百萬超超臨界機組發電機油膜失穩故障分析及處理

國能龍源電力技術工程有限責任公司 王 鵬

某超超臨界10 0 0 M W火電機組發電機為哈爾濱電機廠有限責任公司生產的水—氫—氫冷卻、靜態勵磁發電機，型號為QFSN2-1120-2，額定轉速3000r/min[1]。發電機橢圓軸承置于汽、勵側端蓋內，其軸系布置如圖1所示。本文通過該新建百萬超超臨界火電機組整套啟動期間油膜失穩故障的現象、故障原因分析及處理過程，為同類型機組油膜失穩故障處理提供實踐依據。

圖1 軸系布置圖

1 油膜失穩故障過程介紹

1.1 機組首次故障跳機

2022年4月26日，汽輪機首次沖轉定速3000r/min，21:45發電機開始進行空載試驗，過程記錄見表1。00:02:31汽輪機轉速下降至600r/min，00:43汽輪機轉速1.8r/min，惰走時間共計62min。汽輪機跳閘前，發電機其他相關運行參數均保持穩定。

表1 發電機空載試驗過程記錄

1.2 超速試驗故障跳機過程

2022年4月29日11:45進行電超速試驗，轉速升高至3045r/min，8X/9X振幅124um/147um，中止試驗。11:52電超速試驗，8X、9X振動大跳機，最高轉速3089r/min。12:33再次進行電超速試驗，轉速升高至3096/min，8X振幅升至132um中止試驗。12:38時，2臺交流油泵運行，潤滑油壓力0.227 MPa，溫度為47℃，進行電超速試驗，轉速最高升至3106r/min，8X振動最大162um，中止試驗，13:10汽機打閘。

1.3 振動特征

分析TDM和TSI記錄的歷史振動數據，首次沖轉并定速3000r/min過程中，8X/8Y、9X/9Y振幅最大值為59um/86um、78um/80um。頻譜數據分析發現正常運行中#8、#9軸承軸振在低倍頻分量的作用下上下輕微波動，#8、#9軸承軸振幅值及相位見表2。

表2 #8、#9軸承軸振幅值及相位 um um∠°

2022年4月26日，發電機空載試驗中，#8、#9軸承振動振幅在短時間內陡增，振幅達到高位跳機后仍繼續上升。振動值達到最大時8X、8Y軸振頻譜如圖2所示，9X、9Y軸振頻譜如圖3所示。

圖2 振動值最大時8X、8Y軸振頻譜

根據2022年4月29日機組帶負荷正常運行時波形頻譜數據，發電機#8、#9軸承軸振最大的3個頻率成分及振幅見表3，經試驗發現調整油壓對振動影響較小，但提升潤滑油溫度時#8、#9軸承軸振低頻振動情況得到顯著改善。

圖3 振動值最大時9X、9Y軸振頻譜

表3 發電機#8、#9軸承軸振最大的3個頻率成分及振幅

2 油膜失穩故障特征及原因分析

2.1 油膜失穩故障特征

該機組振動大跳機故障特征主要表現為振動突增且波動較大、低頻振動、對潤滑油溫度變化敏感等。通過對發電機轉子振動的頻譜數據分析，引起發電機#8、#9軸承軸振的主要頻率為0.19倍頻，0.25倍頻和0.38倍頻等，結合低頻振動分量與軸瓦穩定性的關系，診斷屬典型的油膜失穩現象。

2.2 油膜失穩故障原因分析

機組定速3000r/min后#8、#9軸承各項振動指標及參數穩定，根據設備廠家同類型機組類似情況，初步判定油膜失穩源于汽端軸承輕載。為進一步查找問題原因，對可能引起油膜失穩的原因逐一排查。通過對發電機進行匝間短路試驗，排除發電機匝間短路可能性；通過復查沉降數據，對比發電機就位前、發電機就位、整套啟動沉降數據排除沉降不均因素；通過對汽輪機、發電機設備的灌漿料及灌漿基礎進行檢測，各項技術指標符合要求；檢查#8、#9軸承潤滑油進油管道節流孔板分別為Φ33mm、Φ30.5mm，符合設計及廠家要求。

經對潤滑油系統進行全面檢查，確認低壓溢油閥投入正常，軸承進、回油量正常，#8、#9軸承解體檢查后確認軸承回油口通暢。綜合分析判定#8、#9軸承軸振陡增的主要原因是油膜失穩造成的，需通過提高#8軸承的軸瓦載荷進而解決油膜失穩故障，#9軸承油膜失穩為#8軸承故障誘發所致。

3 油膜失穩故障處理及效果

3.1 發電機油膜失穩處理方案討論

2022年5月11日10:40，機組盤車裝置、油系統停運，進行油膜失穩故障處理，經初步分析可采用僅抬高汽端軸承的方案、減小下半軸承承載面的方案、減小軸瓦頂隙的方案及同時抬高汽端和勵端軸承的方案。采用機械加工或鉗修方法減小下半軸瓦承載面的方案實施有一定的不確定性，采用機械加工或鉗修上半軸瓦接合面減小軸瓦頂隙，需同時加工軸承蓋合縫面，微量機械加工難度較高，鉗修方法耗時較多且不可以恢復，抬高汽端軸承的方案及同時抬高汽端和勵端軸承的方案，能夠達到標高調整的預期目標且可以恢復原狀。基于上述分析，機組第一階段油膜失穩故障處理采用僅抬高汽端軸承的方案，因未能徹底解決油膜失穩故障，第二階段采用在發電機底腳增加墊片的處理方案。

3.2 第一階段油膜失穩故障處理及效果

3.2.1 故障處理方案

通過調整#8軸承環上的墊片，使該軸承中心抬高0.2mm，整個過程不拆低發對輪，機內排氫置換并處于常壓狀態。根據原始施工安裝記錄，使發電機汽端軸瓦抬高0.2mm不影響發電機油檔梳齒及密封瓦正常運行，#8軸承環墊片調整如圖4所示。

圖4 #8軸承環墊片調整圖

3.2.2 故障檢查及處理過程

解體#8軸承及軸承環過程中，發現下半軸承環底部墊塊邊角與軸承環槽道根部接觸位置存在加工缺陷，如圖5所示，初步測量間隙約為0.1mm，下半軸承環底部墊塊及左右45°墊塊均存在同樣問題。由于軸承環底部的墊塊與軸承環之間接觸不實，造成運行中軸承下沉導致軸瓦處荷載下降，該間隙導致軸承與軸承環在運行中無法有效傳遞支撐力至發電機端蓋，進一步加劇了油膜失穩故障。

圖5 軸承環槽道根部加工缺陷

處理方案為將軸承環墊塊直角處進行倒角，確保墊塊與軸承環壓實，消除間隙。完成軸承環墊片調整后，對#8軸承環各墊塊接觸面進行調整、研磨，接觸面達到80%以上進行回裝，檢查軸承與軸承環球面接觸情況，復查#8軸承瓦枕緊力、軸瓦頂隙及側隙及油擋間隙等并調整至合格范圍后進行回裝，發電機汽端、勵端軸瓦間隙如圖6所示。

發電機汽端、勵端軸瓦間隙原始安裝數據及回裝記錄詳見表4。#8軸承回裝完成后對#9軸承進行翻瓦檢查，調整軸承與軸承環的球面接觸，確保符合要求后回裝。

表4 發電機汽端、勵端軸瓦間隙原始安裝數據及回裝記錄

3.2.3 處理效果

第一階段油膜失穩故障處理完成后于2022年5月21日重新啟動，機組在啟動升速、定速及并網帶負荷過程中，機組軸系振動狀況良好，振動幅值較穩定。定速3000r/min時通過TDM數據查詢，低倍頻振動幅值得到很大程度的改善，第一階段故障處理前、后軸心軌跡如圖7、圖8所示。

圖7 第一階段故障處理前軸心軌跡圖

圖8 第一階段故障處理后軸心軌跡圖

2022年5月23日進行電超速試驗時再次因#8軸承、#9軸承振動大故障跳機，超速試驗過程記錄見表5。

表5 超速試驗過程記錄

圖9 轉速3189r/min時#8軸承X向軸振頻譜

通過頻譜數據分析發現，導致#8、#9軸承振動故障跳機主要倍頻分量為0.19X和0.25X，振動值超過跳機值254um后，振動幅值仍有上升，隨轉速降低油膜失穩故障消失。通過TDM調取機組轉速3189r/min時#8軸承X向軸振頻譜如圖9所示、#9軸承X向軸振頻譜如圖10所示。

圖10 轉速3189r/min時#9軸承X向軸振頻譜

2022年5月24日進行變油溫試驗時，潤滑油溫度降低0.5℃時8X、9X振動陡升，潤滑油溫停止降低后各項振動參數恢復正常，#8、#9軸承振動趨勢如圖11所示。

圖11 #8、#9軸承振動趨勢

3.3 第二階段油膜失穩故障處理及效果

3.3.1 故障處理方案

圖12 #9軸承及軸承環實物圖

通過第一階段處理，油膜失穩故障有較大改善，雖未能完全解決，但通過增加#8軸承載荷對改善機組低頻振動效果明顯，有效緩解了油膜失穩故障。發電機勵端#9軸承未設置調整墊片，軸承與軸承環為球面接觸，內軸承環與外軸承環及外軸承環與軸承蓋間均為絕緣材料，如圖12所示。綜合考慮第一階段的軸瓦檢查情況及復裝數據，調整發電機標高只能在發電機底腳加強筋底部加裝墊片。發電機汽端、勵端同時抬高時對#7、#8、#9軸承載荷的影響見表6。

表6 發電機汽端、勵端同時抬高時對#7、#8、#9軸承載荷的影響

3.3.2 故障處理過程

通過兩個320t的液壓千斤頂與底腳頂起螺栓的配合，緩慢將發電機勵端頂起約0.4mm，將規格型號為0.1×130×500mm的墊片置于底腳加強筋正下方，墊片加裝完成后將發電機勵端緩慢落下壓實，汽端采用同樣方法進行標高調整，期間不解開低發對輪和低低對輪。

3.3.3 處理效果

第二階段油膜失穩故障處理方案實施后啟機定速3000r/min及并網帶負荷過程中，#7、#8、#9各軸承處軸振動參數較調整前相同工況有一定幅度的降低，機組負荷1005MW時DCS各項監控參數如圖13所示。

圖13 機組負荷1005MW時DCS各項監控參數

機組帶負荷運行期間，#8、#9軸承軸振低頻分量基本消失，最大值在50um以內。在40℃以上范圍進行變油溫試驗時，發電機各振動參數基本保持不變，進行3300r/min電超速試驗時故障消除。

4 結論

根據TDM及TSI從沖轉至帶負荷期間的歷史振動數據、頻譜特征及原始施工安裝記錄，對故障原因進行分析，結合運行參數調整及試驗，綜合判定發電機振動為油膜失穩導致，軸承環底部槽道加工缺陷導致墊片接觸不實使#8軸承穩定性下降。經多方案對比采用僅抬高汽端軸承的方案，因未能徹底解決油膜失穩故障，第二階段采用整體抬高發電機定子進而同時抬高汽端和勵端軸承的方案進行故障處理，有效解決了油膜失穩故障。后續同類型機組安裝時可適當加大發電機聯軸器的下張口，增加汽端軸承載荷，同時嚴格檢查底腳下部墊片安裝質量。此外，可通過調整降低軸瓦頂隙，增大軸瓦緊力，減小下半軸承承載面、調整汽機側#7軸承標高及將橢圓形軸瓦更換為可傾瓦等方案進行油膜失穩故障處理。