某國產600MW汽輪發電機組振動故障診斷及處理

朱小紅 姚杰新 南陽天益發電有限責任公司，河南 南陽

某國產600MW汽輪發電機組振動故障診斷及處理

朱小紅 姚杰新 南陽天益發電有限責任公司，河南 南陽

某國產600MW汽輪發電機組投產以來存在低壓轉子支承軸承瓦振超標的故障問題。本文針對產生該振動問題的根本原因進行了分析，在此基礎上在現場進行了增加低壓缸支承軸承動剛度的嘗試。最后利用機組幾次臨停機會，在機組低壓1轉子、低壓2 轉子及低發對輪上加重，進行現場精細動平衡，將機組軸振降低到了50 μ m以內，從而使該機組低壓缸瓦振得到控制。

汽輪機；振動；故障診斷；現場動平衡；動剛度

turbine；vibration；field dynamic balance；dynamic stiffness

1 概述

近年來，國產600MW汽輪發電機組大量投產，據不完全統計，國內已有上百臺國產600MW亞臨界和超臨界汽輪發電機組投產，河南省內也已有20多臺投產。雖然，三大制造廠對國外引進技術進行了充分的消化與吸收，國內的制造加工工藝及安裝水平也有了很大的提高，但是，由于近年來國內投產600MW級汽輪發電機組數量較多，三大動力集團產能已經達到極限，機組生產工期大大縮短；加之火電機組安裝建設工期也一再縮短，從目前新投產機組的運行情況來看，仍有不少振動方面的問題。

南陽天益發電有限責任公司#4機組，系東方汽輪機廠和東方電機廠生產的600MW汽輪發電機組，2008年4月投產。該機組共有9個支承軸承（如圖1）。#1、#2號軸承為支承汽輪機高中壓轉子的兩個落地可傾瓦軸承； #3、#4、#5、#6號為橢圓瓦，軸承坐落在低壓缸上，其中#3、#4軸承支承低壓Ⅰ轉子（LPI），#5、#6軸承支承低壓Ⅱ轉子（LPII）；#7、#8號軸承為支承發電機轉子的端蓋軸承，#9軸承為支承集電環轉子的落地軸承，發電機和集電環轉子為三支承結構。

2 機組故障診斷及分析

2.1 振動現象和試驗分析

圖1 #4機組軸系圖

表1 08年處理前 350MW時機組振動情況

圖2 #3、#4、#5、#6瓦振降速過程波特圖

機組首次啟動定速后，除#3軸瓦振動偏大為61μm外，其他各瓦振動均小于50μm。該機組在通過168h試運前整組啟動四次，在空負荷和低負荷試驗中，先后三次出現#1～4軸振逐步上升現象，其中#1X軸振最大到180μm，后通過關閉軸封減溫水和調整軸封壓力，各軸振數據下降，說明高中壓汽封有帶水現象。機組在升負荷及168h試運過程中，出現低壓轉子支承軸承#3、#4、#5、#6瓦振超標，#7Y軸振超標，現場測量瓦蓋及低壓缸端板振感明顯，而且越靠近低壓缸軸封處，振動越大，其中#4瓦軸承箱蓋最大達110 μ m。表1是機組在350MW負荷時各瓦振動數據。

帶350MW負荷情況下，機組軸振除#3X向為80 μ m、#4Y向為91 μm外，其余均達到小于76 μ m的優良標準；而#3、#4、#5、#6瓦振分別為86 μm、88 μm、57 μ m、97 μm，嚴重超標，威脅著機組的安全穩定運行。

降速過程中，#3～#6瓦振（圖2）在3000r/min處隨著轉速的降低很快下降，但是在轉速下降過程中，#3～#6軸振（圖3）雖然也有一定程度的降低，但是與瓦振相比降低幅度較小，這說明低壓缸轉子支承軸承固有頻率比較接近3000r/min。

另對現場真空、排汽溫度、凝汽水位、潤滑油溫等運行數據進行對比分析，發現#3～6軸承振動與機組真空值及排汽溫度大小有一定的關系，其他參數對機組振動影響不大。

2.2 振動原因分析

根據以上振動現象和現場運行試驗與分析，可將該機組各振動問題可能因素歸結于以下幾方面：

（1）對于在空負荷和低負荷試驗中，先后三次出現#1～4軸振逐步上升現象，是由于機組軸封供汽系統存在蒸汽，易帶水或溫度變化劇烈問題。當低溫軸封蒸汽進入軸封，尤其是高中壓軸封，會導致啟動過程或帶負荷運行過程軸封局部變形，發生動靜碰磨產生熱不平衡量影響機組振動；另外轉子受到冷水或冷氣的直接冷卻也會產生熱不平衡量造成轉子彎曲或產生熱不平衡量影響機組振動。當軸封供汽溫度正常后，軸封變形及轉子局部冷卻的現象消失，振動現象就會緩解。

（2）機組低壓缸軸承坐落在缸體兩端，瓦振幅值隨機組真空或排汽溫度變化有較大的變化，而軸振卻比較穩定，說明低壓缸端板及軸承座支承剛度易受真空或排汽溫度影響。而軸承座及端板支承剛度又決定了缸體的固有振動頻率，當缸體及軸承座的固有振動頻率與機組工作頻率比較接近時，就會導致瓦蓋及汽缸端板振動放大。查DCS歷史數據中的超速試驗過程（圖4）發現，#3～#5蓋振在2800～3060r/min的確存在一個峰值，這也說明該機組低壓缸轉子支承軸承振動偏大的根本原因在于其固有頻率處于工作轉速附近。

圖3 #3、#4、#5、#6軸振振降速過程波特圖

表2 09年動平衡處理后，該機組600MW時機組振動情況

圖4 DCS歷史記錄顯示#3、#4、#5瓦振在3000rpm附近存在共振峰值

（3）發電機前軸承（#7Y）軸振偏大，且隨機組負荷增加而有一定增加趨勢，根據東方電機廠600MW發電機近年運行情況分析，該現象與汽-發轉子中心偏差、軸系動不平衡及發電機轉子熱變量有關。

3.振動處理

對于某一個動力學系統，影響其振動大小的因素有以下三個因素：剛度、激振力、阻尼，要降低一個系統的振動水平，相應的可以針對以上三個方面采取以下措施，降低系統的激振力，增加系統的剛度，或增加系統的阻尼。

本機組根據現場難易程度，從三個方面分析入手，一是對于#3～6瓦振需要從其裝配及結構設計方面來查找原因，解決其瓦振偏大甚至大于軸振的問題；二是降低振動的激振力，具體說對于汽封帶水帶冷氣造成機組振動問題，就是設法使軸封溫度正常，消除由此產生的熱不平衡量，進而消除振動。對于低壓缸瓦振問題及#7軸振問題，就是通過進行現場精細動平衡的方式減小機組轉子的不平衡量，即通過現場動平衡的方式將機組軸振控制在一個比較低的水平（＜50μm）；三是增大該機組#3瓦的振動阻尼，但這一方案由于受現場條件的限制，幾乎無法實施。基于以上基本思想，制定以下故障處理方案。

3.1 系統優化

根據上述方案，電廠現場重點檢查了該機組的軸封和本體熱力系統，并對可能導致軸封進水或疏水不暢問題的系統進行改進完善。具體進行的工作有：

（1）完善軸封供汽系統。軸封供汽母管至高、中、低壓軸封支管上各有一道斜插式濾網處于垂直安裝狀態，而濾網筒體下部未安裝疏放水管，濾網筒體就相當于疏水灌，在機組啟動或停運過程中，濾網筒體積水無法排除，就會隨著軸封供汽進入軸封，導致軸封進汽溫度發生較大的變化，進而造成機組軸振變化。

經改變濾網安裝方向或增加疏放水管路，就可改善軸封進汽質量，保證軸封系統的穩定可靠。

（2）完善軸封減溫水系統。原設計汽輪機正常運行可實現自密封，高中壓缸末級軸封漏氣經減溫器減溫后供Ⅰ、Ⅱ低壓缸軸封用汽，實際減溫水來自凝結水系統，機組負荷變化造成凝結水壓力有0.4～0.7MPa的變化，會影響到減溫水壓力和流量。而減溫器后測溫元件的相對距離較近又會影響到減溫水調整閥的開度和進入低壓缸兩端軸封供汽的溫度。

經對減溫水管道增加Φ5的節流孔板，并將軸封減溫器后測溫元件后移，即可改善進入低壓缸軸封的供汽品質。

經系統優化，軸封系統趨于合理完善，機組啟停和運行中不再出現#1～4軸振產生較大波動的現象。也說明新裝機組在軸封系統的設計、安裝、調試方面需要早期考慮系統的合理完善，以減少機組啟動運行過程中的參數干擾。

3.2 缸體結構分析

168 h試運后，電廠利用停機機會檢查#3～#6軸承的安裝情況，沒有發現安裝、焊接等方面異常問題，由于現場已經采取了增加低壓缸軸承座支承的方式，試圖通過提高低壓缸軸承工作轉速下動剛度（即使支承軸承固有頻率遠離工作轉速），但這一方法沒能奏效。

考慮到該機組是東方汽輪機廠引進日立技術生產，目前國內投產的部分同類機組不同程度存在類似振動問題，電廠與制造廠就缸體結構方面進行了分析交流。制造廠認為：上述瓦振超標只是軸承箱蓋振動超標，并非反映軸瓦實際振動，主要考核軸振指標，并出具了可在上述瓦振水平長期運行的反饋意見。但根據現場就地測量，并不是像廠家所說只是“蓋振”超標，軸承中分面甚至包括整個缸體振動都嚴重超標，所以說制造廠這一說法缺乏理論依據。且在以后的機組計劃檢修中，對低壓缸各瓦進行進檢查發現，#3、4、5、6瓦（尤其是上瓦）的烏金部位有不同程度的脫胎和震裂現象，這進一步說明了，該振動對軸瓦具有一定的破壞力。因此，建議制造廠有必要從汽缸結構、金屬材料選型和焊接等方面考慮加強汽缸軸承座和端板的剛度，改變軸承座固有頻率，以從根本上解決該振動問題。

3.3 降低振動的激振力

在現場系統完善、汽輪機本體檢查及現場對軸承座加固后，低壓轉子支承軸承振動仍然超標。結合河南電力試驗研究院及制造廠兩方意見，考慮到機組安全運行及發電公司經濟效益等，決定機組暫時堅持運行，利用以后的停機機會，采用現場精細動平衡的方式，進行現場動平衡，即降低轉子的激振力，通過減小軸振進而控制低壓缸瓦振。

此后約1年時間內，利用該機組臨停機會，先后對該機組進行了二次動平衡處理，分別在低壓1、低壓2轉子及低發對輪上加重。處理后，（表2）機組在空載及帶負荷情況下，#1～#8軸振均小于50 μ m。由于機組軸振已經降低到了很低的水平，對于機組軸承來說，激振力已經非常小，低壓缸瓦振也都控制到了40 μ m以內，達到合格水平，在振動方面機組具備了安全穩定運行的條件。

4.結論

（1）引起該機組低壓缸兩端軸承振動大問題的根本原因是低壓轉子支承軸承固有頻率在工作轉速附近，造成該軸承動剛度偏低，具體表現為瓦振與軸振相比明顯偏大，甚至出現瓦振超過軸振的現象。實際中反映出國內生產、質量、工藝、材料等方面存在著消化、吸收國外先進技術方面時仍然存在一定的問題。

（2）處理低壓缸軸承振動大問題，從理論上分析具體可以從兩方面采取措施，即增強其動剛度或降低激振力。結合現場情況，前者實施起來一般帶有一定的盲目性，效果不可預測，一般很難將機組振動降低到合格范圍內；而后者現場可操作性強，實施方便，投入少，所有完全利用機組臨停時間來進行，不需要單獨對機組進行啟、停操作，且經過處理后機組瓦振在各種負荷下都能控制到50 μ m以內。

（3）需要考慮新裝機組在軸封系統的設計、安裝方面系統的合理完善，以減少機組啟動運行過程中參數干擾。本機組啟動初期出現#1～4軸振偏大或波動大的原因是軸封系統存在軸封易進水的設計、安裝方面的缺陷。經系統優化后軸封系統趨于完善，機組啟停和運行中不再出現#1～4軸振偏大或產生較大波動現象。

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The Vibration Failure diagnosis and Treatment of domestic 600MW Steam Turbo-set

Zhu xiaohong Yao jiexin NanYang TianYi Power Generation CO.LTD

Since the unit went into production, it always has the question of bearing bush over-proof vibration in LP rotor. The article analyzes the basic reason, and describes the attempt at increasing the bearing’s dynamic stiffness. Through increasing weight on #1 rotor,#2 rotor and coupling between LP cylinder and generator, and making the field dynamic balancing experiment, the problem is solved by vibration reduced to below 50 μ m.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.16.068

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1、朱小紅（1970 -）男， 河南南陽人，生產技術部主任，長期從事發電設備管理工作。

2、姚杰新(1964 -)，男， 河南南陽人，高級工程師，長期從事發電設備管理工作