650MW汽輪發(fā)電機組軸承異常分析與處理

李松偉

（國家能源費縣發(fā)電有限公司，山東 臨沂 273400）

0 前言

國家能源費縣發(fā)電有限公司#1、#2機組系上海電氣集團生產(chǎn)的650MW超臨界汽輪發(fā)電機組。在#1、#2機組的正常運行過程中，存在高中壓轉(zhuǎn)子振動波動劇烈、勵磁小軸振動偏大的問題。現(xiàn)場通過軸承調(diào)整、現(xiàn)場動平衡試驗，有效消除了異常振動故障，使機組軸系振動均處于優(yōu)良水平運行。

1 機組簡介

該文中機組系上海汽輪機有限公司生產(chǎn)的N650-24.2/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、凝汽式汽輪機，發(fā)電機為西門子西屋公司和上海汽輪發(fā)電機有限公司聯(lián)合制造的THDF 118/56型三相交流隱極式同步汽輪發(fā)電機，采用水氫氫冷卻方式，勵磁方式采用機端變靜止勵磁。

汽輪發(fā)電機組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓1轉(zhuǎn)子、低壓2轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、勵磁小軸以及9個支持軸承組成。汽輪機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子均采用雙支撐結(jié)構(gòu)，勵磁小軸端部有一個穩(wěn)定軸承。

機組的軸系結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 軸系結(jié)構(gòu)簡圖

2 測試系統(tǒng)

機組配備了菲利浦MMS-6000型汽輪機安全保護系統(tǒng)（TSI），監(jiān)測各軸承、方向相對軸振動及軸承座振動?，F(xiàn)場振動測試時，從TSI系統(tǒng)的緩沖輸出端子（BUF）將軸振動信號及鍵相信號接入西安熱工研究院有限公司開發(fā)研制的 “NTP3000”型振動數(shù)據(jù)采集儀（編號：VDAS8-02-011），即可實現(xiàn)振動峰峰值的實時采集、頻譜分析及存儲。

3 1號機組軸承異常診斷和治理

1號機組軸系振動故障主要表現(xiàn)在兩方面，一是高中壓轉(zhuǎn)子振動波動；二是勵磁小軸振動偏大，其中9X軸振超過110μm。

3.1 高中壓轉(zhuǎn)子振動波動問題

1號機組高中壓轉(zhuǎn)子振動波動十分劇烈，查詢歷史數(shù)據(jù)也發(fā)現(xiàn)2號軸振在大負荷工況下常常波動至130μm。

為此，2020年04月03日~04日進行振動測試，盡管最大負荷僅在500MW附近，但高中壓轉(zhuǎn)子仍會波動到120μm，爬升幅度超過60μm。

考慮到1號機組高中壓轉(zhuǎn)子振動波動主要以半頻振動為主，且與負荷或高調(diào)門開度關(guān)聯(lián)十分明顯，據(jù)此分析振動原因為高中壓轉(zhuǎn)子的汽流激振。

對汽輪機來說，其汽流激振力主要包括以下三方面。1）密封激振力：由于轉(zhuǎn)子在汽缸中存在偏心，使汽封腔室中的蒸汽由于周向流動而產(chǎn)生不同的周向壓力分布（即在圓周方向上，蒸汽在汽封間隙小處壓力大、在汽封間隙大處壓力?。?，進而合成了密封激振力，促使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生自激振動。2）葉頂間隙激振力：當轉(zhuǎn)子處在汽缸的偏心位置時，其圓周方向的葉頂間隙不同，使工質(zhì)在不同位置處的間隙泄漏量也不同，即在圓周方向上，蒸汽在葉頂間隙大處，泄漏大，對該處葉輪的圓周切向推力小，做功也??；反之，蒸汽在葉頂間隙小處，泄漏小，對該處葉輪的圓周切向推力大，做功也大。這就引發(fā)了轉(zhuǎn)子葉輪所承受的圓周切向力不對稱，形成了一個作用于葉輪中心的橫向合力，促使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生自激振動。3）不平衡汽流力：高、中壓缸非均勻進汽時，使高、中壓轉(zhuǎn)子承受著較大的不平衡汽流力，這一方面其可影響軸頸在軸承中的位置，改變了支承軸承的載荷，使軸承的動力學(xué)特性發(fā)生了變化而引發(fā)振動失穩(wěn)；另一方面使轉(zhuǎn)子在汽缸中的徑向位置發(fā)生變化，引起通流部分間隙的變化，進而影響密封激振力和葉頂間隙激振力。

針對1號機組的高中壓轉(zhuǎn)子汽流激振故障，檢修中主要通過調(diào)整通流間隙、 提高軸承穩(wěn)定性等手段對其進行控制，考慮到機組實際，決定對軸承的安裝間隙、緊力進行調(diào)整，從而提高軸承的穩(wěn)定性。1）把1、2號軸承間隙按照汽輪機軸承安裝標準值（0.51mm~0.59mm）的下限進行安裝；2）把1、2號軸承瓦蓋緊力按照汽輪機軸承安裝標準值（0.02mm~0.08mm）的上限進行安裝。3）修復(fù)瓦塊支點的柱銷接觸狀況，并增大了瓦塊與油檔卡槽間隙。

2020年06月10日，1號機組檢修后再次啟動、并網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子振動十分平穩(wěn)，汽流激振故障消失。

3.2 勵磁小軸振動偏大問題

在1號機組的正常運行過程中，勵磁小軸振動偏大，其中9X軸振超過110μm。分析振動原因為該型機組發(fā)勵對輪的下張口標準不適應(yīng)實際軸系安裝狀況，現(xiàn)場一般需要采用更大的下張口，來增大9號軸承載荷。

隨后，在檢修中對9號軸承標高進行調(diào)整后，大幅降低了勵磁小軸振動，9X和9Y軸振分別降至40μm和25μm。

4 二號機組軸承異常診斷和治理

4.1 高中壓轉(zhuǎn)子振動波動問題

2020年1月18 日，2號機組調(diào)停檢修，并于2020年3月21日并網(wǎng)，3月22日進行了單閥切至順序閥，在切換過程中，1號和2號軸承振動均偏高，其中1X和2X軸振最大均達到140μm，在當日17：05，1號和2號高調(diào)門全開，3號高調(diào)門全關(guān)，4號高調(diào)門開度在3.5%~24%時，#1X軸振最大波動超過150μm，2X軸振最大波動達195μm。

基于以上振動特征，分析2號機組高中壓轉(zhuǎn)子振動原因為汽流激振引發(fā)了1號和2號軸振的大幅波動，主要表現(xiàn)為基頻振動波動，但相比于2號軸振，1號軸振還有更豐富的高頻振動成分。

汽流激振力主要包括密封激振力、葉頂間隙激振力和不平衡汽流力，考慮到2號機組高中壓轉(zhuǎn)子主要是基頻成分在大幅波動，這說明油膜剛度變化明顯，因此該機組主要是不平衡汽流力引發(fā)的汽流激振。

針對2號機組高中壓轉(zhuǎn)子振動故障，先后進行了如下振動處理。二號機組高中壓轉(zhuǎn)子加重示意如圖2所示。1）通過加裝平衡塊的方式，抵消部分不平衡汽流力，具體方案為在高中壓轉(zhuǎn)子兩端各加重260g，即以鍵相槽的前沿作為基準，逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)116°作為中心線，在高中壓轉(zhuǎn)子1號軸承側(cè)的末級葉輪上加重260g；然后，逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)296°（或順轉(zhuǎn)64°）作為中心線，在高中壓轉(zhuǎn)子2號軸承側(cè)的末級葉輪上加重260g。2）提高軸承穩(wěn)定性，把1號和2號軸承頂部間隙按汽輪機軸承安裝標準值（0.51mm~0.59mm）的下限調(diào)整、瓦蓋緊力按輪機軸承安裝標準值（0.02mm~0.08mm）的上限調(diào)整。

圖2 二號機組高中壓轉(zhuǎn)子加重示意

2020年11月06日，2號機組檢修后再次啟動、并網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子振動十分平穩(wěn)，汽流激振故障消失。

5 振動評價

5.1 穩(wěn)態(tài)振動及評價

汽輪發(fā)電機組相對軸振的現(xiàn)行國家標準（GB/T11348.2-2012）規(guī)定，在每個軸承處測得的最大軸振數(shù)據(jù)，參照表1對汽輪發(fā)電機組進行軸振評價。

表1 各區(qū)域相對軸振位移界限值

汽輪發(fā)電機組瓦振的現(xiàn)行國家標準（GB/T6075.2-2012）規(guī)定，在每個軸承處測得的最大瓦振數(shù)據(jù)，參照表2對汽輪發(fā)電機組進行瓦振評價。

表2 各區(qū)域瓦振速度界限值

圖3、圖4分別給出了1號和2號機組軸系振動數(shù)據(jù)，2臺汽輪發(fā)電機組軸系各相對軸振均在70μm以內(nèi)、各瓦振均在25μm以內(nèi)，按照現(xiàn)行國標規(guī)定（GB/T 11348.2-2012、GB/T 6075.2-2012），1號和2號機組軸系振動均處于振動A區(qū)運行（即通常所說的優(yōu)良水平）。

圖3 在420MW工況下，1號機組軸系振動數(shù)據(jù)

圖4 在500MW工況下，2號機組軸系振動數(shù)據(jù)

5.2 瞬態(tài)振動及其評價

按照汽輪機發(fā)電機組徑向振動國家標準GB/T 11348.2-2012，其4.2.4.3節(jié)規(guī)定，在1號機組在啟停機過程中，高中壓轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的最大軸振不超過50μm；低壓1轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的最大軸振不超過40μm；低壓2轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的最大軸振不超過50μm；發(fā)電機轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的最大軸振不超過80μm。2號機組在啟停機過程中，高中壓轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的最大軸振不超過80μm；低壓1轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的最大軸振不超過50μm；低壓2轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的最大軸振不超過50μm；發(fā)電機轉(zhuǎn)子過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的最大軸振不超過60μm。綜上所述，1、2號機組軸系各測點過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域的振動均十分平穩(wěn)，處于現(xiàn)行國標（GB/T 11348.2-2012、GB/T 6075.2-2012）規(guī)定的合格水平。

6 結(jié)語

1、2號機組因汽流激振，引發(fā)了高中壓轉(zhuǎn)子振動的大幅波動；1號機組因9號軸承載荷輕，引發(fā)了勵磁小軸振動偏大；2號機組因軸承自位不佳引發(fā)的偏載，導(dǎo)致了2號瓦溫超標。通過軸承安裝調(diào)整、現(xiàn)場動平衡試驗，有效消除了1號和2號汽輪發(fā)電機組軸承異常振動和瓦溫問題。目前，1、2號機組軸系振動均處于A區(qū)運行（即通常所說的優(yōu)良水平）。