330 MW機組軸振周期性波動分析處理

林 森，王 帥，方 俊

(淮南礦業集團發電有限責任公司，安徽 淮南 232072)

0 引言

長期以來，汽輪發電機組振動大一直是困擾火力發電廠的難題之一。由于引發汽輪發電機組振動大的因素較多，且振動種類多種多樣，直接精準判斷振動產生的根源較為困難，往往需要進行長期觀察和反復試驗方能確認。

下面介紹某電廠1號機組5號軸瓦振動周期性波動的異常現象，并記述了原因分析及缺陷處理的過程。

1 汽輪發電機組及其軸系支撐系統簡介

某電廠汽輪發電機組汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽凝汽式，設備型號N330-16.7/538/538；發電機為水氫氫冷卻、自并勵式，設備型號QFSN-330-2-20B。汽輪機分為高壓缸、中壓缸及低壓缸，其中高中壓部分采用合缸結構，高壓部分為雙層缸，低壓缸為對稱分流式雙層缸結構。汽輪機高、中、低壓轉子均為無中心孔整體鍛造式轉子，高中壓轉子、低壓轉子、發電機轉子分別采用剛性連接。

機組共6個支持軸承，其中汽輪機4個，發電機2個。為了軸系定位和承受轉子軸向力，還有1個獨立結構的推力軸承，位于高中壓轉子后端，詳見圖1。汽輪機的4個支持軸承分別為可傾瓦軸承及橢圓軸承，1號和2號軸承為可傾瓦軸承，3號和4號軸承為橢圓軸承。本機組的推力軸承為活支可傾瓦塊型(密切爾型)，采用了獨立結構的推力軸承，帶有球面軸瓦套，依靠球面的自位能力保證推力瓦塊載荷均勻。工作推力瓦和定位推力瓦各11塊。分別位于轉子推力盤的前后兩側，承受軸向推力，成為軸系的相對死點。

圖1 汽輪發電機組軸系示意

2 機組振動現象

1號機組于2018-05-15啟動并網，機組軸系各軸瓦參數正常。

8月11日之后，5號瓦軸振X，Y向振動明顯增大且呈規律性波動。表1與表2分別統計了8月1日至8月11日、8月12日至8月20日軸系各軸瓦軸振在最大負荷、最低負荷及平均負荷情況下的振動情況。

表1 8月1日至8月11日軸振振動情況統計

表2 8月12日至8月20日軸振振動情況統計

由8月5日至8月15日5號瓦軸振X，Y向的振動歷史曲線可知，三條曲線負荷歷史曲線、5號瓦軸振X，Y向振動歷史曲線中的兩條振動曲線高度重合，合并標注。由該振動曲線可觀察歸納出兩條規律：一是負荷變化趨勢與振動變化趨勢大致相反，即升負荷過程中振動逐漸減小，降負荷過程中振動逐漸增加，振動變化過程較負荷變化過程有一定的滯后性；二是8月12日開始，5號瓦軸振X，Y向振動值呈周期性波動且最大值、最小值逐漸向上漂移，同負荷下與該時間點之前相比，振動值增加明顯。

之后經調閱汽輪機振動在線監測系統(TDM)記錄的5號瓦軸振X，Y向振動頻譜，發現其振動以一倍頻為主。

此外，5號瓦軸振較為平穩，雖略有增加但仍在合格范圍內。

3 原因分析

3.1 振動異常原因分類

導致汽輪發電機組軸瓦振動大的原因較多，下面就各種不同的誘發原因及現象判斷分析如下：

(1) 汽輪機軸瓦支撐系統剛性不足或安裝部件松動。軸承支撐剛度削弱，振動被放大，或使轉子臨界轉速降低，落入共振。現象為軸承振幅沿垂直方向隨標高逐漸增大，且在剛度削弱處振幅突變。

(2) 汽輪機中心不正。中心不正是指聯軸器中心不對中或兩側端面張口不合適。此類原因導致的振動的頻譜一般為二倍頻。如果是純二倍頻則為平行不對中，若存在小一倍頻和二倍頻則可能為角不對中。

(3) 汽輪機轉子質量不平衡。該問題可由運行中葉片斷裂、脫落或不均勻磨損、腐蝕、結垢，使轉子發生質量不平衡或轉子找平衡時平衡塊選擇不當或安放位置不當引起。此種原因導致的振動的頻譜一般為一倍頻，振幅與轉速的平方成正比，通過臨界轉速時振動明顯加劇[1]。

(4) 發電機內部故障。如發電機轉子與定子之間的間隙不均勻、發電機轉子線圈短路等，均會引起機組振動。此類振動一般出現在勵磁電流增加或者勵磁電流較大時，并且同方向增加。

(5) 汽輪機潤滑油油膜振蕩。此類振動的頻譜一般以半倍頻為主，振動時有時無，運行方式發生變化時，振動有變化。

(6) 汽輪機進汽氣流擾動。順序閥運行工況下，機組運行至中高負荷時，振動上升較快。

(7) 汽輪機局部發生接觸摩擦。此類振動的頻譜一般以一倍頻為主，轉速增加振動增大，同時伴有金屬摩擦聲，嚴重時會迸濺火星。

(8) 汽輪機進汽帶水發生水沖擊。此類原因導致的振動現象較為明顯。

(9) 振動測點故障。該類原因最直接的表現是在低轉速下即有較高的振動值。一般而言這不是真正意義上的轉子振動，主要反映測量面存在缺陷，如測量面表明存在凹坑、測量面不圓等[2]。

3.2 排除法分析原因

結合上述幾個方面的原因、現象，采用排除法進行分析判斷。

汽輪機軸瓦支撐系統剛性不足或安裝部件松動、汽輪機中心不正、汽輪機轉子質量不平衡引起的振動異常一般在機組啟動時就會表現出來，而故障機組是在運行一段時間后發生的異常，故可以排除上述三種原因。

發電機內部故障引起的振動異常，如為發電機轉子與定子之間的間隙不均勻導致，則應在啟動初期發生；如為發電機轉子線圈短路導致，則電氣發電機勵磁電壓和勵磁電流的比例關系會改變，勵磁電流不變時無功出力下降。故障機組勵磁系統正常，故可排除此類原因。

由于振動頻譜以一倍頻為主，且汽輪機油質、油溫、油壓等均無較大波動，可以排除汽輪機潤滑油油膜振蕩的可能性。

汽輪機進汽汽溫汽壓正常，且振動與機組負荷高低變化無對應關系，可以排除汽輪機進汽氣流擾動、進汽帶水發生水沖擊導致振動異常的可能性。

振動測點故障可通過低轉速下是否存在高振動值或測量測點間隙電壓進行判斷。經現場實際測量，振動測點間隙電壓正常，因此排除測點問題。

3.3 確認最可能的原因

排除上述幾方面的原因后，汽輪機局部發生碰磨導致汽輪發電機組5號瓦軸振大的可能性最大。下面根據汽輪機局部發生碰磨的主要誘因，同時結合機組相關運行參數的實際情況，逐一分析判斷。

(1) 大軸彎曲或動靜間隙過小。因機組為運行過程中發生的振動異常波動，此兩項誘因可以排除。

(2) 膨脹不均勻。機組缸溫監視數據無異常，脹差在正常范圍值內無波動，且僅5號瓦軸振偏大，此項誘因可以排除。

(3) 轉子軸向位移過大。機組軸向位移數據正常，且僅5號瓦軸振偏大，此項誘因可以排除。

(4) 軸封部位密封不佳。5號瓦處并無軸封且機組軸封供汽壓力、溫度正常，此項誘因可以排除。

(5) 發電機碳刷過緊。經長時間定時測溫觀察，碳刷組整體溫度均勻無超溫及溫差大現象，同時6號瓦軸振參數正常，此項誘因可以排除。

(6) 油擋、汽封等因異常原因與轉子接觸摩擦。摩擦振動的機理為：對汽輪機轉子來講，摩擦可以產生抖動、渦動等現象，但實際有影響的主要是轉子熱彎曲。動靜摩擦時圓周上各點的摩擦程度是不同的，由于重摩擦側溫度高于輕摩擦側，導致轉子徑向截面上溫度不均勻，局部加熱造成轉子熱彎曲，產生一個新的不平衡力作用到轉子上引起振動。當熱量散失后，熱彎曲恢復，不平衡力消失，振動減弱或者消失。但是由于機組持續運行，且接觸摩擦會導致接觸部件劣化不可逆，使發電機振動呈波動上揚趨勢[3]。對照上述分析，綜合判斷在汽輪發電機組5號軸瓦處發生輕微接觸摩擦的可能性較大。

4 檢查處理

8月24日機組停運后，對汽輪發電機組5號軸瓦進行了翻瓦檢查，發現該位置有兩處碰磨較為嚴重，分別為密封瓦左側單邊磨損及密封瓦座內擋油環左側磨損。同時發現密封瓦背部彈簧彈力不均，上半部彈力較為松弛。在檢修過程中，對密封瓦、擋油環及密封瓦背部彈簧進行了更換并調整彈力到設計值，對密封瓦座與轉子同心度、密封瓦座與轉子凸肩垂直度、汽輪機與發電機對輪同心度、5號軸瓦揚度等進行了測量并確認在合格范圍內。10月28日機組重新啟動，5號瓦軸振參數正常，振動值周期性波動的現象消失。

5 結束語

動、靜部件間的接觸摩擦導致汽輪發電機組振動大的現象較為普遍。但由于缺乏直觀高效的檢測手段，在機組運行期間對這一因素的診斷往往能判明方向但精準性不足。通過對機組振動大的不同原因的現象進行漸進式分析，使得導致發生周期性振動波動的誘發因素最終確認并消除。希望這一分析診斷過程能為其他電廠處理此類問題提供有益的經驗參考。