帶自同步離合器聯合循環機組振動問題分析與處理

曹寒，于光輝，楊靈，趙先波，陳丹，董衛紅，馬駿

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

1 前言

近年，國家能源結構在不斷調整，“高質量”和“綠色”已成為未來電力行業發展的趨勢和方向，傳統燃煤電廠的市場占比將會不斷縮小，而燃氣-蒸汽聯合循環機組由于具有熱效率高、污染排放低、節省投資、建設周期短、啟停快捷、調峰性能好、占地少、節水、廠用電率低和可靠性強、維修方便等優點將得到越來越廣泛的應用。

燃氣-蒸汽聯合循環機組的三大主要設備為燃機、汽機和發電機，三大設備按軸系布置可分為單軸和多軸配置方案，多軸配置方案又可分為一拖一、二拖一、三拖一等。在多軸配置方案里，考慮到夏季純凝、冬季抽凝供熱和背壓供熱等多工況運行的需求，機組大都配置有自同步離合器（Synchro-Self-Shifting，SSS，以下簡稱SSS 離合器），SSS 離合器可以實現低壓缸的“解列”和“并車”[1]，使機組能夠在抽凝和背壓模式之間在線切換。設置SSS 離合器一方面可以提高能源利用效率，另一方面，也會對軸系振動產生影響，降低機組運行的安全性。

某S 熱電廠聯合循環機組為一拖一、分軸帶SSS 離合器的軸系配置。燃氣輪機功率310 MW；汽輪機功率145 MW，汽機軸系布置如圖1 所示，高中壓轉子連接一根短軸，與SSS 離合器連接，離合器的另一端連接低壓轉子。

圖1 汽機軸系布置

2 振動情況

2.1 運行特征

對機組運行情況進行統計分析，#5 軸承振動及瓦溫有以下特點：

（1）軸承金屬溫度異常；該機組汽機部分全部采用四瓦可傾式軸承，軸承結構示意圖以及探頭布置情況如圖2 所示，底部2 個瓦塊各有一個溫度測點。在盤車狀態下，#5 軸承2 個測點溫度基本相同，但是隨著機組轉速升高，#5 軸承2 個測點溫度逐漸出現偏差，額定轉速至帶負荷時溫差最大達到8 ℃左右，如圖3 所示，而其他軸承2個測點溫度在各個工況下基本保持相同。

圖2 四瓦可傾式軸承結構示意圖及測振探頭布置情況

圖3 機組12 月26 日運行時部分參數隨時間變化情況

（2）在#5 軸承Y 方向振動增大過程中，X 方向振動增大并不明顯，X、Y 方向的振動相關性不強，#5 軸承振動大主要體現在Y 方向振動。

（3）振動主要與運行時間有關，隨運行時間的延長振動值緩慢增大。

（4）振動有隨負荷變化的趨勢，但不明顯；但當負荷降低至90 MW 時，振動幅值會迅速回落，如圖4 所示。

圖4 機組12 月30 日運行時部分參數隨時間變化情況

2.2 振動數據

通過本特利408 對振動信號進行處理，發現：

（1）#5 軸承振動在增大時，5Y 的頻譜圖如圖5 所示，從圖中可以看出，振動頻率始終以工頻分量為主，幾乎沒有低頻分量，因此，可排除油膜渦動導致5# 振動大；由2.1 可知，振動隨運行時間有緩慢增長的趨勢，故雖為工頻振動，但是可排除掉不平衡量大的原因。

圖5 5Y 振動頻譜圖

（2）振動增大時，#5 軸承的軸心位置向右上方移動（轉子旋轉方向為順時針）；振動減小時，則向左下方移動，規律很明顯，而相鄰的#4 軸承和#6 軸承的軸心位置相對固定，如圖6 所示，在振動變化的過程中，#5 軸承的軸心位置不穩定，沿右上左下方向變動，說明軸承Y 方向剛度比X 方向小，可能存在Y 方向緊力不足的情況。

圖6 #4－#6 軸心位置圖

（3）#5 軸承在振動大時的軸心軌跡如圖7 所示，從圖中可以看出軸心軌跡的橢圓非常扁，而圖8 中#4 軸承的軸心軌跡形狀較正常，圖9 中#6軸承由于振動幅值較小，軌跡沒有規則形狀，也屬正常情況；經分析認為，#5 軸承的軸心軌跡之所以會呈現圖7 情況，是由X 方向和Y 方向的剛度偏差導致的。

圖7 #5 軸承軸心軌跡圖

圖8 #4 軸承軸心軌跡圖

圖9 #6 軸承軸心軌跡圖

2.3 數據分析

從第2.1 和2.2 節振動數據分析，#5 軸承振動頻率始終以工頻分量為主，幾乎沒有低頻分量，因此，可排除油膜渦動導致#5 軸承振動大；由2.1 可知，振動隨運行時間有緩慢增長的趨勢，故雖為工頻振動，但是可排除掉不平衡量大的原因。軸心位置的變化與振動趨勢的變化符合振動理論，即轉子向右上方移動時（遠離左下方瓦塊），該方向油膜變厚，剛度變小，振動增大，反之亦然；但是軸心位置變動幅度太大屬異常，軸心軌跡橢圓度過大且方位呈45°也屬異常，結合下半兩瓦塊溫度差別大均說明#5 軸承工作狀態異常，應對該軸承進行翻瓦檢查。

3 檢查及處理

3.1 檢查情況

#5 軸承位于自同步離合器高壓側的短軸轉子上，也可看作高壓轉子外伸端的支撐，設計載荷為34 000 N。該軸承的安裝示意圖如圖10 所示，在轉子提升過程中需使用拉力計測量提升力，當力達到設計值時，此時的U 值即為#5 軸承的安裝標高[2]。安裝標高的偏差直接影響#5 軸承的承載情況，而軸承的載荷會影響其穩定性。故對#5 軸承的檢查重點為軸承載荷。

圖10 #5 軸承安裝標高示意圖

檢查過程中在#5 軸承處架百分表，并用拉力計記錄力，測量結果見表1。從表1 可以看出，用1 噸力（9 800 N）提升轉子，轉子被抬起0.018 mm，說明#5 軸承在原來的位置根本沒有承載，而在設計載荷34 000 N 時，轉子約被抬起了0.05 mm。經分析，#5 軸承不承載是導致振動大的根本原因。

表1 #5 軸承力與抬起標高對應關系

除了檢查軸承載荷，對軸承的間隙和緊力也進行了檢查，結果見表2，從表中可看出軸承右側沒有緊力，為間隙配合，這也是導致#5 軸承Y 方向剛度小、振動大的次要原因。

表2 #5 軸承間隙和緊力檢查結果

3.2 處理措施及效果

從3.1 節中了解到，#5 軸承存在不承載及右側緊力不足的問題，針對這2 個問題采取了以下處理措施后，機組再次啟機沒有發生振動大問題，而且X 方向和Y 方向的振動都小于30 μm，處理效果非常好。

（1）為解決#5 軸承不承載情況，根據表1 的檢查數據，將軸承標高上抬0.05 mm，可使軸承承載滿足設計要求；標高調整通過在軸承下半墊塊下增加墊片達到。

（2）軸承右側緊力恢復到設計值要求的過盈0～0.05 mm，可通過在軸承上半右側墊塊下增加墊片來達到；

最終每個墊塊下的墊片調整量需結合軸承標高與檢查結果情況，使各參數均滿足設計要求。

4 結語

（1）本文首先對#5 軸承的振動特征進行了詳細描述，并對振動數據進行分析，特征與數據兩者相結合確定了導致振動的原因為#5 軸承工作狀態異常；

（2）通過對#5 軸承進行翻瓦檢查，確定了軸承不承載是導致軸承工作狀態異常的根本原因；緊力不足為Y 方向振動大的次要原因。

（3）通過對#5 軸承標高和緊力進行調整，最終徹底解決了軸承振動大的問題。