大型9FA燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的振動(dòng)試驗(yàn)研究及處理

吳文健，吳 斌，戴惠慶

（1.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315208）

0 引言

21世紀(jì)初，國家“西氣東輸”開發(fā)工程配套了大量天然氣發(fā)電項(xiàng)目，陸續(xù)引進(jìn)了國際先進(jìn)的大型燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組（簡(jiǎn)稱燃機(jī)），其中美國GE公司生產(chǎn)的F級(jí)燃機(jī)最多，目前在全國已投產(chǎn)幾十余臺(tái)。作為“西氣東輸”和“東海氣源”的配套工程，浙江省已在半山、蕭山、鎮(zhèn)海、余姚等發(fā)電廠投產(chǎn)大型9F級(jí)燃機(jī)10余套。

美國GE公司生產(chǎn)的390MW等級(jí)燃機(jī)由PG9315FA型燃?xì)廨啓C(jī)、D10型三壓有再熱系統(tǒng)的雙缸雙流式汽輪機(jī)、390H型氫冷發(fā)電機(jī)組成。燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子剛性地串聯(lián)在1根長軸上，燃?xì)鈾C(jī)組主軸分為4段：燃機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子、高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，均為整鍛實(shí)心轉(zhuǎn)子，每段轉(zhuǎn)子均由2個(gè)徑向軸瓦支撐。

9FA燃機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、布局簡(jiǎn)單、節(jié)省廠房投資等優(yōu)點(diǎn)，但由于設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行等原因，機(jī)組陸續(xù)出現(xiàn)了熱瞬變振動(dòng)、油膜渦動(dòng)和油膜振蕩、動(dòng)靜碰磨等振動(dòng)問題，給機(jī)組安全運(yùn)行帶來了威脅。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)其振動(dòng)特性和特征進(jìn)行研究，提出了有效的解決措施，徹底解決了振動(dòng)問題，確保了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 熱瞬變振動(dòng)的研究及處理

9FA燃機(jī)軸系布置如圖1所示。該機(jī)組1號(hào)瓦為可傾瓦，2號(hào)瓦為橢圓瓦。

圖1 軸系布置示意

1.1 振動(dòng)現(xiàn)象

9FA型機(jī)組在冷態(tài)啟動(dòng)至機(jī)組定速3 000 r/min時(shí)，1，2號(hào)軸振會(huì)出現(xiàn)先爬升、后慢慢回落的過程，即熱瞬變振動(dòng)現(xiàn)象，如圖2所示，這是由9FA燃機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的。壓氣機(jī)和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子是盤鼓式拉桿結(jié)構(gòu)，并設(shè)有抽氣口。在啟動(dòng)期間，這些抽氣口在抽氣時(shí)會(huì)引起轉(zhuǎn)子微小的熱不對(duì)稱，導(dǎo)致熱態(tài)瞬變的振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。

轉(zhuǎn)子加熱遵循一定的流向性，即從前到后逐步由冷變熱，從表面到中心具有自然的溫度梯度。但由于盤級(jí)的存在，每個(gè)輪盤尺寸不同，將會(huì)造成各個(gè)輪間的溫度梯度不一樣，使得轉(zhuǎn)子受熱不均勻，從而產(chǎn)生振動(dòng)爬升現(xiàn)象。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，溫度不均勻狀況得到改善，振動(dòng)逐步回落。

圖2 9FA燃機(jī)轉(zhuǎn)子熱瞬變振動(dòng)現(xiàn)象

不同機(jī)組由于制造、安裝以及原始不平衡情況都不一樣，振動(dòng)爬升情況也不一樣。較多機(jī)組往往爬升到振動(dòng)保護(hù)值而跳機(jī)，使得機(jī)組無法正常并網(wǎng)運(yùn)行，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1.2 振動(dòng)診斷

熱態(tài)瞬變振動(dòng)現(xiàn)象是9FA燃機(jī)轉(zhuǎn)子的固有特性，部分機(jī)組存在熱態(tài)瞬變振動(dòng)過大導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)的情況，需要多次啟動(dòng)才能成功。對(duì)熱瞬變振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)爬升以工頻分量增加為主，同時(shí)時(shí)間較長，因此認(rèn)為是典型的熱彎曲振動(dòng)，可以通過熱態(tài)動(dòng)平衡的手段來處理[1]。

雖然通過熱態(tài)動(dòng)平衡可以降低熱態(tài)瞬變的振動(dòng)值，但有可能會(huì)給機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)產(chǎn)生負(fù)面影響，因此需要綜合考慮熱態(tài)瞬變最大振動(dòng)值以及機(jī)組3 000 r/min和各種典型負(fù)荷工況下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，使之處于一個(gè)合理的水平。

1.3 處理案例

2009年6月，半山發(fā)電廠1號(hào)燃機(jī)剛到3 000 r/min定速時(shí)，1Y，1X 振動(dòng)僅為 14 μm 和 10 μm，運(yùn)行半小時(shí)后，1Y，1X振動(dòng)就爬升到209 μm和190 μm，具體數(shù)據(jù)見表1。機(jī)組因振動(dòng)大停機(jī)，此后經(jīng)過2次啟動(dòng)后機(jī)組才并網(wǎng)運(yùn)行，為此決定通過熱態(tài)動(dòng)平衡技術(shù)來降低熱瞬變振動(dòng)值。熱態(tài)動(dòng)平衡時(shí)，選擇跳機(jī)時(shí)的數(shù)據(jù)作為熱瞬變振動(dòng)的極大值，結(jié)合機(jī)組3 000 r/min及高負(fù)荷下的振動(dòng)值，在燃機(jī)轉(zhuǎn)子上靠2號(hào)瓦端加重0.7 kg∠290°，加重前后燃機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)見表1。

表1 半山1號(hào)燃機(jī)加重前后振動(dòng)數(shù)據(jù)

通過動(dòng)平衡技術(shù)，有效解決了1號(hào)燃機(jī)振動(dòng)爬升的問題，減少了機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)次數(shù)，經(jīng)濟(jì)效益比較可觀。該技術(shù)后續(xù)應(yīng)用于其他燃機(jī)的熱瞬變振動(dòng)處理，均取得較為滿意的效果。

2 油膜渦動(dòng)和油膜振蕩的研究及處理

油膜振蕩是由于滑動(dòng)軸承中的油膜作用而引起的旋轉(zhuǎn)軸自激振蕩，它是由油膜渦動(dòng)在一定條件下發(fā)展而成的，是屬于同一本源的物理現(xiàn)象，當(dāng)條件成熟時(shí)（如轉(zhuǎn)速足夠大或有足夠的外部干擾），油膜渦動(dòng)就會(huì)發(fā)展成油膜振蕩。油膜渦動(dòng)既不收斂也不擴(kuò)散，大部分振動(dòng)只限于軸頸部分，但油膜振蕩的軌跡是擴(kuò)散的，并隨著時(shí)間的推移擴(kuò)散到從軸頸到轉(zhuǎn)子整個(gè)部分，其能量之大足以破壞整個(gè)系統(tǒng)。

2.1 振動(dòng)現(xiàn)象

半山發(fā)電廠1號(hào)燃機(jī)于2005年5月18日首次開機(jī)，隨后機(jī)組進(jìn)入各項(xiàng)試驗(yàn)，燃機(jī)每天啟停1次。初期燃機(jī)穩(wěn)定在3 000 r/min一段時(shí)間后，高中壓轉(zhuǎn)子的3號(hào)和4號(hào)軸振間斷性出現(xiàn)半頻分量，但其分量都還比較小，未引起足夠重視。隨著啟動(dòng)次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間的增加，3號(hào)、4號(hào)軸振間斷性振動(dòng)變得頻繁、幅值增大。7月1日，機(jī)組在3 000 r/min下3號(hào)瓦振動(dòng)突然出現(xiàn)較大的半頻分量，使得振動(dòng)幅值超過210 μm而被迫緊急停機(jī)，3Y與4Y振動(dòng)頻譜見圖3與4。

圖3 3Y頻譜圖

圖4 4Y頻譜圖

2.2 振動(dòng)分析

從機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象和振動(dòng)頻譜圖可見[2]，初期3與4號(hào)瓦的振動(dòng)突升雖然變化較小，但基頻振動(dòng)基本不變，振動(dòng)變化量以半倍頻為主，是輕微的油膜渦動(dòng)。7月1日，燃機(jī)停機(jī)時(shí)3Y振動(dòng)的24 Hz分量為 150 μm， 而 50 Hz分量為 50.9 μm，4Y振動(dòng)的24 Hz分量為139 μm，而50 Hz分量?jī)H為13.8 μm，半頻分量已經(jīng)明顯超過了工頻分量，機(jī)組已由油膜渦動(dòng)發(fā)展成了油膜振蕩。發(fā)生油膜振蕩后，振動(dòng)不再以工頻為主，且不存在油膜渦動(dòng)時(shí)振動(dòng)來回跳躍的情況，只有機(jī)組解列并將轉(zhuǎn)速降到2 700 r/min以下，油膜振蕩才基本消失。

2.3 處理結(jié)果

由上面分析可知機(jī)組發(fā)生了油膜渦動(dòng)和油膜振蕩，因此要立足于增加軸承的穩(wěn)定性和動(dòng)剛度，加大軸承比壓來消除油膜振蕩。為此在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工期比較緊的情況下，盡量采取現(xiàn)場(chǎng)能夠采取的處理方法：

（1）提高潤滑油進(jìn)油溫度，加大3號(hào)和4號(hào)瓦的進(jìn)油量。

（2）提高3號(hào)和4號(hào)軸承標(biāo)高130 μm。

（3）3號(hào)瓦往右調(diào)整300 μm，4號(hào)瓦往右調(diào)整20 μm，使高中壓轉(zhuǎn)子盡可能在平衡汽機(jī)軸系的中心找正。

（4）對(duì)3號(hào)和4號(hào)軸承下半3塊瓦，左右兩邊各減少2 cm的軸瓦工作面寬度，以增大軸承比壓。

實(shí)施以上措施后，機(jī)組多次啟停并在帶負(fù)荷情況下連續(xù)幾十小時(shí)運(yùn)行，3號(hào)、4號(hào)軸振振動(dòng)穩(wěn)定，無低頻振動(dòng)分量出現(xiàn)。燃?xì)鈾C(jī)組在正常運(yùn)行條件下，油膜振蕩已經(jīng)得到有效控制。

3 動(dòng)靜碰摩的研究及處理

動(dòng)靜碰摩是汽輪機(jī)組啟停和運(yùn)行中常見的故障。碰摩的原因涉及到多方面：設(shè)計(jì)通流間隙過小、膨脹系統(tǒng)不合理；制造加工超差、大件原材料熱處理不適當(dāng)；現(xiàn)場(chǎng)安裝軸系標(biāo)高、揚(yáng)度、對(duì)輪對(duì)中、高差、張口不合格或設(shè)計(jì)部分提供的要求不正確；運(yùn)行參數(shù)控制不當(dāng)；檢修缺陷等。如鎮(zhèn)海發(fā)電廠9F燃機(jī)就出現(xiàn)過嚴(yán)重的動(dòng)靜碰摩振動(dòng)問題。

3.1 振動(dòng)現(xiàn)象

2007年6月1日，鎮(zhèn)海發(fā)電廠12號(hào)燃機(jī)首次啟動(dòng)，機(jī)組振動(dòng)正常，3 000 r/min下各瓦振動(dòng)均小于60 μm，其3號(hào)瓦Y向振動(dòng)波特圖如圖5所示。6月12日在超速試驗(yàn)后的停機(jī)降速過程中，回到3 000 r/min時(shí)振動(dòng)較以前正常情況下有所上升，特別在降速過程中，3Y與3X振動(dòng)大幅上升，降至1 000 r/min以下時(shí)，振動(dòng)高達(dá)120 μm以上（見圖6），4Y與4X也較平常停機(jī)過程的振動(dòng)要大很多。停機(jī)盤車1.5 h后，機(jī)組冷拖至699 r/min，僅10 min后，3Y與3X振動(dòng)就由24 μm 和 23 μm 爬升至 118 μm 和 114 μm， 振動(dòng)爬升主要以一倍頻為主，隨即緊急停機(jī)。到盤車轉(zhuǎn)速后， 轉(zhuǎn)子偏心達(dá) 100 μm（原始偏心為 32 μm）。

圖5 正常情況下3Y降速過程波特圖

圖6 異常情況下3Y降速過程波特圖

3.2 振動(dòng)分析

從以上振動(dòng)現(xiàn)象來看，振動(dòng)的主要成分為工頻分量，屬強(qiáng)迫振動(dòng)，引起振動(dòng)的可能原因有：聯(lián)軸器對(duì)中不良或螺栓松動(dòng)；軸承剛度變?nèi)酰粍?dòng)靜碰摩。

聯(lián)軸器對(duì)中不良或螺栓松動(dòng)引起的振動(dòng)應(yīng)有突變過程，突變后振動(dòng)穩(wěn)定，影響較大是聯(lián)軸器兩端的振動(dòng)，而該機(jī)組為3號(hào)和4號(hào)瓦振動(dòng)大，振動(dòng)始終爬升且不穩(wěn)定，可以排除。軸承座剛度不足引起的振動(dòng)會(huì)發(fā)散，但爬升過程相位基本不變，低轉(zhuǎn)速振動(dòng)也不會(huì)變大，再檢查3號(hào)和4號(hào)軸承能影響接觸剛度的螺栓等均正常，可以排除軸承座剛度變?nèi)醯那闆r。

振幅增加、振幅變化均以一倍頻為主，停機(jī)過程比升速過程振動(dòng)明顯增大等特征完全符合動(dòng)靜碰摩故障。可以判斷機(jī)組產(chǎn)生的振動(dòng)是動(dòng)靜碰摩引起，同時(shí)分析認(rèn)為碰摩部分就在高中壓轉(zhuǎn)子跨度內(nèi)。

3.3 處理結(jié)果

打開高、中壓缸外缸發(fā)現(xiàn)：高壓外軸汽封齒斷裂，高壓隔板汽封齒破損嚴(yán)重，所有12級(jí)汽封齒的高齒都已經(jīng)被磨平；高、中壓轉(zhuǎn)子往燃機(jī)方向移動(dòng)，高壓部分轉(zhuǎn)子與汽封齒發(fā)生軸向碰摩，中壓部分轉(zhuǎn)子跟隔板汽封未發(fā)生碰摩。表現(xiàn)在振動(dòng)上為3號(hào)瓦軸振較4號(hào)瓦軸振幅度和角度變化更大。

多次測(cè)量汽封軸向間隙、徑向間隙、K值、隔板洼窩中心等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)K值定位出錯(cuò)，即高、中壓汽缸向發(fā)電機(jī)側(cè)移位約3～3.5 mm，使得缸內(nèi)轉(zhuǎn)子動(dòng)靜間隙一側(cè)偏小3～3.5 mm，由此引起機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生動(dòng)靜碰摩。

為此重新調(diào)整K值：轉(zhuǎn)子軸系往發(fā)電機(jī)方向移動(dòng)0.9 mm，高、中壓缸往燃機(jī)方向移動(dòng)2.65 mm。處理后機(jī)組振動(dòng)均在優(yōu)良范圍內(nèi)，且振動(dòng)平穩(wěn)，未再出現(xiàn)爬升、波動(dòng)情況。

4 結(jié)語

目前，在國內(nèi)投產(chǎn)運(yùn)行的9F燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組不斷增多，作為調(diào)峰機(jī)組啟停頻繁，其振動(dòng)問題顯得尤為重要。通過投運(yùn)機(jī)組的振動(dòng)研究，其熱態(tài)瞬變振動(dòng)現(xiàn)象作為9FA燃機(jī)的固有特性，要通過各工況下振動(dòng)值全面考慮，最終通過熱態(tài)動(dòng)平衡加以解決。對(duì)危害性較大的的油膜渦動(dòng)和油膜振蕩，要從加大軸承穩(wěn)定性方面入手，具體措施應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況有所側(cè)重。對(duì)動(dòng)靜碰摩問題，要加強(qiáng)安裝時(shí)的質(zhì)量把關(guān)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定控制好間隙，以確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]吳文健，童小忠，應(yīng)光耀，等.浙江省內(nèi)國產(chǎn)化600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)綜合治理[J].浙江電力，2010，29（10）：28-31.

[2]童小忠，應(yīng)光耀.半山1號(hào)燃?xì)鈾C(jī)組油膜渦動(dòng)和油膜振蕩分析及處理[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48（1）：63-66.

[3]應(yīng)光耀，童小忠，吳文健.9F聯(lián)合循環(huán)機(jī)組嚴(yán)重碰摩診斷分析及處理[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2010，52（1）：74-76.