1 000 MW發(fā)電機(jī)振動(dòng)異常分析及治理

邢海波

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院,合肥 230031)

某廠3號機(jī)組自2013年開始,#10瓦振動(dòng)長期存在隨負(fù)荷爬升及瓦振超過報(bào)警值問題,先后經(jīng)過多次分析治理,均未取得明顯效果。2019年結(jié)合機(jī)組檢修機(jī)會(huì),對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠檢查,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)端部繞組擠壓變形及通風(fēng)孔部分堵塞,經(jīng)全面處理后,機(jī)組啟動(dòng)后各工況振動(dòng)良好。

1 機(jī)組振動(dòng)情況簡介

1.1 機(jī)組簡介

3號機(jī)組汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)制造的CLN1000-25.0/600/600型、凝汽式、超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽汽輪機(jī);發(fā)電機(jī)為哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的水-氫-氫冷卻的QFSN-1000-2 型三相同步汽輪發(fā)電機(jī)。機(jī)組軸系布置如圖1所示,除勵(lì)磁機(jī)與發(fā)電機(jī)采用兩跨三支撐布置方式,其余轉(zhuǎn)子均采用雙支撐結(jié)構(gòu)[1],其中高壓缸前軸承為#1瓦,#10瓦為發(fā)電機(jī)勵(lì)端支撐軸承。

圖1 3號汽輪機(jī)軸系布置圖

1.2 振動(dòng)情況簡介

2013年10月,該機(jī)組檢修后啟動(dòng),低負(fù)荷時(shí)#10瓦軸振、瓦振幅值均在優(yōu)良值范圍內(nèi),瓦振未超過20 μm,隨負(fù)荷增加,軸振及瓦振均同步爬升,接近滿負(fù)荷時(shí),軸振100 μm、瓦振70 μm,其中瓦振超過報(bào)警值(50 μm),接近手動(dòng)停機(jī)值(80 μm)。

振動(dòng)主要特征如下：

(1)隨負(fù)荷升高,軸振與瓦振均同步存在一定爬升趨勢,且具有良好重復(fù)性。

(2)軸振與瓦振比例異常,軸振未達(dá)到報(bào)警值,瓦振已接近手動(dòng)停機(jī)值。

(3)現(xiàn)場用測振儀測量得到垂直方向瓦振60～70 μm,水平方向瓦振10～20 μm。

(4)振動(dòng)頻率成分均以一倍頻為主,在不同負(fù)荷下,振動(dòng)幅值存在較大差異,一倍頻相位變化較小。

2 故障原因分析

結(jié)合1.2節(jié)中振動(dòng)特征分析,#10瓦振動(dòng)存在兩類故障耦合現(xiàn)象：一方面,發(fā)電機(jī)軸承座屬于落地式軸承,在無故障情況下應(yīng)屬于剛性支撐,其軸振/瓦振幅值的比值在3～6之間變化[2],本例現(xiàn)場實(shí)際二者比值接近1,表明支撐系統(tǒng)存在故障,致使軸振小、瓦振高。另一方面,振動(dòng)以一倍頻為主,且隨負(fù)荷正相關(guān),表明發(fā)電機(jī)存在熱彎曲,導(dǎo)致振動(dòng)隨負(fù)荷升高而爬升或者高負(fù)荷時(shí)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)對輪連接不良。在高負(fù)荷情況下,如果對輪連接狀況不良,將使對輪傳遞的扭矩不均勻,進(jìn)而產(chǎn)生擾動(dòng)力引發(fā)振動(dòng),文獻(xiàn)[3]中曾對該故障進(jìn)行分析處理。

2.1 發(fā)電機(jī)瓦振高原因分析

引發(fā)瓦振高的原因一般主要有：軸振過大、支撐剛度不足、發(fā)生結(jié)構(gòu)共振等,其分析過程如圖2所示。

圖2 軸承座振動(dòng)大原因分析流程

對于普通強(qiáng)迫振動(dòng),無論軸振或者瓦振都可以視作外界激振力與支撐系統(tǒng)綜合作用后的表現(xiàn),其關(guān)系可以用公式(1)表示：

(1)

式中：A為振動(dòng)幅值;F為激振力;Kd為支撐剛度。

通過式(1)可以看出,當(dāng)支撐剛度減小時(shí),在同樣的激振力情況下,外部反映出的振動(dòng)幅值會(huì)增加;同樣地,在同樣的支撐剛度條件下,隨著外界激振力的增加,外部反映出的振動(dòng)幅值也會(huì)增加。

由于#10瓦自身軸振較小,同時(shí)機(jī)組進(jìn)行超速試驗(yàn)時(shí),#10瓦振動(dòng)未發(fā)現(xiàn)明顯共振趨勢,因此判斷其振動(dòng)超標(biāo)主要由于支撐剛度不足所致。軸瓦固定于軸承座中,軸承座與外部基礎(chǔ)進(jìn)行連接,引起支撐系統(tǒng)剛度不足可分為支撐系統(tǒng)的連接剛度及軸承座安裝剛度不足[4]。#10瓦軸承座結(jié)構(gòu)如圖3所示,從下至上主要包括基礎(chǔ)、二次灌漿、墊鐵及臺板?，F(xiàn)場多次對軸承座安裝參數(shù)進(jìn)行復(fù)核及檢查調(diào)整,均未取得理想效果,且#10瓦軸承座各連接螺栓預(yù)緊力檢查均未發(fā)現(xiàn)異常。

圖3 軸承座結(jié)構(gòu)示意圖

對發(fā)電機(jī)定子而言,其在運(yùn)行時(shí)除了承受鐵芯傳來的電磁振動(dòng)外,還同時(shí)承受轉(zhuǎn)子殘余不平衡量產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)。該發(fā)電機(jī)為貓爪式安裝,由#9、#10瓦四個(gè)貓爪式結(jié)構(gòu)座安裝在汽輪機(jī)平臺上,靠底部絕緣墊片調(diào)整各腳高度平衡。若發(fā)電機(jī)底部絕緣墊片安裝不合適,機(jī)座底腳承載分布狀態(tài)不均,表現(xiàn)為同一標(biāo)高下的不同位置振動(dòng)存在較大差別,則有可能使發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大的機(jī)座振動(dòng)。圖3軸承座結(jié)構(gòu)示意圖中,當(dāng)各連接部件之間振動(dòng)差值大于15 μm～20 μm 時(shí),一般可判定這兩個(gè)點(diǎn)之間的連接剛度不足[5]?，F(xiàn)場對發(fā)電機(jī)定子底腳各處振動(dòng)進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)其最大偏差達(dá)到20 μm。

綜合上述分析,該機(jī)組可能存在發(fā)電機(jī)底部載荷分配不均,造成軸振小瓦振高的振動(dòng)異常。

2.2 發(fā)電機(jī)振動(dòng)爬升原因分析

根據(jù)#10瓦振動(dòng)幅值與負(fù)荷正相關(guān)的變化現(xiàn)象,分析發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在中高負(fù)荷下存在熱狀態(tài)變化或者扭矩變化情況。自2013年#10瓦振動(dòng)異常以來,機(jī)組已歷經(jīng)3次不同程度檢修,歷次均需對勵(lì)磁發(fā)電機(jī)對輪進(jìn)行找正,振動(dòng)隨負(fù)荷變化的趨勢均未得到緩解,因此,該振動(dòng)異常非連接不良引發(fā)扭矩變化引起的。

在旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動(dòng)故障分析治理過程中,振動(dòng)幅值與負(fù)荷正相關(guān)多數(shù)是熱狀態(tài)變化引發(fā)的。汽輪機(jī)振動(dòng)的原因可能是汽缸膨脹不暢、受冷導(dǎo)致動(dòng)靜間隙變化或者隨負(fù)荷變化低壓缸座缸式軸承剛度變化。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子因自身結(jié)構(gòu)的特殊性,能引起其熱狀態(tài)變化的原因較多,一般主要有以下三個(gè)方向[3]：

(1)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子匝間短路故障：出現(xiàn)該故障時(shí),轉(zhuǎn)子局部溫度會(huì)快速上升,致使轉(zhuǎn)子溫度分布的均勻性被破壞,引起轉(zhuǎn)子彎曲,造成振動(dòng)。該故障可通過電氣試驗(yàn)進(jìn)行確定或排除,現(xiàn)場通過改變勵(lì)磁電流及多種電氣試驗(yàn)手段,均未檢測出匝間短路故障。

(2)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的膨脹受阻：部分線圈膨脹過程受阻,在離心力作用下產(chǎn)生不平衡量,造成轉(zhuǎn)子振動(dòng)升高,該故障引起的振動(dòng)異常與勵(lì)磁電流相關(guān),但不同于轉(zhuǎn)子匝間短路,當(dāng)故障發(fā)生后,隨著負(fù)荷降低,轉(zhuǎn)子負(fù)載減小,由于膨脹受阻其摩擦力仍存在,振動(dòng)往往會(huì)更高。

(3)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)故障：對于氫冷機(jī)組,通風(fēng)孔是轉(zhuǎn)子熱交換的主要通道,如果部分通風(fēng)孔通流截面減小、通風(fēng)孔變形、雜物堵塞,會(huì)造成轉(zhuǎn)子橫截面冷卻不均,致使產(chǎn)生熱彎曲。該故障的明顯特征是對氫溫較為敏感,且隨著冷卻效果變差之后,氫溫不再對振動(dòng)造成影響。

綜合上述原因分析和實(shí)際#10瓦振動(dòng)特征,基本排除轉(zhuǎn)子匝間短路因素引起的振動(dòng)異常爬升,對于線圈膨脹受阻和冷卻通風(fēng)故障需要抽轉(zhuǎn)子同時(shí)對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行檢查,且故障存在一定隱蔽性,因此一般利用相關(guān)停機(jī)檢修機(jī)會(huì)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行返廠檢查。

3 現(xiàn)場振動(dòng)處理措施及效果

2019年3月,該機(jī)組利用檢修機(jī)會(huì),對#10瓦運(yùn)行中存在的兩類振動(dòng)問題分別進(jìn)行了針對性治理措施。

3.1 發(fā)電機(jī)定子底載調(diào)整試驗(yàn)

測試方法采用電測法,在發(fā)電機(jī)定子角撐位置貼上應(yīng)變片,用電阻應(yīng)變測量儀測出電阻變化量,換算成各角撐筋板的承載百分比。應(yīng)變片在角撐上粘貼位置示意圖如圖4所示。根據(jù)制造廠商要求,發(fā)電機(jī)的載荷分布曲線為一條兩端高、中間低的“微笑曲線”,其四角的載荷分配比例如圖5所示[6]。

圖4 應(yīng)變片在角撐上粘貼位置示意圖

圖5 發(fā)電機(jī)四角承載要求示意圖

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)底部墊片組存在大量零亂、銹蝕、錯(cuò)位等現(xiàn)象,具體的載荷分布比例如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,3號發(fā)電機(jī)定子的原始載荷分配狀態(tài)較差,各個(gè)承載區(qū)域與技術(shù)要求差別較大。

表1 原始載荷分配比例 %

針對載荷分配比例異常、墊片異常的現(xiàn)象,通過調(diào)整發(fā)電機(jī)階梯墊片的分布,進(jìn)而使得載荷分配比例達(dá)到要求。在試驗(yàn)過程中,對零亂、銹蝕、凹凸不平等的墊片均采用全新高強(qiáng)度不銹鋼墊片進(jìn)行等厚度、等長度替換,載荷分配結(jié)果滿足要求,最終的載荷分配比例如表2所示。

表2 最終載荷分配比例 %

3.2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠檢查情況

在3號發(fā)電機(jī)返廠維修期間,根據(jù)轉(zhuǎn)子解體檢查情況和現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子主要存在以下問題：(1)轉(zhuǎn)子線圈端部繞組4號～8號線圈存在擠壓變形,圖6 所示為轉(zhuǎn)子線圈端部頂匝繞組多處發(fā)生變形。(2)轉(zhuǎn)子線圈端部橫軸墊塊脫落。

圖6 轉(zhuǎn)子線圈端部頂匝繞組多處發(fā)生變形

根據(jù)現(xiàn)場檢查情況、發(fā)電機(jī)的實(shí)際裝配圖紙和維修后轉(zhuǎn)子端部繞組護(hù)環(huán)及絕緣瓦的安裝情況等資料,分析轉(zhuǎn)子線圈端部頂匝繞組多處發(fā)生變形的直接原因是護(hù)環(huán)下外層全尺寸絕緣瓦堆起所致。由于轉(zhuǎn)子線圈加工及端部繞組裝配時(shí)尺寸和形狀不規(guī)整,熱套護(hù)環(huán)前線圈端部整形不到位,致使線圈外徑偏大,熱套護(hù)環(huán)時(shí)護(hù)環(huán)與護(hù)環(huán)絕緣瓦之間間隙過小,護(hù)環(huán)熱套前進(jìn)時(shí)將受到護(hù)環(huán)熱套高溫影響的護(hù)環(huán)下外層全尺寸絕緣瓦刮起并發(fā)生絕緣層堆積。機(jī)組長期運(yùn)行下,受離心力和熱應(yīng)力的綜合作用導(dǎo)致絕緣瓦堆起部位的轉(zhuǎn)子頂匝繞組及端部線圈發(fā)生變形且變形幅度逐漸擴(kuò)大。

由于轉(zhuǎn)子頂匝線圈被壓扁,轉(zhuǎn)子端部繞組冷卻風(fēng)道受阻,冷卻能力也明顯下降。在解體檢查時(shí),鄰近轉(zhuǎn)子形變嚴(yán)重的區(qū)域可見有明顯的過熱痕跡,即轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在熱不平衡現(xiàn)象。因此,可以判斷轉(zhuǎn)子熱不平衡是引起3號發(fā)電機(jī)#10瓦振動(dòng)隨負(fù)荷變化大的主要原因。

3.3 處理后機(jī)組振動(dòng)情況

經(jīng)過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返廠檢查及開展現(xiàn)場定子底載調(diào)整后,3號機(jī)于2019年5月啟動(dòng)運(yùn)行,處理前后不同負(fù)荷下#10瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 處理前后#10瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)對比 μm

通過表3中數(shù)據(jù)可以看出,處理后#10瓦振動(dòng)爬升情況及#10瓦瓦振比例偏高問題都得到了明顯改善。

4 結(jié)語

3號機(jī)組#10瓦振動(dòng)異常問題歷經(jīng)數(shù)年,通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子解體檢查,發(fā)現(xiàn)并處理頂匝線圈的擠壓變形,從而使線圈冷卻風(fēng)道受阻的情況得到改善,消除了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的熱不平衡來源。通過發(fā)電機(jī)定子底載調(diào)整試驗(yàn),使得發(fā)電機(jī)定子的載荷分配得到均衡,從而使得相同軸振激振力作用下的瓦振幅值顯著降低。

對于發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的問題,由于其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,很難僅通過頻譜數(shù)據(jù)就能診斷出故障原因,一般需要結(jié)合各種調(diào)整試驗(yàn)來綜合判斷。本案例時(shí)間跨度長,采用的振動(dòng)治理方案也較多,對我們處理同類型的發(fā)電機(jī)振動(dòng)問題具有借鑒意義。