較為平穩(wěn)，雖略有增加但仍在合格范圍內(nèi)。

3 原因分析

3.1 振動(dòng)異常原因分類

導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組軸瓦振動(dòng)大的原因較多，下面就各種不同的誘發(fā)原因及現(xiàn)象判斷分析如下：

(1) 汽輪機(jī)軸瓦支撐系統(tǒng)剛性不足或安裝部件松動(dòng)。軸承支撐剛度削弱，振動(dòng)被放大，或使轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速降低，落入共振。現(xiàn)象為軸承振幅沿垂直方向隨標(biāo)高逐漸增大，且在剛度削弱處振幅突變。

(2) 汽輪機(jī)中心不正。中心不正是指聯(lián)軸器中心不對(duì)中或兩側(cè)端面張口不合適。此類原因?qū)е碌恼駝?dòng)的頻譜一般為二倍頻。如果是純二倍頻則為平行不對(duì)中，若存在小一倍頻和二倍頻則可能為角不對(duì)中。

(3) 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。該問題可由運(yùn)行中葉片斷裂、脫落或不均勻磨損、腐蝕、結(jié)垢，使轉(zhuǎn)子發(fā)生質(zhì)量不平衡或轉(zhuǎn)子找平衡時(shí)平衡塊選擇不當(dāng)或安放位置不當(dāng)引起。此種原因?qū)е碌恼駝?dòng)的頻譜一般為一倍頻，振幅與轉(zhuǎn)速的平方成正比，通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)明顯加劇[1]。

(4) 發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障。如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙不均勻、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈短路等，均會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)。此類振動(dòng)一般出現(xiàn)在勵(lì)磁電流增加或者勵(lì)磁電流較大時(shí)，并且同方向增加。

(5) 汽輪機(jī)潤(rùn)滑油油膜振蕩。此類振動(dòng)的頻譜一般以半倍頻為主，振動(dòng)時(shí)有時(shí)無(wú)，運(yùn)行方式發(fā)生變化時(shí)，振動(dòng)有變化。

(6) 汽輪機(jī)進(jìn)汽氣流擾動(dòng)。順序閥運(yùn)行工況下，機(jī)組運(yùn)行至中高負(fù)荷時(shí)，振動(dòng)上升較快。

(7) 汽輪機(jī)局部發(fā)生接觸摩擦。此類振動(dòng)的頻譜一般以一倍頻為主，轉(zhuǎn)速增加振動(dòng)增大，同時(shí)伴有金屬摩擦聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)迸濺火星。

(8) 汽輪機(jī)進(jìn)汽帶水發(fā)生水沖擊。此類原因?qū)е碌恼駝?dòng)現(xiàn)象較為明顯。

(9) 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)故障。該類原因最直接的表現(xiàn)是在低轉(zhuǎn)速下即有較高的振動(dòng)值。一般而言這不是真正意義上的轉(zhuǎn)子振動(dòng)，主要反映測(cè)量面存在缺陷，如測(cè)量面表明存在凹坑、測(cè)量面不圓等[2]。

3.2 排除法分析原因

結(jié)合上述幾個(gè)方面的原因、現(xiàn)象，采用排除法進(jìn)行分析判斷。

汽輪機(jī)軸瓦支撐系統(tǒng)剛性不足或安裝部件松動(dòng)、汽輪機(jī)中心不正、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)異常一般在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)就會(huì)表現(xiàn)出來(lái)，而故障機(jī)組是在運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生的異常，故可以排除上述三種原因。

發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障引起的振動(dòng)異常，如為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙不均勻?qū)е?，則應(yīng)在啟動(dòng)初期發(fā)生；如為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈短路導(dǎo)致，則電氣發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流的比例關(guān)系會(huì)改變，勵(lì)磁電流不變時(shí)無(wú)功出力下降。故障機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)正常，故可排除此類原因。

由于振動(dòng)頻譜以一倍頻為主，且汽輪機(jī)油質(zhì)、油溫、油壓等均無(wú)較大波動(dòng)，可以排除汽輪機(jī)潤(rùn)滑油油膜振蕩的可能性。

汽輪機(jī)進(jìn)汽汽溫汽壓正常，且振動(dòng)與機(jī)組負(fù)荷高低變化無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以排除汽輪機(jī)進(jìn)汽氣流擾動(dòng)、進(jìn)汽帶水發(fā)生水沖擊導(dǎo)致振動(dòng)異常的可能性。

振動(dòng)測(cè)點(diǎn)故障可通過低轉(zhuǎn)速下是否存在高振動(dòng)值或測(cè)量測(cè)點(diǎn)間隙電壓進(jìn)行判斷。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)間隙電壓正常，因此排除測(cè)點(diǎn)問題。

3.3 確認(rèn)最可能的原因

排除上述幾方面的原因后，汽輪機(jī)局部發(fā)生碰磨導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組5號(hào)瓦軸振大的可能性最大。下面根據(jù)汽輪機(jī)局部發(fā)生碰磨的主要誘因，同時(shí)結(jié)合機(jī)組相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)際情況，逐一分析判斷。

(1) 大軸彎曲或動(dòng)靜間隙過小。因機(jī)組為運(yùn)行過程中發(fā)生的振動(dòng)異常波動(dòng)，此兩項(xiàng)誘因可以排除。

(2) 膨脹不均勻。機(jī)組缸溫監(jiān)視數(shù)據(jù)無(wú)異常，脹差在正常范圍值內(nèi)無(wú)波動(dòng)，且僅5號(hào)瓦軸振偏大，此項(xiàng)誘因可以排除。

(3) 轉(zhuǎn)子軸向位移過大。機(jī)組軸向位移數(shù)據(jù)正常，且僅5號(hào)瓦軸振偏大，此項(xiàng)誘因可以排除。

(4) 軸封部位密封不佳。5號(hào)瓦處并無(wú)軸封且機(jī)組軸封供汽壓力、溫度正常，此項(xiàng)誘因可以排除。

(5) 發(fā)電機(jī)碳刷過緊。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間定時(shí)測(cè)溫觀察，碳刷組整體溫度均勻無(wú)超溫及溫差大現(xiàn)象，同時(shí)6號(hào)瓦軸振參數(shù)正常，此項(xiàng)誘因可以排除。

(6) 油擋、汽封等因異常原因與轉(zhuǎn)子接觸摩擦。摩擦振動(dòng)的機(jī)理為：對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子來(lái)講，摩擦可以產(chǎn)生抖動(dòng)、渦動(dòng)等現(xiàn)象，但實(shí)際有影響的主要是轉(zhuǎn)子熱彎曲。動(dòng)靜摩擦?xí)r圓周上各點(diǎn)的摩擦程度是不同的，由于重摩擦側(cè)溫度高于輕摩擦側(cè)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子徑向截面上溫度不均勻，局部加熱造成轉(zhuǎn)子熱彎曲，產(chǎn)生一個(gè)新的不平衡力作用到轉(zhuǎn)子上引起振動(dòng)。當(dāng)熱量散失后，熱彎曲恢復(fù)，不平衡力消失，振動(dòng)減弱或者消失。但是由于機(jī)組持續(xù)運(yùn)行，且接觸摩擦?xí)?dǎo)致接觸部件劣化不可逆，使發(fā)電機(jī)振動(dòng)呈波動(dòng)上揚(yáng)趨勢(shì)[3]。對(duì)照上述分析，綜合判斷在汽輪發(fā)電機(jī)組5號(hào)軸瓦處發(fā)生輕微接觸摩擦的可能性較大。

4 檢查處理

8月24日機(jī)組停運(yùn)后，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組5號(hào)軸瓦進(jìn)行了翻瓦檢查，發(fā)現(xiàn)該位置有兩處碰磨較為嚴(yán)重，分別為密封瓦左側(cè)單邊磨損及密封瓦座內(nèi)擋油環(huán)左側(cè)磨損。同時(shí)發(fā)現(xiàn)密封瓦背部彈簧彈力不均，上半部彈力較為松弛。在檢修過程中，對(duì)密封瓦、擋油環(huán)及密封瓦背部彈簧進(jìn)行了更換并調(diào)整彈力到設(shè)計(jì)值，對(duì)密封瓦座與轉(zhuǎn)子同心度、密封瓦座與轉(zhuǎn)子凸肩垂直度、汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)對(duì)輪同心度、5號(hào)軸瓦揚(yáng)度等進(jìn)行了測(cè)量并確認(rèn)在合格范圍內(nèi)。10月28日機(jī)組重新啟動(dòng)，5號(hào)瓦軸振參數(shù)正常，振動(dòng)值周期性波動(dòng)的現(xiàn)象消失。

5 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)、靜部件間的接觸摩擦導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)大的現(xiàn)象較為普遍。但由于缺乏直觀高效的檢測(cè)手段，在機(jī)組運(yùn)行期間對(duì)這一因素的診斷往往能判明方向但精準(zhǔn)性不足。通過對(duì)機(jī)組振動(dòng)大的不同原因的現(xiàn)象進(jìn)行漸進(jìn)式分析，使得導(dǎo)致發(fā)生周期性振動(dòng)波動(dòng)的誘發(fā)因素最終確認(rèn)并消除。希望這一分析診斷過程能為其他電廠處理此類問題提供有益的經(jīng)驗(yàn)參考。