350 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組5# X 軸振大故障診斷及處理

高明華

（山西昱光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西朔州 036900）

1 設(shè)備概況及振動(dòng)情況

1.1 設(shè)備概況

某汽輪發(fā)電機(jī)組分別配套350 MW 超臨界、一次中間再熱、兩缸兩排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)和QFS2 型350 MW 等級(jí)雙水內(nèi)冷發(fā)電機(jī)[1]。軸系結(jié)構(gòu)如圖1 所示：機(jī)組共有6 個(gè)支撐軸承，其中高中壓轉(zhuǎn)子的1#、2#軸承采用可傾瓦式，低壓轉(zhuǎn)子的3#、4#軸承采用LEG 瓦可傾式，1#—4#瓦穩(wěn)定性較好，能夠避免油膜振蕩；5#、6#軸承使用橢圓瓦軸承；盤車裝置在4#、5#軸承之間，4#軸承與盤車裝置在同一軸承箱內(nèi)。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置及振動(dòng)情況

每個(gè)軸承均在與水平線成135°和45°處設(shè)X 及Y 向軸振測(cè)點(diǎn)，另在軸承箱垂直位置設(shè)置瓦振測(cè)點(diǎn)；鍵相傳感器安裝在前軸承箱內(nèi)轉(zhuǎn)子接長(zhǎng)軸處。

2019 年10 月23 日機(jī)組安裝完畢后首次啟動(dòng)定速3000 r/min時(shí)發(fā)電機(jī)5#X、5#Y 通頻軸振分別為74 μm 和48 μm，瓦振為5 μm；在隨后的4 h 空負(fù)荷空冷島沖洗階段，其5#X、5#Y軸振最大分別為94 μm 和56 μm，瓦振為5 μm，就地測(cè)量軸承蓋及地腳螺栓多處振動(dòng)均低于10 μm。2019 年11 月19—24日機(jī)組帶180 MW 負(fù)荷時(shí)，其5#X、5#Y 軸振最大分別為103 μm和63 μm。此外，1#—4#瓦軸振最大為45 μm，瓦振最大為9 μm；6#瓦軸振最大為48 μm，瓦振最大為5 μm。

2 振動(dòng)分類

為滿足正向推理診斷振動(dòng)故障的要求，把機(jī)組振動(dòng)分成十大類別，即：普通強(qiáng)迫振動(dòng)、軸瓦自激振動(dòng)、分諧波共振、電磁激振、拍振、隨機(jī)振動(dòng)、汽流激振、參數(shù)振動(dòng)、撞擊振動(dòng)、高次諧波共振。各類振動(dòng)相關(guān)特征如表1 所示[2]。

3 5# X 振動(dòng)大故障診斷及處理

3.1 振動(dòng)特點(diǎn)

由圖2、3 可知，5#X 軸振在空負(fù)荷及滿負(fù)荷狀態(tài)下，振動(dòng)主頻率均為工頻，其余頻率振動(dòng)均可忽略不計(jì)，且振動(dòng)相位角均為229°左右；另外，其軸心軌跡為形狀一致的較為規(guī)則的橢圓，波形圖均為正弦波。

圖1 機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)示意

3.2 故障分析

由表1 可知，使軸瓦產(chǎn)生工頻振動(dòng)的原因分為不對(duì)稱電磁力、固定式聯(lián)軸器連接的轉(zhuǎn)子同心度和平直度偏差以及不平衡離心力三種。

3.2.1 不對(duì)稱電磁力

在正常情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁力在直徑方向上應(yīng)該是均衡的，不會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)，只會(huì)對(duì)靜子產(chǎn)生一個(gè)周期性的吸力。如果轉(zhuǎn)子線圈出現(xiàn)了故障，或者是靜子空氣間隙出現(xiàn)不均，那么轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的電磁力就不會(huì)對(duì)稱，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動(dòng)，其振動(dòng)隨勵(lì)磁電流的增大而增大，且無時(shí)滯。而導(dǎo)致不對(duì)稱電磁力的主要故障有發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈局部短路以及空氣間隙不均勻等。因5#X 軸振大在空負(fù)荷下已發(fā)生，故可排除該故障。

3.2.2 固定式聯(lián)軸器連接的轉(zhuǎn)子同心度和平直度偏差

5#瓦位于低發(fā)對(duì)輪靠發(fā)電機(jī)側(cè)，因本機(jī)組聯(lián)軸器間止口間隙僅為0.03 mm，且安裝時(shí)嚴(yán)格按照緊螺栓工藝相隔90°各穿1條螺栓對(duì)稱擰緊，并測(cè)量外圓晃度及端面飄偏≤0.02 mm；另外，相鄰的4#瓦X 向及Y 向軸振均正常，且5#瓦軸振振幅隨負(fù)荷、油溫、蒸汽流量及壓力無變化，故可排除該故障。

3.2.3 不平衡離心力

（1）轉(zhuǎn)子不平衡的原因。不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械最常見的故障。引起轉(zhuǎn)子不平衡的原因有兩大類：一類是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的質(zhì)量偏心，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，制造和安裝誤差，材質(zhì)不均勻，受熱不均勻等，被稱為初始不平衡；另一類是轉(zhuǎn)子部件出現(xiàn)缺損，包括運(yùn)行中轉(zhuǎn)子的腐蝕、磨損、介質(zhì)結(jié)垢以及轉(zhuǎn)子受疲勞力的作用，使轉(zhuǎn)子的零部件（如葉輪、葉片等）局部損壞、松動(dòng)、脫落，碎塊飛出等，造成新的不平衡。

（2）轉(zhuǎn)子不平衡的振動(dòng)特點(diǎn)。振動(dòng)故障常見的有不平衡、不對(duì)中、油膜渦動(dòng)、油膜振蕩、初始彎曲、熱彎曲等多種形式。轉(zhuǎn)子不平衡故障是最常見的故障，其主要特征是機(jī)組的振動(dòng)幅值增大，振動(dòng)頻率為一倍頻，相位穩(wěn)定，軸心軌跡為橢圓形，工頻振動(dòng)的幅值與相位隨轉(zhuǎn)速的變化以及定轉(zhuǎn)速后隨時(shí)間的變化規(guī)律穩(wěn)定、重復(fù)性好。偏差可忽略，故可排除轉(zhuǎn)子熱彎曲。

表1 汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)分類

（3）在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)盤車2 h 內(nèi)，偏心值不大于0.02 mm，故可排除永久彎曲。

3.2.4.2 轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落

在機(jī)組運(yùn)行中最常發(fā)生飛脫的轉(zhuǎn)動(dòng)部件是汽輪機(jī)葉片和聯(lián)軸器擋風(fēng)板，正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)部件飛脫事件很少發(fā)生。轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落最重要的特征是振動(dòng)突然增大且時(shí)滯很小，一般小于0.1 s，故可排除。

3.2.4.3 轉(zhuǎn)子上存在活動(dòng)部件

轉(zhuǎn)子上存在活動(dòng)部件包括平衡塊在平衡槽內(nèi)自由移動(dòng)、轉(zhuǎn)子中心孔堵頭脫落、轉(zhuǎn)子中空部分存有異物等。這類故障產(chǎn)生的振動(dòng)主要發(fā)生在停機(jī)后再次啟動(dòng)，運(yùn)行中振動(dòng)很少發(fā)生突變，故可排除。

3.2.4.4 莫頓效應(yīng)

軸徑與烏金摩擦使軸徑徑向形成不均衡加熱，是由于軸徑在轉(zhuǎn)子不平衡力作用下，軸徑某一方向（由轉(zhuǎn)子不平衡方向決定）形成位移高點(diǎn)，軸徑每轉(zhuǎn)一周，位移高點(diǎn)都要經(jīng)過油膜最薄處一次，由于軸徑其他方向油膜較厚，油膜較薄處黏滯剪切力大于較厚處，從而造成軸徑位移高點(diǎn)方向摩擦發(fā)熱量較其他方向大，形成“熱點(diǎn)”，使軸徑產(chǎn)生徑向不對(duì)稱溫差。

因5#X 振動(dòng)在機(jī)組3000 r/min 空負(fù)荷及帶負(fù)荷下振幅及相位角均相同，5#、6#瓦瓦溫及回油溫度相差不大，且查閱安裝數(shù)據(jù)5#瓦側(cè)隙

圖2 3000 r/min 空負(fù)荷狀態(tài)下振動(dòng)圖譜

圖3 滿負(fù)荷狀態(tài)下振動(dòng)圖譜

3.2.4 5#X 振動(dòng)大故障判斷及確認(rèn)

3.2.4.1 轉(zhuǎn)子初始彎曲、熱彎曲及永久彎曲

（1）經(jīng)查詢機(jī)組安裝數(shù)據(jù)，最大彎曲值為0.015 mm，且機(jī)組在盤車狀態(tài)下偏心值不大于0.015 mm，故可排除初始彎曲。

（2）5#瓦振動(dòng)在機(jī)組空負(fù)荷及滿負(fù)荷下相位角一致，振幅值及頂隙均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，故可排除該故障。

3.2.4.5 動(dòng)靜碰磨

在汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中，轉(zhuǎn)子與靜子之間的碰磨是最常見的故障。導(dǎo)致動(dòng)靜碰磨的原因很多，例如轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子不對(duì)中、轉(zhuǎn)子彎曲等。碰磨故障中主要有3 種物理現(xiàn)象：碰撞、摩擦以及軸系剛度的改變。發(fā)生動(dòng)靜碰磨故障后，從碰磨情況出發(fā)，主要有以下軸心軌跡特征[3]：①如果是整周碰磨故障，軸心運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)呈現(xiàn)出圓形或者橢圓形，并且軌跡往往較為紊亂；②如果是單點(diǎn)局部碰磨故障，軸心運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)呈現(xiàn)出內(nèi)8 字形；③如果是多點(diǎn)局部碰磨故障，軸心運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出花瓣形。

由圖2、圖3 的軸心軌跡及波特圖可知，不存在動(dòng)靜碰磨故障。

3.2.4.6 轉(zhuǎn)子不平衡

由圖2、圖3 及不平衡離心力的振動(dòng)特征分析可知，造成5#X 軸振大的原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡離心力大。

3.3 5#瓦X 向振動(dòng)大故障處理

平衡故障的處理方式是進(jìn)行動(dòng)平衡，消除不平衡帶來的振動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)設(shè)備的振動(dòng)值小于允許范圍。

3.4 動(dòng)平衡后各瓦振動(dòng)情況

在低發(fā)對(duì)輪發(fā)電機(jī)側(cè)聯(lián)軸器0°和36°各加重174 g，合成角度和重量分別為18°和348 g（理論計(jì)算值為在15°配重348 g），5#X 軸振最大為68 μm，降至優(yōu)良值以下。

4 結(jié)語

該電廠汽輪發(fā)電機(jī)組自基建安裝后第一次沖轉(zhuǎn)至3000 r/min及機(jī)組并網(wǎng)后均存在5#X 軸振大問題，但瓦振值優(yōu)良，就地檢查軸承座基礎(chǔ)穩(wěn)定無異常，通過分析TDM 上頻譜圖、軸心軌跡、時(shí)域波形圖、波特圖等振動(dòng)趨勢(shì)圖，發(fā)現(xiàn)5#X 軸振主頻為工頻振動(dòng)，軸心軌跡為較為規(guī)則的橢圓形狀，波形為穩(wěn)定正弦波，且相位角在空負(fù)荷、半負(fù)荷及滿負(fù)荷均為229°左右，再結(jié)合機(jī)組安裝時(shí)聯(lián)軸器及軸瓦安裝記錄，可確認(rèn)引起5#X 軸振大的原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡離心力大，通過在5#瓦側(cè)聯(lián)軸器處加配重，解決了5#X 軸振大問題，為此類機(jī)組異常振動(dòng)診斷及處理提供參考。