300 MW供熱機組突發性振動分析及處理措施

董 曄

(河北華電石家莊鹿華熱電有限公司，石家莊 050200)

振動是汽輪發電機組健康狀況的重要指標，振動超標時會影響設備安全及正常生產，需要進行處理，現場主要采取停機檢修或加重的方式消除故障缺陷，但這種處理方式涉及面廣、工作量大，受現場人力、物力、工期、效益甚至社會影響等諸多因素的制約，因此不容易實現。在振動故障原因的基礎上，根據振動機理預判振動發展趨勢，通過采取合理的簡便控制措施經常能達到滿意的效果，對某些振動故障來說是現場處理的有效手段。下面介紹某臺300 MW供熱機組出現的突發性振動特征及采取的運行控制措施，為類似振動故障的現場處理提供參考。

1 振動概況

某供熱機組為C300/220-16.7/0.3/537/537型沖動式、亞臨界、中間再熱、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機。汽輪發電機組軸系由高中壓轉子、低壓轉子、發電機轉子及集電環轉子組成，各轉子之間均采用剛性聯接。軸系由7個軸承支撐，汽輪機2個轉子為雙支承方式，發電機與集電環采用三支承。低壓轉子設計臨界轉速為1 750 r/min。

機組于2004年投產以來軸系振動一直較小，于2007年8月20日大修后啟動，運行正常，軸系振動在優良范圍內，連續運行5個月后于2008年1月20日供熱期內首次出現突發性振動，持續約20 min后逐步消失，隨后于1月21日、22日再次出現，突發性振動有間隔時間縮短、持續時間逐次增長的惡化趨勢。振動增大后運行人員通過調整負荷、采暖抽汽、低壓軸封溫度等參數抑制振動并使振動恢復，但采取的措施關聯性、再現性不強，具有隨機性。如果不采取措施，振動則呈發散趨勢，振動幅值最大超過跳閘值，因此突發性振動出現后運行人員只能盲目調整運行工況，嚴重威脅著機組的安全運行及供熱區居民的正常生活。

2 振動測試分析

現場接入振動儀器后進行負荷、采暖抽汽、低壓軸封溫度等關聯參數調整試驗未能激發出振動，于是進行連續監測，于2008年1月23日5:40捕捉到第四次突發性振動，當時運行工況、參數穩定，負荷240 MW、真空-98 kPa、低壓軸封溫度150 ℃、潤滑油溫度為39 ℃、供熱抽汽量120 t/h。

2.1 突發性振動特征

2.1.1 振動部位

突發性振動主要發生在低壓轉子，對相鄰瓦振動有一定影響，其余瓦波動較小，軸振變化遠大于軸瓦振變化。3號軸瓦振動變化量最大，測試時3號軸振由65 μm最大變化到148 μm,瓦振由16 μm最大變化到35 μm， 4號、2號、5號軸瓦振動變化依次減小。振動趨勢見圖1。

2.1.2 幅值相位特性

正常運行時低壓轉子振動一直小幅波動，在突發性振動發生前存在緩慢爬升趨勢，然后在幾十秒內迅速增大到高位后大幅波動，經調整運行工況振動逐步回落但存在反復，而整個過程振動工頻幅值、相位基本穩定，見圖2。

圖1 振動趨勢

圖2 振動幅值相位趨勢

2.1.3 頻率特性

正常運行時存在幅值為4～6 μm的20 Hz低頻分量，突發振動時該20 Hz低頻分量成為主頻，其它頻率分量穩定，振動Waterfall圖見圖3。

圖3 振動Waterfall示意

2.1.4 軸心軌跡

振動突發時軸心軌跡發生畸變，正常運行時為不規則的橢圓形，突發性振動后呈現多重交叉的8字形，軸心軌跡圖見圖4。

圖4 振動軸心軌跡

2.1.5 現場檢查

振動增大時現場聽到明顯的“咚咚”聲；3號軸瓦頂軸油壓力只有0.5 MPa，較其它瓦明顯偏低；3號軸瓦溫較相鄰瓦的2號軸瓦溫度明顯偏低，最大相差32 ℃。

2.1.6 升降速振動特性

某次熱態啟動過程中低壓轉子在1 200 r/min出現振動峰值，相位變化劇烈，與突發性振動的主頻率相對應，而在設計值1 750 r/min附近沒有出現明顯臨界特性，見圖5。

圖5 低壓轉子振動BODE

2.2 原因分析

由振動性質分析3號軸瓦發生了油膜失穩，且處于失穩的臨界狀態，表明軸瓦穩定性降低，因此對外界干擾比較敏感。

正常運行時軸頸上的載荷、油膜壓力及阻尼力保持平衡，軸頸在軸承內繞其中心高速旋轉，當外界存在的各種擾動使軸頸離開平衡位置產生初始偏移時，油膜變形將產生一個沿變形方向的彈性恢復力和一個垂直于變形方向的切向分力，這個切向分力就是破壞軸頸在軸承內的穩定性引起渦動的失穩分力，一旦發生渦動以后因為整個轉子在圍繞平衡位置渦旋使失穩分力更大，增大的切向力進一步推動軸頸渦動，愈演愈烈[1]。由于受到阻尼力的約束，渦動幅度不會無限放大，決定于失穩力輸入能量與阻尼力消耗能量的平衡，二者失衡時造成渦動幅度的收斂或發散，二者平衡時則處于失穩的臨界狀態，表現為振動的隨機性、突發性、可控性以及對運行參數的敏感性[2]。

軸瓦穩定性是滑動軸承的動特性，除與軸瓦型式有關外，還與軸頸在軸瓦中的位置有關，即決定于軸頸中心與軸瓦中心之間偏心距e的大小，e越大穩定性越好。

(1)

式中：P為比壓；ψ為軸承相對間隙；μ為潤滑油動力粘度；ω為轉速。由式(1)看出，軸瓦的穩定性與軸瓦參數、載荷、潤滑油及轉速有關。

現場檢查，軸瓦工藝參數、聯軸器中心偏差等檢修數據均在規程要求范圍內，振動突發時運行工況基本穩定，但根據瓦溫、頂軸油壓力、實測臨界轉速值等數據分析，3號軸瓦載荷較小，影響系統動力特性，一方面使軸系臨界轉速降低，另一方面系統阻尼及轉子渦動轉速同步下降，如果渦動頻率接近轉子臨界轉速時渦動振幅共振放大極易發散產生強烈振動。該機組冷態找中心時預留一定的偏差量(中低對輪設計值為低側高0.38 mm)以補償熱態下軸承標高的變化，使機組運行中軸系保持平滑曲線，但實際運行中由于低壓轉子座缸式軸承受真空影響較大，而2號軸承靠近中壓排汽缸受其熱輻射影響使軸承升高較多，現場標高偏差實測超過0.5 mm，超過預留的偏差量，造成3號軸瓦輕載，使其處于失穩的邊緣，易發生油膜失穩。

3 處理措施

據該機突發性振動性質及檢查結果分析，消除突發性振動的途徑主要從提高3號軸瓦的穩定性著手。軸瓦穩定性除了與軸瓦型式有關外，與載荷、間隙比呈遞增關系，與轉速、潤滑油粘度呈遞減關系，因此可以采取以下措施。

a. 改變軸瓦參數：可通過更換穩定性好的軸瓦型式、下瓦開槽、減小軸瓦長徑比、減小軸承頂部間隙增加橢圓度等實現。

b. 提高軸瓦載荷：可通過調整軸承座標高來實現，即通過加(減)墊片調高(低)載荷低(高)軸承的標高。依據傳遞矩陣法計算得出的各瓦標高變化0.1 mm對3號軸瓦載荷的相對影響見表1，可看出調整3號瓦標高影響載荷最敏感。

表1 各軸瓦標高調整0.1 mm對3號軸瓦載荷的影響

軸承號1號2號3號4號載荷影響0.5%9.7%11.8%4.2%

c.降低潤滑油粘度：可通過關小冷卻水門提高進油溫度來實現。

考慮到現場條件及各處理手段的可操作性，確定先提高潤滑油溫運行、再利用檢修機會調整軸瓦標高的處理方案。隨后將潤滑油溫提高至運行上限值45 ℃后，振動逐漸恢復并一直穩定運行。

4 結束語

通過運行過程控制消除振動故障是現場振動處理的有效手段之一，可大大簡化現場處理過程而且效果明顯，通過調整油溫抑制油膜失穩造成的突發性振動是現場較為實用的手段。但這種處理方式也存在較大的責任和風險，也不能消除振動根源，因此宜作為現場處理振動的首選輔助措施。基于上述分析，該機組于2008年9月檢修時將3號軸瓦標高抬高0.1 mm 并將油溫恢復正常范圍，修后2號、3號軸瓦溫由修前的70 ℃/82 ℃、55 ℃/50 ℃變為67 ℃/72 ℃ 、64 ℃/58 ℃，溫差趨于合理，運行至今沒有再發生突發性振動故障。

參考文獻：

[1] 陸頌元.汽輪發電機組振動[M].北京：中國電力出版社,2000.

[2] 施維新.汽輪發電機組振動與事故[M].北京：中國電力出版社,1998.