某200MW發電機振動及氫氣系統故障分析及處理

朱小東， 張 剛， 趙 飛， 溫文光

某200MW發電機振動及氫氣系統故障分析及處理

朱小東1， 張 剛1， 趙 飛2， 溫文光3

（1.華電電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010010；2.內蒙古華伊卓資熱電有限公司，內蒙古 卓資縣 012300；3.內蒙古岱海發電有限責任公司，內蒙古 涼城 013700）

某200MW機組運行過程中，在帶大負荷階段出現發電機軸振異常升高、發電機氫氣純度低的故障。通過跟蹤對比發電機軸瓦振動的變化，制定了試驗方案并實施，在分析運行及試驗數據的基礎上，對發電機軸瓦振動大故障進行了診斷。診斷結果表明，發電機軸瓦振動大的原因為發電機轉子高負荷發生熱彎曲，氫氣純度低的原因為振動大導致密封瓦和軸頸損壞，氫氣受到密封油污染。根據診斷結果，結合現場實際運行情況，在7瓦滑環處加配重塊，進行現場高速動平衡，同時對6瓦軸頸進行修復，更換6、7號密封瓦。動平衡和檢修結果表明，發電機軸瓦振動得到了有效降低，氫氣純度恢復正常。

發電機； 振動； 氫氣純度； 熱彎曲； 動平衡

0 引言

汽輪發電機組振動大，將直接影響到機組的安全運行[1]。某200 MW汽輪發電機組于2006年投產，近年來機組運行中出現發電機6、7瓦振動異常升高的故障，振動頻率主要以50Hz工頻振動為主，6Y軸振幅值在107μm至145μm之間波動。伴隨著發電機軸振升高，出現了發電機6瓦處密封瓦損壞嚴重，發電機漏氫量急劇增加，嚴重威脅機組運行安全。通過跟蹤對比發電機軸瓦振動的變化，制定了相關試驗方案并實施，在分析運行及試驗數據的基礎上，對發電機軸瓦振動大故障進行了診斷，并進行了相應的處理，汽輪發電機軸系振動處于良好狀態，發電機氫氣系統運行正常，對汽輪發電機組類似振動故障、氫氣系統故障的分析及處理具有借鑒意義。

1 汽輪發電機組簡介

某200MW汽輪機為單軸、三缸雙排汽、中間再熱、間接空冷凝式汽輪機，型號為：NJK200-12.7MPa/535℃/535℃，由一個高壓缸、一個中壓缸、一個低壓缸組成。汽輪機高中壓缸為合缸結構，兩個低壓缸均為雙流反向布置并采用落地軸承座。汽輪發電機組軸系中除1號軸承采用可傾瓦式軸承，2號軸承為推力支持聯合橢圓軸承，其余均采用橢圓形軸承。

配套發電機型號為QFSN3-200-2型汽輪發電機，采用自并勵磁系統為發電機轉子繞組供勵磁電流。發電機采用定子繞組水內冷，轉子繞組氫內冷，定子鐵芯及其它部件氫氣表面冷卻的“水-氫-氫”冷卻方式。發電機內部為密閉式循環通風結構，氫氣由發電機兩端的四角冷卻器進行冷卻。

該發電機采用雙流環密封油系統，密封油系統由空側和氫側兩個各自獨立又互有聯系的的油路組成，空側和氫側密封油同時向發電機兩端的雙流環式密封瓦供油，空側和氫側密封油通過兩端的平衡閥保持油壓相等，空側密封油和氫氣通過主差壓閥維持兩者差壓穩定。

汽輪機發電機組軸系各軸承支撐情況及連接如圖1所示。

2 振動及漏氫現象描述

該機組在2015年大修之后，發電機6、7瓦振動升高，2016年5月發電機6、7瓦通頻振動情況見表1。由表1可以看出，機組在大負荷階段、勵磁電流較大的情況下，總會出現發電機6瓦振動增大、7瓦振動基本保持不變的現象，6X軸振熱變量達到51μm；負荷變化過程中，發電機6、7瓦軸振主要是1倍頻為主，并且相位比較穩定；當機組負荷、勵磁電流降低之后，發電機6瓦振動也會隨之降低，振動狀態基本能夠回到之前的基本狀態。

伴隨著發電機6瓦振動變大，發電機氫氣純度下降，補氫量增加，具體現象如下：該機組氫氣純度維持在96%以上較為困難，每天補氫量100m3左右，計算漏氫量8.14m3/d，氫氣濕度偶爾有超標現象；汽端氫側、空側密封油平衡閥差壓表擺動較大，擺動范圍-100Pa-+100Pa；發電機存在進油現象，發電機底部排污管排油量達到500ml/d。

表1 發電機6、7瓦的通頻振動數據

3 發電機在線振動試驗

圖1 汽輪發電機組軸系結構圖

為了進一步分析發電機振動的原因及振動特性，2016年7月12日，對該機組進行了軸系振動試驗。試驗過程中，維持機組有功、氫氣溫度、氫氣壓力不變，通過調整發電機無功，改變轉子電流，收集軸系振動及發電機相關運行數據。試驗結果見表2、表3、表4。

試驗結果表明：當發電機勵磁電流增加，6瓦振動升高；當發電機勵磁電流降低，6瓦振動下降。發電機6瓦振動與勵磁電流具有明顯相關性。

由于氫氣溫度不具備試驗條件（氫溫達到了43℃，且冷卻水門已全開，無調整余地），現場未進行氫溫變化試驗。通過查看機組的歷史運行曲線，密封油溫度、定冷水溫度變化對軸系振動沒有明顯影響。

4 發電機振動故障診斷

查看6瓦、7瓦軸振相位基本穩定，現場軸瓦處未聽受阻，而其他轉子線圈膨脹正常，就會導致發電機轉子發生熱彎曲，即發電機轉子線圈不對稱膨脹引起熱不平衡 ，發電機軸瓦振動增大。這種故障引起振動與勵磁電流也有相關性，暫時不能排除。

表2 軸系振動試驗相關數據記錄

表3 試驗過程中發電機瓦振動情況

表4 試驗過程中發電機氫氣溫度情況

（3）發電機冷卻系統存在故障

從試驗結果來看，發電機內部冷卻系統存在故障可能性較大。本發電機2、4、6、8風區為冷卻氫氣入口溫度，3、5、7、9風區為冷卻氫氣出口溫度。由表4看出，1風區溫度明顯偏高，經熱工人員檢查為熱工測點故障；發電機各風區氫氣溫度分布不均，多個相鄰風區（4、5風區和6、7風區）進、出口風溫沒有溫升。發電機轉子冷卻風道局部堵塞或者匝間絕緣移位會引起通風不暢，導致截面出現溫度不對稱，發電機轉子熱彎曲，振動增大[4-5]。

綜合以上分析，對機組發電機振動增大的故障診斷如下：本發電機熱敏性現象明顯，軸瓦振動跟隨機組有功正向變化，造成這種故障的原因主要為高負荷發電機轉子發生熱彎曲。發電機轉子熱彎曲的原因可能為：轉子冷卻不對稱、發電機內摩擦效應。見異常摩擦聲音，查看上次6瓦、7瓦密封瓦更換記錄，安裝尺寸、間隙符合規程要求，可以排除油擋碰磨的可能。

2號機組啟動定速3000rpm時候，6X軸振107μm。隨著發電機負荷升高，6瓦振動不穩定，呈現爬升狀態。200MW時候，6X軸振158μm，熱變量達到51μm。引起發電機熱敏性的影響因素很多，包括轉子冷卻不對稱、發電機轉子線圈匝間短路、發電機內摩擦效應等[2-3]。

（1）發電機轉子線圈匝間短路

2號機組轉子線圈匝間短路監測裝置未安裝，所以無法確認機組是否發生了匝間短路。但對比同廠同類型的3號機組運行情況，在相同有功，相同無功條件下，2號機組勵磁電流沒有明顯增大，不具備匝間短路的現象，所以可以排除此故障。

（2）發電機內摩擦效應

如果發電機轉子槽楔裝配，間隔墊塊安裝工藝，護環、芯環裝配工藝不良，在勵磁電流增加的過程中，發電機轉子線圈受熱膨脹，會導致一部分轉子線圈膨脹

5 氫氣純度低故障診斷

針對發電機氫氣純度低的問題，現場開展如下檢查：

（1）現場檢查發電機與壓縮空氣管路、二氧化碳管路已可靠隔離。

（2）現場檢查2號機組氫側密封油箱補油管路溫度較高，氫側密封油箱正常排油管路及氫側密封油快排管路溫度與環境溫度一致。

（3）嘗試將關閉2號機組氫側密封油箱補油閥之后，氫側密封油箱油位快速下降，證明密封油回油量少。

（4）現場檢查氫側密封油箱油位跟蹤良好，排除浮球故障可能。

（5）將氫側密封油快排閥開關多次，排除閥門有內漏可能。

根據機組情況，結合現場檢查情況分析，發電機氫氣純度低的最有可能的原因為：由于發電機軸振大，發電機密封瓦損壞嚴重，發電機密封油串入發電機內部，造成發電機內部氫氣受到污染，純度下降。

6 故障處理

由于現場并不具備發電機解體或返廠檢修的條件，而且機組軸系振動的幅值、相位情況基本穩定，所以，在現場具備的條件下，以高速動平衡來補償發電機熱彎曲。

經過動平衡計算，最終在發電機轉子末端7瓦滑環處燕尾槽加平衡重量757g∠234°。軸系動平衡前后振動情況見表5。機轉子軸頸部位進行了修復，啟動后發電機氫氣系統運行正常，氫氣純度合格。

7 結語

（1）通過現場對發電機氫氣和密封油系統進行檢查，并開展發電機軸系在線振動試驗，查找到了本機組發電機氫氣純度低以及發電機軸振升高的原因。

（2）通過現場進行發電機轉子高速動平衡，發電機轉子的熱彎曲狀態得到改善，軸系振動處于良好狀態，同時對6瓦軸頸進行修復，更換6、7號密封瓦，發電機氫氣純度恢復正常，達到預期的效果。

表5 發電機轉子動平衡前、后振動對比

從動平衡的結果來看，發電機軸振得到了有效降低，各瓦振動值在優秀范圍以內。同時，在機組停運期間，對損壞的發電機密封瓦進行了更換，對磨損的發電

[1]王延博.汽輪發電機組轉子及結構振動[M].1版.北京：中國電力出版社，2016．

[2]張建鋒.發電機轉子匝間短路故障診斷及處理措施[J].中國新技術新產品，2016（9）：44．

[3]寇勝利.汽輪發電機組的振動及現場平衡[M].1版.北京：中國電力出版社，2007．

[4]張學延，張衛軍，葛祥，等.電廠旋轉機械設備振動問題處理案例分析 [J].中國電力，2015,48（8）:110-116.

[5]魏繼龍，杜君文，劉俊漢，等.600MW發電機轉子不穩定振動分析及控制[J].中國電力,2014，47（11）:10-13.

A 200MW Generator Vibration and Hydrogen System Failure Analysis and Treatment

ZHU Xiao-dong1， ZHANG Gang1， ZHAO Fei2， WEN Wen-guang3

（1.Huadian Electric Power Research Institute，Hohhot 010010，China；2.Inner Mongolia Huayizhuozi thermal Power Co.，Ltd，Zhuozi 012300，China；3.Inner Mongolia Daihai Power Incorporated Company，Liangcheng 013700，China）

In a 200MW unit in the process of operation,abnormal vibration generator shaft with big load phase increases,generator hydrogen purity low failure.Through comparing the change of the generator bearing vibration track,develop the test plan and implement,on the basis of analysis and test data，for large generator bearing vibration fault diagnosis.Diagnostic results show that the reason for the generator rotor of the generator bearing vibration high hot bending load，lead to seal the reasons for the low hydrogen purity for vibration and shaft neck damage，hydrogen seal oil pollution.According to diagnosis，combining with the actual operation，at 7 watts slip ring and counter weight,on-site high speed dynamic balance，at the same time to repair of 6 wazhou neck，replace the seal 6，7 watts.Dynamic balance and repair results show that the generator bearing vibration has been effectively reduced，the hydrogen purity returned to normal.

generator； vibration； hydrogen purity； thermal bending； dynamic balancing

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.006

TM621.3

B

2095-3429（2017）04-0029-04

朱小東（1983-），男，四川峨眉人，碩士，工程師，從事火電廠汽輪機技術監督及汽輪發電機組振動診斷、處理工作。

2017-07-17

修回日期：2017-08-02