150 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動故障分析及處理

路軍鋒，王　洪，姜玉山，王洪國，路福明

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧　沈陽　110006； 2.遼寧大唐國際葫蘆島熱電有限責(zé)任公司，遼寧　葫蘆島　125000； 3.中國能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司， 遼寧　沈陽　110179； 4.朝陽燕山湖發(fā)電有限公司，遼寧　朝陽　122000)

1　設(shè)備概況

菲律賓某電廠1號機(jī)組首次啟動、定速及帶負(fù)荷過程中，發(fā)現(xiàn)軸系中4、5號軸振在過發(fā)電機(jī)二階臨界轉(zhuǎn)速時偏大，同時在額定轉(zhuǎn)速下振動也超過了報(bào)警值。從振動測試數(shù)據(jù)看，振動信號主要是工頻成分，其振動原因主要為質(zhì)量不平衡引起。為保證設(shè)備安全運(yùn)行，對1號機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以及懸臂勵磁轉(zhuǎn)子進(jìn)行現(xiàn)場動平衡試驗(yàn)[1]。

該機(jī)組為超高壓、雙缸雙排汽、一次中間再熱、凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組額定功率為150 MW，工作轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，型號為N150-13.8/540/540。發(fā)電機(jī)采用風(fēng)冷、全靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，汽輪發(fā)電機(jī)由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，高中壓轉(zhuǎn)子與低壓轉(zhuǎn)子采用剛性聯(lián)軸器連接，整個汽輪機(jī)為三支點(diǎn)支承，前、中、后軸承均為落地支承，低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用半撓性聯(lián)軸器連接，機(jī)組軸系見圖1。

圖1　機(jī)組軸系

2　數(shù)據(jù)測試分析

機(jī)組配備的TSI系統(tǒng)軸振測量傳感器為電渦流頭，靈敏度為7.8 mV/μm。每個軸承安裝2個傳感器，分別位于上半軸承垂直中分線兩側(cè)45°處，如果從汽輪機(jī)側(cè)向電機(jī)側(cè)看，轉(zhuǎn)軸順時針旋轉(zhuǎn)，位于左側(cè)的軸振測點(diǎn)標(biāo)示為X方向，右側(cè)的為Y方向(見圖2)。機(jī)組首次啟動過程中采用Bently 208振動數(shù)據(jù)采集單元，采集TSI模擬信號輸出端子輸出的電壓信號，測試軸承2個方向的軸振和垂直瓦振。

該機(jī)組首次啟動定速后原始振動數(shù)據(jù)見表1。

通過對機(jī)組升速過程4X波德圖(見圖3)和5X波德圖(見圖4)以及4X和5X升速過程中的在臨界轉(zhuǎn)速及定速時的一倍頻分量(見表1)分析，可以歸納發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振具有如下特點(diǎn)。

圖2　振動傳感器及鍵相傳感器安裝示意圖

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)頻譜成分4X/(μm∠°)4Y/(μm∠°)5X/(μm∠°)5Y/(μm∠°)2 8601X133∠143128∠216101∠462.7∠1233 6001X79.4∠16870.5∠270115∠1950.4∠143

圖3　4X波德圖

圖4　5X波德圖

a. 升速過程中，低轉(zhuǎn)速區(qū)域4X、5X振動不大，在經(jīng)過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一階臨界區(qū)域，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動響應(yīng)不明顯，這表明轉(zhuǎn)子一階不平衡量比較穩(wěn)定[2-3]。

b. 4號和5號軸承振動相位相差90°～180°，且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在二階臨界區(qū)域不平衡響應(yīng)較大，通過對比二階臨界轉(zhuǎn)速下的同相分量振動和工作轉(zhuǎn)速下的同相、反相分量振動，可以判斷轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速下不平衡質(zhì)量分布的形式主要為二階模態(tài)[4-5]。

對于振動主要是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡而導(dǎo)致，且質(zhì)量不平衡的大小和方向是確定的，可以通過平衡來消除。而對于其他形式的不平衡，例如熱彎曲、動靜摩擦等產(chǎn)生的不平衡，由于不平衡的大小、方向往往是變化的，一般不能通過平衡來消除。由于機(jī)組在多次啟動過程及帶負(fù)荷過程中，振動重復(fù)性較好，同時4、5號軸振通頻幅值及1X分量比較穩(wěn)定，因此可以通過平衡的方法來降低4、5號軸承的振動幅值。在進(jìn)行高速動平衡試驗(yàn)前，需要具體分析轉(zhuǎn)子的振動情況，制定合理的動平衡試驗(yàn)方案。由于本文中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在過二階臨界轉(zhuǎn)速時振動偏大，且二階臨界轉(zhuǎn)速距離轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速較近，轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速下的振動也會受其影響，為降低振動，應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行轉(zhuǎn)子的二階模態(tài)平衡試驗(yàn)[6]。

3　動平衡試驗(yàn)過程

根據(jù)機(jī)組首次啟動二階臨界振動數(shù)據(jù)以及定速數(shù)據(jù)推算加重重量和角度，通過試加重的方式進(jìn)行發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子試加質(zhì)量影響系數(shù)計(jì)算，同時通過影響系數(shù)法估算發(fā)電機(jī)反對稱試加質(zhì)量。發(fā)電機(jī)風(fēng)扇環(huán)P1平面試加質(zhì)量為360 g∠300°，發(fā)電機(jī)風(fēng)扇環(huán)P2平面試加質(zhì)量為360 g∠120°。發(fā)電機(jī)2次加重后，啟動機(jī)組至額定轉(zhuǎn)速，4、5號軸振數(shù)據(jù)見表2，第2次加重平衡塊加重位置(紅色點(diǎn))及不平衡質(zhì)量高點(diǎn)位置(藍(lán)色點(diǎn))見圖5。

表2　發(fā)電機(jī)2次加重后振動響應(yīng)

圖5　發(fā)電機(jī)風(fēng)扇環(huán)P1、P2平面加重位置示意圖

從表2中可以看出，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子2次加重后4、5號軸振均大幅度降低，但是試加重對5X加重響應(yīng)不大。為進(jìn)一步降低5X的通頻幅值，采取在發(fā)電機(jī)5號瓦外伸懸臂進(jìn)行配重，以進(jìn)一步降低5X振動[3]。通過計(jì)算，在發(fā)電機(jī)外伸端風(fēng)扇座環(huán)P3平面加重質(zhì)量158 g∠270°，機(jī)組加重后定速及帶90 MW負(fù)荷振動數(shù)據(jù)見表3，懸臂端加重后4X、5X升速過程中波德圖見圖6、圖7。

表3　外伸端加重后振動數(shù)據(jù)

圖6　4X升速波德圖

圖7　5X升速波德圖

從表3可以看出，通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外伸端懸臂加重后，4號軸振略有增加，5號軸振進(jìn)一步降低。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子4、5號軸振均控制在合理范圍內(nèi)，機(jī)組可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時根據(jù)機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行測試數(shù)據(jù)，機(jī)組帶大負(fù)荷運(yùn)行后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動穩(wěn)定，受轉(zhuǎn)子熱變量影響較小，機(jī)組軸系振動良好，可以滿足長期安全運(yùn)行要求。

4　結(jié)束語

150 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)過3次動平衡試驗(yàn)后，4、5號軸振在不同工況條件下均得到明顯改善，滿足機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行需要。對于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用反對稱加重可以較好地平衡發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在二階臨界轉(zhuǎn)速及額定轉(zhuǎn)速下的不平衡響應(yīng)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外伸端加重對發(fā)電機(jī)5號軸振具有顯著影響，當(dāng)5號軸振對二階反對稱加重響應(yīng)不明顯時，可以通過外伸端加重進(jìn)一步降低5號軸振。