半山發電廠7號燃氣機組軸系異常振動分析與處理

李衛軍，吳文健，應光耀，蔡文方，馬思聰

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

半山發電廠7號燃氣機組軸系異常振動分析與處理

李衛軍，吳文健，應光耀，蔡文方，馬思聰

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

半山發電廠7號單軸燃氣—蒸汽聯合循環機組在基建調試階段出現了異常振動情況，通過試驗分析，原因主要是低壓轉子碰摩、高中壓轉子不平衡及熱瞬變等誘發軸系振動加大。詳細介紹了7號燃氣機組的振動特征、診斷方法和處理措施，為同類機組的故障分析提供參考。

燃氣機組；振動；碰摩；動不平衡；熱瞬變

0 引言

半山發電廠2010年前投運的5臺9F燃機，在運行中均出現熱瞬變振動現象，表現為1號瓦振動爬升[1]。有2臺機組的高中壓轉子存在動靜碰摩現象，嚴重磨損高中壓汽封[2]；還有2臺機組的高中壓轉子存在動不平衡振動，導致3號瓦振動大。

7號燃機在調試期間同時出現了低壓轉子動靜碰摩、高中壓轉子質量不平衡和燃機轉子熱瞬變故障問題，在同類機組中比較罕見，也增加了振動分析與診斷的難度。

1 7號機組概述

半山發電廠二期工程7號燃氣機組選用美國GE公司與哈爾濱電氣集團聯合生產的PG9315FA型燃氣輪機、D10型三壓有再熱系統的雙缸雙流式汽輪機、390H型氫冷發電機。燃氣輪機、蒸汽輪機和發電機剛性地串聯在一根長軸上，燃氣輪機進氣端即冷端輸出功率，軸配置為GT-STGEN（燃機-汽機-發電機），轉速3 000 r/min。燃氣機組主軸分為4段：燃機壓氣機轉子、高中壓轉子、低壓轉子、發電機轉子，均為整鍛實心轉子，每段轉子均由2個徑向軸瓦支撐，軸系布置如圖1所示。1，3，4，5為六瓦塊可傾瓦軸承；2，6，7，8為橢圓瓦軸承，推力瓦在1號軸承處。實測軸系臨界轉速為864 r/min，1 060 r/min，1 930 r/min和2 640 r/min。

圖1 7號機組軸系布置

該機組在基建調試啟動階段，出現了振動大、振動爬升等異常振動問題，特別是3號瓦多次達到跳機值引起機組跳機，嚴重威脅機組的安全穩定運行，同時影響了機組調試進度。浙江電科院全力以赴，通過數據測試、分析、診斷，采取有效措施，解決了機組異常振動問題，確保了機組安全運行。

2 低壓轉子動靜碰摩的診斷及處理

2.1 振動現象

半山發電廠7號機組于2013年8月1日首次啟動，13∶26到達3 000 r/min，此時3—6號瓦振動數據見表1。從表1可見，僅3號瓦振動為137 μm，偏大，4—6號瓦軸振均小于60 μm。從14∶06開始，5號、6號瓦軸振逐漸爬升，14∶37振動最大，分別達到130 μm和229 μm，機組因6號瓦軸振大跳機。6號瓦的振動趨勢、升/降速波特圖見圖2、圖3。

圖2 6號瓦X向軸振趨勢

2.2 振動分析及診斷

由表1及圖2、圖3可知，7號機組開機過程中的振動特征如下：

（1）在定速3 000 r/min時，5號、6號瓦振動均小于50 μm，運行40 min后逐漸爬升，30 min后，5號、6號瓦振動分別達到130 μm和225 μm。表明5號、6號瓦的振動是逐步爬升，而不是突增，排除了低壓轉子部件脫落、靠背輪移位等突發事故的可能性。

圖3 6X啟停機振動波特圖

（2）5號、6號瓦振動爬升過程中，振動頻率均以1倍頻為主。5號、6號瓦軸振幅值增大時，相位也隨之增大，工頻幅值的變化量分別為106 μm和191 μm，是3號、4號瓦變化量的2倍多。5號、6號瓦振動相位角變化量分別為205°和96°。

（3）5號、6號瓦在升、降速階段的振動幅值和相位角差別較大，其中降速時的振動幅值是升速時的數倍，這和文獻[2，3]中動靜碰摩的振動特征是一致的。

（4）從振動變化幅度來看，5號、6號瓦的變化幅度最大，3號、4號瓦變化較小。因此低壓缸上發生動靜碰摩的可能性很大。

由以上分析可知，7號機組5號、6號瓦的振動爬升是由低壓轉子的動靜碰摩引起的。

2.3 低壓轉子動靜碰摩原因分析

汽輪機組的徑向和軸向碰摩通常發生在隔板汽封、葉片圍帶汽封和軸端汽封，徑向碰摩還有可能發生在各軸承的油擋、擋汽片部位[4]。7號機組低壓轉子發生動靜碰摩的原因可能為：

（1）轉子原始振動過大。轉子質量不平衡、轉子彎曲、軸系失穩等造成機組振動過大，而一旦振動大于動靜間隙，就可能與靜止部件發生碰摩。但7號機組定速3 000 r/min時，5號、6號瓦的振動均小于63 μm，且持續了一段時間，因此，低壓轉子的不平衡量很小，可排除該原因。

表1 7號機組3 000 r/min時X向軸振數據

（2）動靜間隙偏小。為了盡可能地提高汽輪機組的經濟性，設計采用了盡可能小的間隙值；在安裝、檢修過程中，也將動靜間隙調整得盡可能小[4]。轉子軸向定位尺寸K值與設計值有較大的偏差，容易誘發轉子動靜碰摩[2]。在新機組或大修機組首次啟動中，容易出現該類動靜碰摩的現象，采用調整軸封氣溫度或壓力，均可延緩或避免轉子的動靜碰摩。

7號機組的軸封汽由4號機組提供，軸封汽溫度為210℃，較高的軸封汽溫度也會導致軸封被過度加熱，軸封膨脹較大，使得動靜間隙更小，容易誘發低壓軸封與轉子的動靜碰摩。

（3）7號機組真空過高。較高的真空使汽缸的相對收縮量增加，動靜部件間隙變小，容易發生碰摩故障。7號機組開機之初的真空為－94 kPa，明顯偏高，可能是誘發低壓轉子動靜碰摩的原因。

2.4 處理措施及結果

根據以上分析，將7號機組軸封蒸汽溫度降低至185℃左右、凝汽器真空降至－91 kPa左右，機組再次啟動。當機組再次沖轉到3 000 r/min時，3—6號瓦的振動與第一次基本一致。3號瓦振動為136 μm，其它各瓦振動均低于50 μm。但機組運行一段時間后，5號、6號瓦振動再次出現爬升，最大值分別達到91 μm和136 μm，隨后振動開始逐漸降低，最后恢復到較低水平。說明通過調整軸封汽溫度和機組真空，低壓轉子的碰摩得到了較大程度的改善。

采用控制軸封汽溫度與機組真空，5號、6號瓦在后續幾次啟動過程中雖出現振動爬升，但爬升幅度慢慢減小、時間逐漸增長，最終分別穩定在35 μm和60 μm左右?？梢?，低壓轉子在經過幾次動靜碰摩后，其動靜間隙已略有增大，因而再未發生動靜碰摩現象。

3 高中壓轉子不平衡振動的診斷及處理

3.1 振動現象

半山發電廠7號機組于8月1日13∶26首次定速3 000 r/min時，3號瓦的振動較大，為137 μm，隨后爬升至182 μm，見表1。在后來的多次啟動中，3號瓦的振動基本穩定在120～136 μm。

3.2 振動分析

由表1及之后幾次啟動振動數據可知，7號機組在定速3 000 r/min下，3號、4號瓦軸振的幅值和相位基本不變，且振動以基頻為主；啟、停機過程中，3號、4號瓦各轉速下的振動也基本一致。

可見3號瓦振動屬于普通強迫振動，主要因高中壓轉子上存在一定的不平衡量引起，可采用現場動平衡進行處理[5]。

3.3 振動處理

7號機組沖管結束后，在燃機與高中壓轉子靠近3號瓦側的對輪上加重0.13 kg，8月26日開機后動平衡前后的振動數據見表2。加重后，3號瓦振動低于70 μm，為優良，低壓轉子的支撐瓦（5號、6號瓦）更穩定。

表2 處理前后7號機組高中壓轉子X向軸振數據

4 1號瓦振動大的診斷及處理

4.1 振動現象

7號機組在沖管期間，第一次冷態啟動定速3 000 r/min下，1號瓦振動高達200 μm，運行30 min左右，逐步回落到約105 μm并趨于穩定。振動以1倍頻分量為主，見圖4。在后來的熱態啟動過程中，3 000 r/min下1號瓦振動高達150 μm，運行30 min左右后，逐步回落到100 μm并趨于穩定，數據見表3。

圖4 1號瓦X向軸振趨勢

表3 7號機組1號瓦處理前后振動數據

4.2 振動原因分析

由表3可知，機組定速3 000 r/min下，1號瓦振動很大，為150～200 μm，隨后回落至約105 μm，而2號瓦振動較小，約為50 μm，隨后增大至85 μm左右，最后逐漸減小至50 μm。經數據分析，1號、2號軸振均以基頻為主，屬于普通強迫振動。機組每次開機時振動的重復性較好。分析1號瓦振動波動的原因為：

（1）燃機轉子存在熱瞬變振動現象。9F燃機的熱瞬變振動現象是因該類型機組的燃機－壓氣機轉子結構造成的，其壓氣機和透平轉子是盤鼓式拉桿結構，并且設有抽氣口，在啟動期間，抽氣口在抽氣時會造成轉子微小的熱不對稱，從而導致熱態瞬變的振動現象。在機組達到全速后，轉子的振動會隨之達到穩定的熱狀態，從而逐步衰減至穩定的振動水平。熱瞬變振動過大會導致機組跳機，可以通過動平衡手段來處理，但有可能會給機組穩定運行狀態下的振動帶來負面影響，需要綜合考慮。

半山發電廠7號機組1號瓦振動是典型的熱瞬變現象，可通過熱態動平衡進行處理。

（2）燃機轉子存在一定的不平衡量。7號機組每次定速3 000 r/min后，1號、2號瓦的振動值基本相當，以基頻為主，軸系軌跡為橢圓形，因此判斷燃機轉子上存在一定的不平衡分量。

不同機組由于制造、安裝以及原始不平衡情況不同，熱瞬變振動爬升情況也不一樣。較多機組往往爬升到振動保護值而跳機，嚴重影響機組的安全性和經濟性[1]。

因此應采用精細動平衡進行處理，降低1號瓦的振動值，同時降低燃機轉子熱瞬變誘發的振動爬升最大值。

4.3 振動處理

綜合考慮1號瓦在3 000 r/min下的振動值及熱瞬變時振動的最大值，在燃機轉子2號瓦側BP10處加重1.53 kg。2013年8月21日開機后，燃機轉子各瓦振動見表3，1號瓦在3 000 r/min和滿負荷時的振動分別為70 μm和68 μm，達到優良值。

5 結論

半山發電廠7號燃氣聯合循環機組在調試中出現異常振動，經分析處理后，各瓦振動均達到優良范圍，確保了機組安全穩定運行。

（1）機組啟動過程中，低壓轉子動靜碰摩引起5號、6號瓦振動爬升，甚至跳機。調整軸封汽參數、真空值后，逐步消除了低壓轉子動靜碰摩振動爬升問題。

（2）因制造、安裝等因素，9F燃機的高中壓轉子存在一定的不平衡量。通過現場動平衡，降低了3號瓦的軸振。

（3）機組燃機轉子的熱瞬變振動現象依然存在，通過現場綜合精細動平衡，降低1號瓦振動基準值，同時降低了機組熱瞬變振動的最大值。

[1]吳文健，吳斌，戴惠慶.大型9FA燃氣發電機組的振動試驗研究及處理[J].浙江電力，2013，32（7）∶38-41.

[2]應光耀，童小忠，吳文健.9F聯合循環機組嚴重碰摩診斷分析及處理[J].汽輪機技術，2010，52（1）∶74-76.

[3]李衛軍，顧正皓，吳文健.280 MW汽輪發電機組振動異常分析[J].發電設備，2007（6）∶457-459.

[4]陸頌元.汽輪發電機組振動[M].北京：中國電力出版社，2000.

[5]吳文健，童小忠，應光耀，等.浙江省內國產化600 MW汽輪發電機組振動綜合處理[J].浙江電力，2010，29（10）∶28-31.

（本文編輯：徐晗）

Analysis and Treatment of Abnormal Shafting Vibration of 7#Gas-fired Generating Units in Banshan Power Plant

LI Weijun，WU Wenjian，YING Guangyao，CAI Wenfang，MA Sicong
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Abnormal vibration happened in 7#single-shaft gas-stream combined cycle generating units in Banshan Power Plant during capital construction and commissioning.It is analyzed through test that large shafting vibration was mainly caused by rubbing of low-pressure rotors，unbalance of high-and-medium pressure rotors and thermal transient.This paper offers references for fault analysis of similar units by describing vibration features，diagnostic method and treatment measures.

gas-fired generating units；vibration；rubbing；dynamic unbalance；thermal transient

TK267

：B

：1007-1881（2014）10-0049-04

2014-08-04

李衛軍（1975-），男，甘肅靈臺人，高級工程師，主要從事汽輪機故障診斷及處理工作。