發(fā)電機組振動分析及處理

侯國元

作者通聯(lián)：寶鋼工業(yè)技術服務有限公司診斷部 上海市寶山區(qū)寶林七村29樓601室 201900

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一、概述

寶鋼自備電廠0#發(fā)電機組為150MW燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電機組，雙軸布置，由燃氣輪機、空氣壓縮機、煤氣壓縮機、減速箱、蒸汽輪機及發(fā)電機組成。如圖1所示，該機組自左至右為燃氣輪機（GT）、空氣壓縮機、煤氣壓縮機高壓缸（HP）和低壓缸（ LP）、減速箱、蒸汽輪機（ ST）、發(fā)電機（ G）及勵磁機（E），發(fā)電機與勵磁機為三支撐結構。發(fā)電機轉速3000r/min，額定功率176.2MW，額定電壓15000V，額定電流6782A，一臨界轉速 700～900r/min，二臨界轉速 2200～2600r/min，轉子重量 41500kg。

發(fā)電機汽機端在更換接地碳刷后振動出現(xiàn)緩慢上升并在三天后達到報警值。經(jīng)多次振動測試、頻譜分析、油溫試驗，最終確定發(fā)電機振動故障的原因為軸瓦油膜失穩(wěn)，通過增加該軸承座標高使得該點載荷增大，從而消除了油膜失穩(wěn)故障，振動恢復正常。

二、故障過程及振動分析

1.故障過程

圖1 0#機組結構示意圖

2009年1月16日，電廠0#發(fā)電機組更換接地碳刷后，工作狀態(tài)下發(fā)電機前后端及勵磁機自由端軸振動出現(xiàn)大幅波動并緩慢上升，至19日發(fā)電機ST端和勵磁端軸振動分別由22μm、20μm 上升到 85μm、62μm，軸承座水平振動也都＞4mm/s。 去掉接地碳刷后，各點振動下降20μm左右后又開始持續(xù)上升。由于春節(jié)臨近，電廠決定維持運行至節(jié)后再停機檢查。2月9日停機檢查發(fā)電機ST端軸瓦，發(fā)現(xiàn)下瓦中部巴氏合金有100mm×30mm的磨損，但用手摸沒有痕跡感，說明磨損較輕，軸頸也有磨損的痕跡；軸瓦頂隙經(jīng)檢查為0.58mm，廠家所給標準為0.53～0.71mm，處于標準下限。由于高爐煤氣不足，對軸頸和軸瓦磨損部位處理后，該機一直處于備用狀態(tài)。

機組于3月18日上午9：30按計劃開機，升速至3000r/min，但由于煤壓機低壓缸靜葉調(diào)節(jié)液壓缸不動作，不得已打閘停機，經(jīng)處理后晚上21：20左右開機，機組運行正常，發(fā)電機ST端最大振動19μm，勵磁端振動20μm，GT聯(lián)軸端振動78μm，發(fā)電機負荷110MW。此時發(fā)電機振動雖然很小，但振動趨勢圖顯示振動波動較大，且有緩慢上升的趨勢，至4月1日，發(fā)電機ST端振動升至72μm，勵磁端振動升至 52μm，波動量達30μm，且振動有繼續(xù)增大的趨勢。從以上現(xiàn)象看，發(fā)電機已存在較嚴重的故障，需要及早對故障進行診斷處理，否則不僅會影響機組的正常運行，還有可能造成重大事故。

2.振動測試系統(tǒng)

發(fā)電機組安裝有渦流探頭和Bently 3300在線監(jiān)測系統(tǒng)，渦流探頭靈敏度為7.87mV/μm。為此使用振動測試系統(tǒng)（圖2）對機組軸振動進行測試和分析，除此之外，測量和記錄機組在停機、低速及工作轉速下渦流探頭的間隙電壓，低速下晃動值，軸瓦溫度及頂軸油壓力等參數(shù)。

圖2 振動測試系統(tǒng)

3.振動分析

表1為3月18日開機后，發(fā)電機400r/min時各渦流傳感器的晃動值。因為低速下轉子不平衡等引起的振動可以忽略，此時渦流傳感器的指示值為轉子的晃動值，晃動值的大小主要由轉子的彎曲、聯(lián)軸器的對中、測量軸頸表面各參數(shù)不均勻引起。從表1中看出，各點晃動值都在25μm以下，這說明轉子沒有永久彎曲且冷態(tài)對中情況良好。

表1 各渦流傳感器的晃動值（400r/min時）μm

表2為機組在各工況下渦流探頭的間隙電壓。間隙電壓的變化表示軸在軸承中的位置變化情況，從表2中看出，隨著轉速升高，轉子在軸承中的位置被抬高，其中發(fā)電機ST端被抬高幅度較大。

表2 各渦流傳感器的間隙電壓值 V

表3為工作狀態(tài)下各點振動隨時間的變化情況。表3中可以看出，在負荷基本不變的情況下，發(fā)電機ST端振動隨時間緩慢上升且振動波動明顯大于其他各點，達30μm。

表3 各測點振動隨時間變化情況 μm

表4為各點軸瓦溫度值，表中看出發(fā)電機ST端軸瓦溫度明顯低于其他各點，因為發(fā)電機轉子質(zhì)量分布大致對稱，兩端軸瓦參數(shù)相同，這說明ST端軸瓦承載較小。

表4 各軸瓦溫度值（負載110MW）℃

上述數(shù)據(jù)的分析可知，發(fā)電機ST端軸振動有以下特點：在機組啟動及并網(wǎng)初期，發(fā)電機ST端振動較小，振動波動也在正常范圍內(nèi)，隨著時間的推移，振動逐漸增大，振動波動幅度也逐漸增大；該點在額定轉速情況下，轉子抬高幅度明顯大于其他各軸承位置；該點軸瓦溫度明顯低于其他各軸承。在大型機組中，穩(wěn)定工況下振動如果波動較大且逐漸上升，一般都是由軸瓦或密封等動靜摩擦、軸瓦自激振動以及流體激振等引起的，顯然發(fā)電機可以排除流體因素；軸瓦溫度低，說明該軸承回油量較大或者該點載荷較小；轉子抬高幅度較大，除了聯(lián)軸器的原因外，還說明該點標高在靜態(tài)下較低，運行情況下被相鄰軸承抬高。

從發(fā)電機兩端軸振動頻譜、時域及軸心軌跡圖（負載110MW）可看出，發(fā)電機前后端軸振動頻譜以低頻13.5Hz、主頻50Hz為主，時域波形和軸心軌跡都比較紊亂。用磁帶機和CF-920回放數(shù)據(jù)看，主頻十分穩(wěn)定，而13.5Hz譜峰波動較大，是發(fā)電機振動大幅波動的根源。發(fā)電機第一臨界轉速為700～900r/min，頻率13.5Hz正好在發(fā)電機一界臨界轉速區(qū)間，這是軸瓦自激振動的一個重要特征。根據(jù)發(fā)電機ST端轉子抬高幅度大、軸瓦溫度低以及13.5Hz的頻率特征，分析認為發(fā)電機ST端軸瓦載荷較低從而引起不穩(wěn)定的軸瓦自激振動。

三、處理及效果

軸瓦自激振動一般多發(fā)生于高速低載荷轉子上，消除或減小軸瓦自激振動一般通過兩種方法來解決，一是減小轉子擾動力，一般是調(diào)整轉子平衡和對中狀態(tài)；二是增加軸承穩(wěn)定性，可以通過減小軸瓦間隙、增大比壓、減小軸瓦長徑比、升高油溫、調(diào)整載荷分布等來得到改善。由于軸瓦間隙已經(jīng)在標準下限，因此決定采取先升高油溫，增加油膜剛度，以期能夠改善軸承的穩(wěn)定性。然后在適當時間升高該點軸瓦標高，增大該點軸承載荷，從而能夠減小或消除自激振動。

3月27日做升高潤滑油溫度試驗，潤滑油溫度由43℃升至47℃，發(fā)電機ST端最大振動由65μm降至56μm，振動波動由原來的30μm減小到大約6μm，軸瓦溫度也上升到63℃。但從27日至30日的振動看該點振動還在緩慢上升，但速度減緩，由原來每天大約上升6μm降至每天上升3μm。這說明雖然故障沒有根除，但通過升高油溫降低潤滑油黏度使振動情況好轉，也證明了振動確實由軸瓦自激振動引起。

調(diào)整油溫后機組維持運行至4月1日，決定停機調(diào)整發(fā)電機軸承標高。停機后先檢查軸中心，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機ST端軸中心比汽輪機轉子在冷態(tài)下低0.4mm。工作狀態(tài)下，由于汽輪機溫度遠高于發(fā)電機，在熱態(tài)下發(fā)電機的軸承座標高與汽輪機相比會更低，使該點軸瓦載荷較小，引起軸瓦自激振動。正常的對中方法是發(fā)電機軸承座標高在冷態(tài)下要高于汽輪機，從而在熱態(tài)下可以達到對中狀態(tài)。

重新調(diào)整后的發(fā)電機軸承座標高比汽輪機高0.05mm。4月22日機組開機，發(fā)電機各點振動正常，振動值保持穩(wěn)定（表5），發(fā)電機ST端頻譜圖上低頻分量消失，說明軸瓦自激振動引起的油膜失穩(wěn)已經(jīng)消除。至此發(fā)電機故障已經(jīng)排除，可以正常運行。

表5 檢修后各測點振動值 μm

四、總結

大型發(fā)電機組在進行故障分析時，除了對正常工況下的振動進行測量分析外，還要對停機、啟動及空載狀態(tài)的瓦溫、軸瓦間隙、晃動值、振動變化情況以及油壓等進行綜合分析，尤其對于軸瓦自激振動故障的診斷和處理，還應該對歷史檢修記錄進行分析研究，只有這樣才能更準確地找出故障。