某600 MW超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)異常分析及處理

郭 嘉，何新榮，譚 銳，傅行軍

(1.國(guó)能南京電力試驗(yàn)研究有限公司，江蘇 南京 210046；2.東南大學(xué)火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程研究中心，江蘇 南京 210096)

振動(dòng)是保證汽輪發(fā)電機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械安全穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素[1]，是評(píng)價(jià)機(jī)組檢修質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。某些電廠傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為檢修后的機(jī)組振動(dòng)應(yīng)該比檢修前好，至少也應(yīng)該維持在檢修前水平，然而在現(xiàn)場(chǎng)處理振動(dòng)問題時(shí)，不可避免會(huì)遇到檢修后出現(xiàn)振動(dòng)異常的現(xiàn)象。檢修后影響振動(dòng)的因素很多，其中軸系質(zhì)量分布改變是常見的一種因素[2]，軸系質(zhì)量分布改變破壞了機(jī)組原有的平衡，新的不平衡在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生附加不平衡力，該力可導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)異常。

本文針對(duì)某600 MW機(jī)組檢修后振動(dòng)異常現(xiàn)象，分析原因并提出處理方案，最終使機(jī)組順利定速帶負(fù)荷運(yùn)行。

1 機(jī)組振動(dòng)異常概述

某電廠一期工程2號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的N600/24.2/566/566型超臨界中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，該汽輪機(jī)為反動(dòng)式、單軸、三缸四排汽結(jié)構(gòu)；發(fā)電機(jī)為上海電機(jī)廠有限公司生產(chǎn)的QFSN-630-2型發(fā)電機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、2根低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子共5根轉(zhuǎn)子及9個(gè)支撐軸承組成，軸系支撐如圖1所示。高中壓缸軸承座采用落地結(jié)構(gòu)，低壓缸軸承與相關(guān)的低壓外缸組合一體，為座缸式軸承座。

圖1 軸系結(jié)構(gòu)

該機(jī)組2020年10月檢修前各軸承振動(dòng)良好，檢修期間主要進(jìn)行了低壓缸通流間隙調(diào)整，聯(lián)軸器連接時(shí)確保聯(lián)軸器的張角、軸系同心度等參數(shù)都在檢修標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

11月18日機(jī)組檢修后首次啟動(dòng)，在沖轉(zhuǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速低于2300 r/min時(shí)，機(jī)組各軸承振動(dòng)良好，繼續(xù)升轉(zhuǎn)速后，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)軸承出現(xiàn)振動(dòng)快速爬升。定速3000 r/min后，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)軸承振動(dòng)明顯偏大，振動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示。隨后進(jìn)行約5 h空載暖機(jī)電氣試驗(yàn)，電氣試驗(yàn)結(jié)束后機(jī)組停機(jī)，測(cè)試得到機(jī)組停機(jī)過程的伯德圖，如圖2—圖5所示。

表1 空載機(jī)組定速振動(dòng)數(shù)據(jù) 單位:通頻/工頻μm/μm∠°

圖2 1號(hào)軸承停機(jī)伯德圖

圖3 2號(hào)軸承停機(jī)伯德圖

圖4 3號(hào)軸承停機(jī)伯德圖

圖5 4號(hào)軸承停機(jī)伯德圖

2 原因分析

由現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)可知，檢修后定速期間2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)軸承振動(dòng)出現(xiàn)異常，機(jī)組振動(dòng)以工頻振動(dòng)為主。初步分析振動(dòng)異常是由于低壓缸通流間隙調(diào)整，機(jī)組存在摩擦導(dǎo)致，采用動(dòng)靜磨合的方式進(jìn)行處理，但是機(jī)組軸系振動(dòng)保持相對(duì)穩(wěn)定，沒有摩擦故障的特征。

該機(jī)組檢修前振動(dòng)保持良好，檢修過程中只進(jìn)行了低壓缸通流間隙調(diào)整，未進(jìn)行影響轉(zhuǎn)子平衡(直軸、葉片的更換)及影響支撐特性的檢修工作。由于2號(hào)、3號(hào)軸承振動(dòng)均偏大，振動(dòng)相位基本一致，并且檢修期間進(jìn)行了聯(lián)軸器重新連接，因此對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行檢查，如表2所示。

表2 檢修前后聯(lián)軸器參數(shù)對(duì)比 單位：mm

由表2可知：①檢修后聯(lián)軸器的各項(xiàng)參數(shù)都在技術(shù)要求范圍內(nèi)；②檢修前后聯(lián)軸器連接參數(shù)改變較多，轉(zhuǎn)子高低差比檢修前增大約0.3 mm，聯(lián)軸器右張口比檢修前增大約0.07 mm。分析是由于檢修前后聯(lián)軸器連接狀態(tài)改變導(dǎo)致軸系振動(dòng)響應(yīng)變化。

聯(lián)軸器連接影響軸系對(duì)中狀態(tài)，文獻(xiàn)[3-4]說明聯(lián)軸器連接狀態(tài)改變不僅影響軸系二倍頻響應(yīng)，也影響工頻成分響應(yīng)，原因是由于軸系質(zhì)量分布改變。由伯德圖可知，3號(hào)、4號(hào)軸承在2892 r/min存在明顯波峰，表明低壓缸轉(zhuǎn)子的二階臨界轉(zhuǎn)速距離工作轉(zhuǎn)速非常近。由振動(dòng)力學(xué)知識(shí)可知，臨界轉(zhuǎn)速附近轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)敏感[5]。

綜合分析本次檢修后機(jī)組振動(dòng)異常原因:①聯(lián)軸器連接狀態(tài)改變影響了機(jī)組原有軸系質(zhì)量分布;②低壓缸轉(zhuǎn)子振動(dòng)不平衡響應(yīng)非常敏感，輕微質(zhì)量分布改變可引起振動(dòng)響應(yīng)顯著變化。

3 振動(dòng)處理

3.1 處理方法

本次檢修后振動(dòng)異常，從振動(dòng)性質(zhì)上主要為普通強(qiáng)迫振動(dòng)，由于聯(lián)軸器連接狀態(tài)改變，影響了原有軸系質(zhì)量分布，導(dǎo)致軸系響應(yīng)異常敏感。鑒于軸系振動(dòng)保持相對(duì)穩(wěn)定，采用動(dòng)平衡方式解決，現(xiàn)場(chǎng)采用動(dòng)平衡方式較多，常用的2種方法為聯(lián)軸器平衡法及諧響應(yīng)分析法。

a.聯(lián)軸器平衡法

在聯(lián)軸器處加重會(huì)對(duì)兩側(cè)的轉(zhuǎn)子都有影響，一般來說，在聯(lián)軸器兩側(cè)軸承振動(dòng)都異常且相位同相(相位差小于60°)的情況下，選擇在聯(lián)軸器加重會(huì)有較好效果[6]。

本次事故中2號(hào)、3號(hào)軸承振動(dòng)較大且相位同相，第一選擇是在聯(lián)軸器上加重。但是現(xiàn)場(chǎng)由于2號(hào)、3號(hào)軸承之間的聯(lián)軸器上沒有加重孔位；且在聯(lián)軸器上加重需要停油，并網(wǎng)時(shí)間緊迫不能停油且時(shí)間長(zhǎng)，無法在聯(lián)軸器上加重。因此采用諧響應(yīng)分析法。

b.諧響應(yīng)分析法

根據(jù)柔性轉(zhuǎn)子振型特征：一階振型下，轉(zhuǎn)子兩端的振動(dòng)大小相等，相位相同，轉(zhuǎn)子振動(dòng)呈現(xiàn)對(duì)稱分布；二階振型下，轉(zhuǎn)子兩端的振動(dòng)大小相等，相位相反，轉(zhuǎn)子兩端振動(dòng)呈現(xiàn)反對(duì)稱分布。

圖6 諧響應(yīng)振動(dòng)分解圖

在滿足正交性的條件下，對(duì)稱分量是由于一階型式的不平衡分布引起，反對(duì)稱分量是由二階型式的不平衡分布引起。施加對(duì)稱配重消除一階型式振動(dòng)，施加反對(duì)稱配重消除二階型式振動(dòng)[7]。

3.2 實(shí)際處理

由于3號(hào)、4號(hào)軸承振動(dòng)基本以反對(duì)稱分量為主，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)可以通過反對(duì)稱配重處理3號(hào)、4號(hào)軸承振動(dòng)。針對(duì)1號(hào)、2號(hào)軸承振動(dòng)，分解發(fā)現(xiàn)其存在等量對(duì)稱以及反對(duì)稱分量，需要同時(shí)施加對(duì)稱及反對(duì)稱平衡量。

由于現(xiàn)場(chǎng)暫時(shí)缺少高中壓轉(zhuǎn)子的平衡塊，先進(jìn)行低壓轉(zhuǎn)子平衡，最后實(shí)施方案為3號(hào)瓦側(cè)610 g∠95°，4號(hào)瓦側(cè)610 g∠275°。加重后振動(dòng)如表3所示。

由表3可知，反對(duì)稱加重達(dá)到了預(yù)期效果，有效降低了3號(hào)、4號(hào)軸承振動(dòng)，同時(shí)隨著3號(hào)軸承振動(dòng)下降，2號(hào)軸承振動(dòng)也有所降低。這也證實(shí)了聯(lián)軸器對(duì)軸系振動(dòng)的影響。

表3 低壓缸加重后軸承振動(dòng)數(shù)據(jù) 單位:通頻/工頻μm/μm∠°

針對(duì)1號(hào)、2號(hào)軸承振動(dòng)，需要同時(shí)施加對(duì)稱以及反對(duì)稱平衡量。平衡對(duì)稱分量常用2種方式：①可以在轉(zhuǎn)子兩側(cè)同時(shí)試加；②在主跨轉(zhuǎn)子的中間部位加重。但是現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)1號(hào)軸承加重人孔無法打開，高中壓轉(zhuǎn)子中間部位也無法加重，只能在2號(hào)軸承處單側(cè)加重。

單平面加重可以視為同時(shí)施加了對(duì)稱和反對(duì)稱分量的特例，按照?qǐng)D7方式進(jìn)行分解。

圖7 單平面加重分解示意圖

(1)

由振動(dòng)力學(xué)知識(shí)可知，在對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速下相應(yīng)振型被放大，對(duì)不平衡的變化比較敏感。對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)組，由于工作轉(zhuǎn)速大多在一、二階臨界轉(zhuǎn)速之間，平衡對(duì)稱分量時(shí)必須考慮一階臨界轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

工程實(shí)踐表明，單平面加重有時(shí)很難同時(shí)兼顧轉(zhuǎn)子兩側(cè)振動(dòng)以及轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速和工作轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)所謂的“蹺蹺板”現(xiàn)象。同時(shí)單平面加重對(duì)振型的正交性要求較大，而且求得的對(duì)稱和反對(duì)稱的影響系數(shù)發(fā)散度有時(shí)會(huì)較大，使用時(shí)需要仔細(xì)分析，應(yīng)慎重使用[8]。

在綜合考慮了對(duì)稱和反對(duì)稱分量后，發(fā)現(xiàn)無法同時(shí)兼顧1號(hào)軸承的過臨界轉(zhuǎn)速以及2號(hào)軸承工作轉(zhuǎn)速下振動(dòng)，最后確定過臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)不超過200 μm，工作轉(zhuǎn)速下振動(dòng)不超過100 μm。在2號(hào)軸承處加重480 g∠90°，結(jié)合變閥位將軸系振動(dòng)降低至可接受范圍內(nèi)，如表4所示。

表4 處理后軸承振動(dòng)數(shù)據(jù) 單位：μm

4 結(jié)論

a.聯(lián)軸器連接影響軸系對(duì)中狀態(tài)，一定程度可導(dǎo)致平衡狀態(tài)改變。對(duì)于不平衡響應(yīng)敏感的軸系，輕微質(zhì)量分布改變可導(dǎo)致振動(dòng)響應(yīng)顯著變化。

b.采用動(dòng)平衡方式可將軸系振動(dòng)降低，動(dòng)平衡方式有聯(lián)軸器平衡法及諧響應(yīng)分析法等，現(xiàn)場(chǎng)加重根據(jù)實(shí)際情況選擇。

c.使用諧響應(yīng)分析法平衡對(duì)稱分量時(shí)，要同時(shí)考慮工作轉(zhuǎn)速及臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)。

d.對(duì)于振動(dòng)響應(yīng)敏感的機(jī)組，在檢修時(shí)不僅要保證聯(lián)軸器連接的各項(xiàng)參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，還要注意檢修前后參數(shù)的對(duì)比，盡可能避免由于檢修前后參數(shù)大幅改變引起軸系質(zhì)量分布改變，最終導(dǎo)致振動(dòng)響應(yīng)顯著變化。