50MW發電機組振動超標原因分析與處理

何楊柯

(中國石化股份有限公司九江分公司，江西 九江 332004)

1.概述

某國產50MW發電機組，汽輪機為高壓、單缸、單軸、雙抽汽、沖動冷凝式汽輪機組；配套QFJ-60-2 10.5KV型號發電機，使用靜止勵磁裝置。2013年初機組試運行，汽輪機轉子軸振動值過高導致機組停機。機組結構示意圖見圖1。

圖1

2.振動特征及測量數據

(1)汽輪機轉子振動特征

機組升速過程中轉子不穩定，過臨界轉速1 442r/min時振動較大。轉速達到2 200r/min后，2#軸承的振動達到130μm報警值，轉速2 800r/min后2#軸承的振動值起伏波動，轉子穩定性變差，機組在3 000r/min上運行只維持了很短時間。由于2#軸承振動持續升高、超過150μm導致停機，跳車后該軸振動持續上升并超過200μm。軸承振動數據見表1。

表1 汽輪機軸振動數據

(2)發電機4#軸承座振動特征

發電機軸承座在升速過程中現場測振，4#軸承座在1 200r/min時軸向振動速度通頻值為1.78mm/s，有100Hz頻率分量為1.38mm/s，100Hz頻率分量占通頻值的77%為主要頻率成份。

轉速超過2 800r/min后，軸向振動100Hz分量迅速增大為主要成份。轉速3 000r/min時，4#軸承座軸向振動最大值振動值為20mm/s，遠大于徑向的振動速度。振動頻率主要成份為2倍頻分量為19mm/s，1×分量1mm/s，2×分量占通頻值95%(表2)，發電機4#軸承座在軸向存在約100Hz頻率響應。加勵磁電流，對軸承座軸向振動影響很小。

表2 3 000r/min時4#軸承座振動速度 mm/s

在固定轉速下，4#軸承座軸向振動位移從底部到頂部線性增大(表3)。

表3 3 000r/min時4#軸承座軸向振動位移 μm

3.故障分析與對策

(1)2#軸承座承受熱應力變形

2#軸承與3#軸承并列在機組中部，汽輪機轉子與發電機轉子采用剛性連接，2#軸承座與后汽缸為鋼板焊接的一體結構，剛度較低。汽輪機的膨脹死點位于2#軸承座，缸脹時的軸向推力與地腳螺栓形成力矩，因此機組升溫過程缸脹程度不均，使軸承座發生偏移或傾斜，影響軸承座標高與軸瓦的載荷。現場機座打表監測顯示汽輪機北側膨脹快于南側，缸體受摩擦阻力向北偏。

汽輪機抽真空后會降低排汽溫度，使排汽管道熱脹量縮小，管道回縮會對汽缸產生反作用力。凝汽器真空度下降到-90kPa時，低壓缸的排汽溫度降到68℃。現場測量，2#軸承座底部下降0.15mm，2#軸承的軸振動從137μm升高到180μm。

由于2#軸承結構為橢圓瓦，沒有自定位能力，這樣機組的膨脹與對中精度的變化使汽輪機與發電機兩轉子同心度與平直度發生變化。從圖2上看2#軸承軸心軌跡較扁，在頻譜上2#軸承的殼體振動頻譜主要增高的頻率成份為2倍頻分量，故障特征與現場轉子對中不良實際相吻合，故機組對中不良是使2#軸承轉子振動值升高的一個原因。對策是將發電機轉子的軸承中心降低0.15mm。

(2)發電機軸承座振動

發電機4#軸承振動工頻很小，轉子自身的不平衡量對振動影響不大。分析發電機4#軸承軸向振動，從機組開始升速，發電機軸承座的軸向振動頻譜中出現100Hz頻率響應。轉速接近3 000r/min時，4#軸承的軸向振動迅速增高達到20mm/s，遠大于徑向振動。振動值增高主要是100Hz分量頻率成份的增大。

在升速過程中軸承座的軸向振動2倍頻分量不明顯，施加勵磁電流前后軸向振動無明顯變化，且發電機使用靜止勵磁裝置，可以排除軸向不平衡電磁力引起軸向振動的可能。

該機組為新安裝機組，基礎施工質量達標，可以排除軸承座墊鐵滑移、墊片不平，軸承座連接螺栓松動、軸承座底座與基礎臺板接觸不均勻等不良情況。現場檢查軸承座下基礎二次灌漿層良好無松裂，可以排除上述情況引起軸承座支撐剛度不對稱的可能性。

綜上所述，導致發電機軸承座軸向振動的可能原因是發電機軸承座在軸向存在100Hz的自振頻率。并且軸承座為鋼板焊接結構，剛度較小，使軸承座在3 000r/min轉速時軸向振動很大。

考慮到引起機組跳車的原因是汽輪機轉子徑向振動值過高，發電機軸承座振動值升高主要發生在軸向而不是徑向，屬于軸承座自身振動特性。所以通過增強結構、加大質量途徑改變軸承座的自振頻率是可行有效的方法。

在機組軸振動全部達標后，機組運行平穩同時發電機軸承座軸向振動大仍然不變，說明發電機軸承座軸向振動不是機組跳車的主要原因。

(3)球面瓦軸承卡澀

發電機球面瓦設計要求為球徑方向間隙為0.00~0.04mm，以保證球面軸承的自定位功能保持軸承的承力中心穩定。但是安裝時在球面施加了過大的緊力，使軸瓦發生卡澀而失去了自定位功能，不能適應轉子彎曲的變化，從而將軸向力傳遞給軸承座。采用對應措施是將球面緊力去除，使球面徑向間隙達到0.00mm。實施后發電機軸承座軸向振動保持原值無明顯變化，排除了球面瓦軸承卡澀故障。

(4)轉子運行穩定性差

在開機沖轉過程中，汽輪機轉子運行穩定性較差，2#軸承的軸振動超過130μm后振動棒值在高位波動。2#軸承結構為二層圓柱面結構的橢圓瓦軸承，尺寸為瓦徑325mm、瓦長260mm。現場實測軸瓦頂隙0.47mm、側隙0.8mm。對應2#軸承的軸振動值X向最大的情況，采用在對應部位南邊的瓦枕下加0.05mm墊片，起到了增加穩定性的作用，使2#軸承的振動棒值最高達到130μm后保持穩定、不再升高。

4.結語

分析振動產生的原因后，采用對應措施后，收到良好效果。機組暖機升速過程中，過臨界十分平穩，轉速到3 000r/min后，2#軸承的振動棒值穩定在130μm，機組在振動值高位上維持穩定。隨著汽輪機缸體充分膨脹均勻后，工況轉向良好，軸系轉子振動全部達到設計要求，發電機各項電氣試驗逐一完成，機組并網發電。

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