汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)分析及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理

摘 要：大多數(shù)的汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障可以用現(xiàn)場(chǎng)高速動(dòng)平衡的方法進(jìn)行處理。本文介紹了柔性轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性，闡述了現(xiàn)場(chǎng)校正一、二、三階轉(zhuǎn)子不平衡所采用的方法。通過實(shí)例證明對(duì)稱加重法雖然可能使汽輪發(fā)電機(jī)存在的三階不平衡得到一定的校正，但是靈敏度低，且可能破壞一階平衡狀態(tài);而在轉(zhuǎn)子外伸端的聯(lián)軸器加重時(shí)一般會(huì)取得較好的效果。所取得的振動(dòng)治理經(jīng)驗(yàn)對(duì)同型機(jī)組類似振動(dòng)故障的診斷及現(xiàn)場(chǎng)處理有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：汽輪發(fā)電機(jī);柔性轉(zhuǎn)子;振動(dòng);現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡

引言

汽輪發(fā)電機(jī)是火力發(fā)電廠的核心設(shè)備，振動(dòng)水平是衡量機(jī)組安全可靠性最重要的指標(biāo)。劇烈的振動(dòng)容易導(dǎo)致設(shè)備部件的疲勞損壞，一些重大的毀機(jī)事故直接或間接地與振動(dòng)有關(guān)。在汽輪發(fā)電機(jī)的各種振動(dòng)故障中，不平衡引起的振動(dòng)占到70%以上，還有部分故障也可以通過平衡的手段使振動(dòng)得到改善，因此現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是消除振動(dòng)的主要手段[1]。由于汽輪發(fā)電機(jī)組軸系是多轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，相互之間有一定影響;而且在現(xiàn)場(chǎng)受加重位置的限制，有時(shí)無法在計(jì)算好的位置加重;此外大型機(jī)組啟動(dòng)一次的費(fèi)用高達(dá)十萬元以上，啟動(dòng)次數(shù)和時(shí)間受到了限制，因此現(xiàn)場(chǎng)高速動(dòng)平衡是振動(dòng)處理中十分重要而又有一定難度的環(huán)節(jié)。

隨著汽輪發(fā)電機(jī)容量的增大，轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度及其重量也不斷增加，而轉(zhuǎn)子徑向尺寸因受到材料強(qiáng)度限制增長(zhǎng)不大，這樣就迫使采用工作轉(zhuǎn)速大于第一臨界轉(zhuǎn)速和第二臨界轉(zhuǎn)速的柔性轉(zhuǎn)子[2]。汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子均屬于柔性轉(zhuǎn)子，一般200 MW及以下的發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速在一、二階臨界轉(zhuǎn)速之間，大多數(shù)300MW及以上的發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速在二、三階臨界轉(zhuǎn)速之間。這兩類轉(zhuǎn)子的平衡方法存在較大的差異，因此在現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡時(shí)應(yīng)采取針對(duì)性的處理方案才能取得理想的效果。

1 柔性轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性

在不平衡作用下柔性轉(zhuǎn)子的振動(dòng)可表示為：

柔性轉(zhuǎn)子平衡主要根據(jù)其振型正交原理進(jìn)行。所謂正交是指在平衡某一階振型時(shí)，不影響其他振型的平衡狀態(tài)。現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡時(shí)通常一階不平衡采用對(duì)稱加重的方法，它與二階振型是正交的;二階不平衡采用反對(duì)稱加重的方法，它與一階不平衡是正交的。當(dāng)轉(zhuǎn)子存在三階不平衡時(shí)，為了不破壞一、二階振型平衡，理論上至少需要三個(gè)校正平面，但在現(xiàn)場(chǎng)由于無法在轉(zhuǎn)子中部進(jìn)行加重，無法完全滿足正交的要求。因此現(xiàn)場(chǎng)校正三階不平衡時(shí)一般采用在主跨內(nèi)加對(duì)稱重量或轉(zhuǎn)子外伸端加重兩種方法進(jìn)行平衡，對(duì)稱加重法雖然可能使這種不平衡得到一定的校正，但是靈敏度低，而且有可能破壞一階不平衡;而在轉(zhuǎn)子外伸端的聯(lián)軸器加重時(shí)一般會(huì)取得較好的效果。

2 實(shí)例分析

2.1 機(jī)組概況

某發(fā)電公司一期（2×300MW）工程是凝汽式亞臨界燃煤機(jī)組，汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)均由上海電氣集團(tuán)股份有限公司制造，汽輪機(jī)型式為兩缸兩排汽、亞臨界、一次中間再熱、供熱抽汽凝汽、直接空冷凝汽式，發(fā)電機(jī)采用雙水內(nèi)冷冷卻方式。軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及其相應(yīng)的6個(gè)支撐軸承組成，各轉(zhuǎn)子均為雙支撐結(jié)構(gòu)，軸系示意圖如圖1所示。

汽輪發(fā)電機(jī)組各轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速如表1所示。

2.2 機(jī)組振動(dòng)情況

1號(hào)機(jī)組經(jīng)過A級(jí)檢修后首次啟動(dòng)，機(jī)組升速至2 200 r/min后發(fā)電機(jī)5、6瓦軸振動(dòng)逐漸增大，轉(zhuǎn)速升至2 500 r/min以上時(shí)，振動(dòng)急劇增加，定速3000rpm后各軸承振動(dòng)詳見表2，5X、6X軸振動(dòng)升速波德圖分別見圖2、圖3。

2.3 初步分析

2.3.1 從表2振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知在額定轉(zhuǎn)速下5、6瓦軸振動(dòng)偏大，尤其5瓦X向軸振動(dòng)達(dá)184 ?m，遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求（80μm）[3]，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3.2 從振動(dòng)頻譜分析可知額定轉(zhuǎn)速下各瓦軸振、瓦振均以工頻分量為主，屬于普通強(qiáng)迫振動(dòng)，幅值、相位都比較穩(wěn)定，可以排除動(dòng)靜碰磨及測(cè)試信號(hào)干擾等因素[4-5]。

2.3.3 發(fā)電機(jī)5瓦振動(dòng)超標(biāo)，但相鄰低壓轉(zhuǎn)子的4瓦振動(dòng)很小，因此可以排除外伸端存在不平衡的問題。

2.3.4 從表1可知該機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子二階臨界轉(zhuǎn)速低于工作轉(zhuǎn)速，且發(fā)電機(jī)兩側(cè)5號(hào)、6號(hào)瓦軸振動(dòng)存在較大的同相振動(dòng)分量，因此初步分析發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本體存在一定的三階質(zhì)量不平衡。

2.4 處理過程

2.4.1 第一次動(dòng)平衡

從前述柔性轉(zhuǎn)子的振動(dòng)特性可知當(dāng)轉(zhuǎn)子存在三階不平衡時(shí)，采用對(duì)稱加重的方法雖然可能使這種不平衡得到一定的校正，但是靈敏度低，而且有可能破壞一階不平衡。但因現(xiàn)場(chǎng)無充裕停機(jī)冷卻時(shí)間，且只有發(fā)電機(jī)配重塊到廠，故在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端平衡槽進(jìn)行了試加重，機(jī)組啟動(dòng)后有一定改善，但效果不理想。分析認(rèn)為發(fā)電機(jī)主跨內(nèi)加重對(duì)三階不平衡影響小，故決定有停機(jī)機(jī)會(huì)時(shí)再次進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。

2.4.2 第二次動(dòng)平衡

機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后利用停機(jī)機(jī)會(huì)對(duì)配重進(jìn)行了調(diào)整，為了避免低-發(fā)對(duì)輪加重過多導(dǎo)致4瓦振動(dòng)超標(biāo)，在發(fā)電機(jī)跨內(nèi)及外伸端（低-發(fā)對(duì)輪）同時(shí)進(jìn)行了加重，實(shí)際加重為：低-發(fā)對(duì)輪700g;發(fā)電機(jī)5瓦側(cè)720g，6瓦側(cè)900g。加重后1號(hào)機(jī)組啟動(dòng)后順利定速、并網(wǎng)帶負(fù)荷。在過一階臨界時(shí)發(fā)電機(jī)振動(dòng)較平衡前有所增大，但均在100μm以內(nèi)，220MW有功負(fù)荷工況下各軸承軸振動(dòng)均在80μm以內(nèi)，各軸承瓦振均在20μm以內(nèi)，完全滿足安全運(yùn)行要求。高速動(dòng)平衡后各瓦軸振、瓦振見表3所示，5X、6X軸振動(dòng)升速波德圖分別見圖4、圖5。

3 結(jié)束語

大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子雖然在制造廠進(jìn)行過單轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡，但在現(xiàn)場(chǎng)連接成軸系后由于邊界約束條件的變化仍可能出現(xiàn)軸系不平衡振動(dòng)，對(duì)于工作轉(zhuǎn)速高于二階臨界轉(zhuǎn)速的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子可呈現(xiàn)三階不平衡振動(dòng)，其特征是工作轉(zhuǎn)速下前后軸承存在較大的同相振動(dòng)分量。采取對(duì)稱加重的方法雖然使這種不平衡得到一定的校正，但效果不理想，而且對(duì)機(jī)組的一階平衡狀態(tài)有所影響，不利于機(jī)組過臨界振動(dòng)，這時(shí)在發(fā)電機(jī)外伸端加重取得了很好的效果，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)高速動(dòng)平衡處理后該機(jī)組振動(dòng)值均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，滿足了安全運(yùn)行的要求，所取得的振動(dòng)治理經(jīng)驗(yàn)對(duì)同型機(jī)組類似振動(dòng)故障的診斷及現(xiàn)場(chǎng)處理有一定的借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：

劉宗浩（1988-），男，山西太原人，2009年畢業(yè)于山西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院熱能動(dòng)力工程專業(yè)，助理工程師，現(xiàn)主要從事汽輪發(fā)電機(jī)及輔助設(shè)備附屬機(jī)械安裝施工技術(shù)工作。

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)山西電力建設(shè)有限公司，山西 太原 030006）