300 MW 機(jī)組汽輪機(jī)振動(dòng)故障診斷及處理

劉永生

（沙角A 電廠，廣東東莞 523936）

0 引言

某電廠300 MW 機(jī)組的配套上海N300-16.7/538/538 型亞臨界、中間再熱、單軸雙缸、兩排汽、高中壓合缸、凝汽式汽輪機(jī)[1]。機(jī)組勵(lì)/發(fā)軸系是三支撐，為上海電機(jī)廠生產(chǎn)引進(jìn)型300 MW 機(jī)組，運(yùn)行中振動(dòng)不穩(wěn)定是其通病，給機(jī)組的安全運(yùn)行造成很大困擾。

1 2018—2020 年轉(zhuǎn)子振動(dòng)運(yùn)行平衡情況

2018 年2 月，A 修后首次啟動(dòng)，在軸系平衡過程中，汽機(jī)升速通過高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，1#瓦相對軸振已達(dá)183 μm（基頻）。另外，單閥切換順序閥運(yùn)行時(shí)，1#瓦相對軸振可由原來的98 μm 增至116 μm（通頻），增大的主要是基頻分量。

2018 年11 月，利用機(jī)組C 修將1#瓦頂隙減小0.10 mm、以增加油膜剛度，然后通過在高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)分別加重402 g∠263、785 g∠263，整流子后端面加重70 g∠225 之后，升速過程中1#、2#瓦的軸振分別降至90 μm 和48 μm（基頻），滿負(fù)荷（順序閥）運(yùn)行情況下1#瓦軸振為118 μm（通頻）。

2019 年8 月，機(jī)組運(yùn)行中5#瓦水平振動(dòng)有增大趨勢，最大為81 μm（通頻），為消除其及負(fù)荷下1#瓦振動(dòng)大問題，2020 年4 月安排B 修。為取得軸系平衡所需的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)熱變量，B 修前測試了機(jī)組停機(jī)前的各瓦振動(dòng)，300 MW 負(fù)荷下1#瓦軸振達(dá)168 μm（通頻）、5#瓦水平瓦振為55 μm（通頻）。

2020 年5 月，B 修進(jìn)行軸系平衡后，汽輪機(jī)定速下1#、2#瓦軸振分別降至48 μm（通頻）和64 μm（通頻），5#瓦水平瓦振19 μm（通頻），其他各瓦軸振均小于90 μm（通頻），瓦振小于30 μm（通頻）。機(jī)組加帶負(fù)荷至300 MW，在發(fā)電機(jī)無功10 MVar 下，機(jī)組各瓦軸振均小于100 μm（通頻），5#瓦水平瓦振為60 μm（通頻），6#瓦的垂直和水平瓦振分別為41 μm（通頻）和43 μm（通頻），其余各瓦均小于25 μm（通頻）。

2 2021 年轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障處理過程

2021 年4 月，機(jī)組C 修后首次啟動(dòng)，汽輪機(jī)定速下各瓦瓦振均小于30 μm（通頻）、X 方向軸振均小于90 μm（通頻）。根據(jù)2020 年B 修前測得的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)熱變量預(yù)計(jì)，帶負(fù)荷后5#瓦水平瓦振仍會(huì)超過50 μm（通頻），為此，在低/發(fā)聯(lián)軸器上加重658 g∠197 后啟動(dòng)，5#瓦水平瓦振的方向已被調(diào)整到振動(dòng)熱變量的反向，幅值也達(dá)到理想效果，但4#、5#瓦垂直瓦振增大明顯。為此，在低壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)加重379 g∠83 和379 g∠263，發(fā)電機(jī)整流子后端面加重35 g∠30，之后機(jī)組再次啟動(dòng)，4#瓦垂直瓦振由之前的83 μm（通頻）下降至15 μm（通頻），但5#瓦垂直瓦振卻由50 μm（通頻）增大至66 μm（通頻），水平瓦振增至45 μm（通頻），各瓦X 方向軸振均小于90 μm（通頻），除5#瓦外，其他各瓦垂直瓦振均小于20 μm（通頻）。

經(jīng)過軸系平衡，5#瓦水平瓦振已達(dá)到預(yù)期效果，但垂直瓦振較大，而從低/發(fā)聯(lián)軸器加重的響應(yīng)看，5#瓦垂直、水平振動(dòng)相互矛盾，已無調(diào)整余地，水平瓦振較2020 年B 修軸系平衡后已有明顯減小。同時(shí)，這次發(fā)電機(jī)RSO（Repetitive Surge Oscilloscope，重復(fù)脈沖）檢測中，2020 年B 修中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)固定短路點(diǎn)也已經(jīng)消失，即僅存一個(gè)不穩(wěn)定的匝間短路點(diǎn)，綜合上述情況，決定拆除此次軸系平衡的所有加重，復(fù)測原始振動(dòng)后，為減小升速過程中6#、7#瓦的軸振，在整流子后端面加重70 g∠15。處理后汽輪機(jī)定速下各瓦軸振均小于100 μm（通頻），各瓦瓦振均小于30 μm（通頻），升速過程中，6#、7#瓦臨界轉(zhuǎn)速下X 向振動(dòng)由加重前的96 μm（基頻）、113 μm（基頻）降低至12 μm（基頻）和22 μm（基頻），機(jī)組負(fù)荷300 MW，發(fā)電機(jī)無功90 MVar 負(fù)荷下，各瓦軸振均小于90 μm（通頻）。除5#瓦水平和6#瓦垂直分別為37 μm（通頻）和40 μm（通頻）外，其他各瓦垂直、水平瓦振均小于30 μm（通頻），消振效果較為滿意。

3 振動(dòng)故障原因診斷

根據(jù)測試數(shù)據(jù)及檢修前振動(dòng)情況，對升速過程中6#、7#瓦軸振偏大和5#瓦帶負(fù)荷后瓦振大的故障，做出如下診斷。

3.1 振動(dòng)性質(zhì)

升速過程中6#、7#瓦的軸振偏大，其主要振動(dòng)分量為基頻。根據(jù)定速下5#瓦的振值和2020 年5 月B 修軸系平衡后，測得該機(jī)5#瓦的振動(dòng)熱變量預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)帶負(fù)荷后5#瓦水平會(huì)超過50 μm（通頻），二者振動(dòng)分量都是基頻，因此從振動(dòng)性質(zhì)上判定是普通強(qiáng)迫振動(dòng)[2]。

3.2 支承動(dòng)剛度與激振力

引起軸振大的原因有兩個(gè)：一是激振力大，二是油膜剛度低。從這次C 修的工作內(nèi)容看，只是拆勵(lì)/發(fā)聯(lián)軸器，抽出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，并未對6#、7#瓦軸瓦進(jìn)行處理，因此軸瓦油膜剛度不會(huì)改變，引起6#、7#瓦軸振增大的原因只能是激振力增大。

根據(jù)該機(jī)多年的振動(dòng)處理經(jīng)驗(yàn)，檢修中只要拆裝過勵(lì)/發(fā)聯(lián)軸器。修后啟動(dòng)，升速過程中6#、7#瓦軸振會(huì)增大，甚至因臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)大而無法定速，其原因是勵(lì)/發(fā)軸系存在不平衡，即激振力增大。

空負(fù)荷下，5#瓦瓦振并不大，引起帶負(fù)荷后5#瓦水平瓦振增大的原因是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在熱彎曲現(xiàn)象。

從該機(jī)5#瓦水平振動(dòng)大的歷史看，該機(jī)自2019 年8月以來，5#瓦水平瓦振有增大趨勢，因此在2020 年5 月的B 修中對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了RSO 檢測[10]，發(fā)現(xiàn)2#線圈存在穩(wěn)定的匝間絕緣缺陷，3#線圈存在不穩(wěn)定的匝間短路故障，即該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在匝間短路故障。而此次檢修中再次對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子做RSO 檢測，發(fā)現(xiàn)2020 年5 月B 修中發(fā)現(xiàn)的一個(gè)固定短路點(diǎn)已經(jīng)消失，而另一個(gè)不穩(wěn)定短路點(diǎn)仍然存在（即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路依然存在），發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路是造成轉(zhuǎn)子熱彎曲[12]的原因，轉(zhuǎn)子熱彎曲產(chǎn)生熱不平衡。

3.2 消振對策

根據(jù)上述診斷，升速過程中6#、7#瓦軸振偏大的原因是勵(lì)/發(fā)軸系存在不平衡，而引起帶負(fù)荷后5#瓦水平瓦振增大的原因是，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在匝間短路故障引起轉(zhuǎn)子熱彎曲產(chǎn)生的熱不平衡。

對于上述兩種故障，簡單、有效的消振對策是調(diào)整軸系平衡。

4 軸系平衡

盡管目前5#、6#瓦水平瓦振均為25 μm（通頻），但根據(jù)2020 年5 月的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子水平瓦振熱變量[3]，二者同相，因此帶負(fù)荷后5#、6#瓦水平瓦振會(huì)增大至60 μm（通頻）。軸系平衡的目的是調(diào)整定速下5#、6#瓦水平瓦振的方向與振動(dòng)熱變量反相[14]，機(jī)組帶負(fù)荷后5#、6#瓦的水平瓦振會(huì)下降。

減小5#、6#瓦水平瓦振最有效的加重平面是在低/發(fā)聯(lián)軸器[15]。根據(jù)該型機(jī)組現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，在低/發(fā)聯(lián)軸器上加重658 g∠197 后啟動(dòng)，定速下，5#瓦水平瓦振的方向已到振動(dòng)熱變量的反向，幅值也達(dá)到預(yù)期；6#瓦水平瓦振盡管方向沒有與振動(dòng)熱變量方向完全相反，但幅值已降至15 μm（基頻）；4#瓦垂直瓦振由加重前的46 μm（通頻）升高至67 μm（通頻），軸振由加重前的94 μm（通頻）升高至125 μm（通頻），其他各瓦X、Y 向軸振均小于75 μm（通頻）。

為了降低4#瓦振動(dòng)和升速過程中的6#、7#瓦軸振，在低壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)加重379 g∠83 和379 g∠263 的同時(shí)，在整流子后端面加重35 g∠30 后啟動(dòng)，4#瓦垂直瓦振由加重前的83 μm（通頻）下降至15 μm（通頻），但5#瓦垂直瓦振卻由38 μm（通頻）增大至66 μm（通頻），水平瓦振增大至45 μm（通頻），方向沒變，其他各瓦垂直瓦振均小于20 μm（通頻），各瓦X 向軸振均小于90 μm（通頻），各瓦瓦振除5#瓦垂直為81 μm（通頻）外，升速過程中，6#、7#瓦軸振均在25 μm（通頻）以下。

為減小升、降速過程中6#、7#瓦軸振，在整流子后端面加重70g∠15 之后啟動(dòng)，升速過程中6#、7#瓦臨界轉(zhuǎn)速下X 向振動(dòng)由加重前的96 μm（基頻）、113 μm（基頻）降低至12 μm（基頻）和22 μm（基頻），定速下各瓦軸振均小于100 μm（通頻），各瓦瓦振均小于30 μm（通頻），升速過程中機(jī)組4#、5#、6#、7#瓦的X向軸振波德曲線見圖1～圖4。

圖1 4#瓦X 向振動(dòng)曲線

圖2 5#瓦X 向振動(dòng)曲線

圖3 6#瓦X 向振動(dòng)曲線

圖4 7#瓦X 向振動(dòng)曲線

5 結(jié)論

（1）經(jīng)軸系平衡后啟動(dòng)，汽輪機(jī)定速下，各瓦瓦振均小于30 μm（通頻），各瓦X 向軸振均小于90 μm（通頻），但升、降速過程6#、7#瓦軸振較大，通過在發(fā)電機(jī)整流子后端面加重后，定速下各瓦軸振均小于100 μm（通頻），各瓦瓦振均小于30 μm（通頻），升速過程中6#、7#瓦臨界轉(zhuǎn)速下X 向振動(dòng)為12 μm（基頻）和22 μm（基頻）。

（2）對于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在不穩(wěn)定匝間短路故障的機(jī)組，軸系平衡前獲得當(dāng)下的振動(dòng)熱變量是保證空負(fù)荷和滿負(fù)荷下振動(dòng)都滿意的先決條件。

（3）實(shí)測5#、6#瓦水平瓦振的振動(dòng)熱變量較2020 年5 月B修后的數(shù)值有所減小，與此次C 修中RSO 檢測中發(fā)現(xiàn)B 修中存在的一個(gè)固定短路點(diǎn)消失相吻合，由此表明監(jiān)測振動(dòng)可以有效監(jiān)測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間的短路狀態(tài)。

（4）今后運(yùn)行觀察，如果帶負(fù)荷狀態(tài)下5#瓦水平振動(dòng)有明顯增長，表明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障加重。