汽輪發(fā)電機(jī)組油膜渦動(dòng)故障診斷與處理

華能山東如意（巴基斯坦）能源（私人）有限公司 張 平 吳曉龍 李冠宇

滑動(dòng)軸承常用于汽輪發(fā)電機(jī)組徑向和軸向支持，承擔(dān)轉(zhuǎn)子重量、轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的離心力和軸向推力，常用的有圓筒形軸承、橢圓形軸承、三油楔軸承和可傾瓦軸承等。基于某些邊界條件，滑動(dòng)軸承存在因油膜作用引起旋轉(zhuǎn)軸自激振動(dòng)故障。在汽輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)升速過程中，隨著轉(zhuǎn)速的提升并達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生突然性的渦動(dòng)，使機(jī)組振動(dòng)增加，進(jìn)而波及到軸系各個(gè)軸瓦，這種現(xiàn)象叫做軸瓦自激振動(dòng)。軸瓦自激振動(dòng)除了與轉(zhuǎn)速有關(guān)外，還與其它很多因素相關(guān)，因此在機(jī)組帶負(fù)荷過程中，也會(huì)出現(xiàn)油膜渦動(dòng)故障[1]。

本文以某電廠某臺(tái)機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行期間，機(jī)組符合運(yùn)行在218MW附近時(shí)，發(fā)生了汽輪發(fā)電機(jī)組油膜渦動(dòng)故障為例。該機(jī)組6、7瓦振動(dòng)出現(xiàn)顯著“突增”現(xiàn)象，因7Y振動(dòng)值超過跳機(jī)值而被迫停機(jī)。實(shí)施動(dòng)平衡后，機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行階段6、7瓦振動(dòng)下降明顯，達(dá)到振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的優(yōu)秀水平，帶負(fù)荷運(yùn)行階段再未發(fā)生振動(dòng)突增現(xiàn)象，動(dòng)平衡工作取得預(yù)期效果。

1 機(jī)組概述

如圖1所示，該汽輪發(fā)電機(jī)組軸系主要由以下七部分組成：高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子和支撐軸承，每一段轉(zhuǎn)子之間均采用剛性連接。從圖中可以看到，高中壓轉(zhuǎn)子由#1和#2軸承支撐，其為落地式軸承，形式為可傾瓦軸承；低壓轉(zhuǎn)子由#3和#4軸承支撐，為座缸式軸承，其形式為橢圓軸承；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由#5和#6軸承支撐，其為端蓋軸承，形式為橢圓軸承；勵(lì)磁轉(zhuǎn)子由#7軸承支撐，其為落地式軸承，形式為橢圓軸承。

圖1 機(jī)組軸系簡(jiǎn)圖

2 故障診斷

2020年6月14日機(jī)組大修后啟機(jī)，沖轉(zhuǎn)過程中7Y測(cè)點(diǎn)振動(dòng)超標(biāo)無法通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡后順利降低了6Y、7Y測(cè)點(diǎn)振動(dòng)，機(jī)組成功并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行。6月24日19點(diǎn)46分，機(jī)組在218MW負(fù)荷附近運(yùn)行，6、7瓦振動(dòng)出現(xiàn)顯著“突增”現(xiàn)象。

振動(dòng)突變主要出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)后軸承和勵(lì)磁機(jī)軸承，其余軸承振動(dòng)基本穩(wěn)定。圖2和圖3為機(jī)組帶負(fù)荷過程中出現(xiàn)振動(dòng)突變的趨勢(shì)圖。#6、#7軸承X/Y方向軸振和瓦振5個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)幾乎同時(shí)突變，其中7Y振動(dòng)值變化幅度最大。振動(dòng)突變歷時(shí)幾秒鐘，經(jīng)過2分鐘繼續(xù)爬升后維持在高振動(dòng)水平。

圖2 機(jī)組帶負(fù)荷過程中出現(xiàn)振動(dòng)突變趨勢(shì)圖

圖3 機(jī)組帶負(fù)荷過程中出現(xiàn)振動(dòng)突變趨勢(shì)圖

比較圖3與圖4振動(dòng)突變趨勢(shì)圖得出：振動(dòng)測(cè)點(diǎn)5Y、6Y、7X、7Y、#7瓦振，突變前振動(dòng)分別為93.922、50.824、63.034、135.07、36.783μm，突變后振動(dòng)分別為98.196、77.381、70.665、286.17、57.845μm。

振動(dòng)突變后，機(jī)組快速降負(fù)荷到190MW左右，進(jìn)行變有功功率和無功功率試驗(yàn)，試驗(yàn)表明機(jī)組有功功率和無功功率的改變對(duì)6、7瓦振動(dòng)無影響，如圖4所示。

圖4 機(jī)組變有功功率和無功功率試驗(yàn)過程趨勢(shì)圖

6月24日啟機(jī)，機(jī)組按照正常升速率沖轉(zhuǎn)，升速至2970rpm附近時(shí)6、7瓦振動(dòng)發(fā)生突增現(xiàn)象，降速至2840rpm時(shí)6、7瓦振動(dòng)突降，如圖5所示。該振動(dòng)特征在機(jī)組超速試驗(yàn)、帶負(fù)荷階段振動(dòng)大停機(jī)后的兩次沖轉(zhuǎn)過程中均有體現(xiàn)。

圖5 6月24日機(jī)組升降速階段振動(dòng)趨勢(shì)圖

6月24日打閘停機(jī)后第三次沖轉(zhuǎn)，升速至2900rpm，隨后緩慢提升轉(zhuǎn)速，7Y振動(dòng)一直維持在100μm左右，成功定速3000rpm。機(jī)組帶負(fù)荷階段，7Y振動(dòng)97μm左右，各瓦振動(dòng)穩(wěn)定。機(jī)組各瓦振動(dòng)列表如下表1，表2為6月17日機(jī)組帶負(fù)荷階段各瓦振動(dòng)列表。

對(duì)比表1和表2中6、7瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)得出：振動(dòng)測(cè) 點(diǎn)6X、6Y、7X、7Y，6月17日 峰 峰 值，工 頻幅 值∠相 位 分 別 為34,24∠219、44,31∠201、49,40∠93、84,83∠32μm；6月28日峰峰值，工頻幅值∠相位分別為40,24∠21。8、45,29∠186、56,45∠93、97,91∠35μm。

表1 6月28日機(jī)組帶負(fù)荷階段各瓦振動(dòng)列表

表2 6月17日機(jī)組帶負(fù)荷階段各瓦振動(dòng)列表

比較6月17日和6月28日機(jī)組帶負(fù)荷階段6、7瓦軸振峰峰值、工頻幅值和相位數(shù)據(jù)，各對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)基本保持一致，說明經(jīng)歷振動(dòng)突變故障后發(fā)電機(jī)—?jiǎng)?lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)未發(fā)生改變。

表3 機(jī)組帶負(fù)荷階段振動(dòng)突變后振動(dòng)列表

數(shù)據(jù)時(shí)間 2020-7-7 17:48:13轉(zhuǎn)速 2999.8RPM通道名稱 通頻 1X幅值∠相位2X幅值∠相位 間隙電壓 其它頻率：幅值2#Y 35μm 26∠63 2∠0 -13.327V 2#V 1μm 0∠0 0∠0 -10.587V 3#X 76μm 69∠143 8∠97 -9.659V 3#Y 47μm 40∠51 7∠270 -9.763V 3#V 1μm 1∠0 0∠0 -10.583V 4#X 36μm 32∠342 4∠251 -10.991V 4#Y 44μm 37∠256 5∠120 -9.333V 4#V 0μm 0∠0 0∠0 -0.001V 5#X 71μm 45∠71 22∠269-11.994V 5#Y 101μm 80∠351 12∠101-10.858V 5#V 0μm 0∠0 0∠0 0.00V 6#X 47μm 11∠277 24∠75 -11.401V 6#Y 130μm 89∠277 89∠277-11.156V 6#V 0μm 0∠0 0∠0 0.00V 7#X 92μm 60∠65 19∠263-11.610V 7#Y 500μm 336∠92 28∠169-10.362V 7#V 64μm 29∠44 15∠325-10.391V

綜合上述振動(dòng)特征，認(rèn)為突發(fā)振動(dòng)是真實(shí)信號(hào)，以0.5倍頻分量為主。引起機(jī)組振動(dòng)突變常見故障有旋轉(zhuǎn)部件脫落、對(duì)輪錯(cuò)位、汽流激振和油膜失穩(wěn)故障。發(fā)生旋轉(zhuǎn)部件脫落和對(duì)輪錯(cuò)位故障的軸系，其平衡狀態(tài)通常是不可逆改變；汽流激振常發(fā)生在高參數(shù)機(jī)組的高壓轉(zhuǎn)子和高中壓轉(zhuǎn)子上。因此可排除旋轉(zhuǎn)部件脫落、對(duì)輪錯(cuò)位和汽流激振三類故障，初步判斷機(jī)組發(fā)生了油膜失穩(wěn)故障。

油膜失穩(wěn)故障是汽輪發(fā)電機(jī)組常見的一種自激振動(dòng)，故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：轉(zhuǎn)子軸徑在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)潤(rùn)滑油高速流動(dòng)。潤(rùn)滑油在高速流動(dòng)過程中，會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的作用力，該作用力會(huì)反向作用于軸徑，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。該故障大多數(shù)情況下會(huì)在機(jī)組啟機(jī)升速和超速試驗(yàn)過程中發(fā)生，少數(shù)情況會(huì)在機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行過程中發(fā)生。

油膜失穩(wěn)故障具有以下特征：

機(jī)組油膜失穩(wěn)故障出現(xiàn)時(shí)，低頻分量會(huì)顯著出現(xiàn)，振動(dòng)頻率通常為工作轉(zhuǎn)頻的43%～49%，接近半倍工作轉(zhuǎn)頻，不能用提高轉(zhuǎn)速的辦法消除。

突發(fā)性是振動(dòng)故障的顯著特征之一。在短時(shí)間（幾秒鐘）內(nèi)，振動(dòng)幅值就可以從低幅值達(dá)到很高幅值。

傳遞性是振動(dòng)故障的顯著特征之一。振動(dòng)幅值突變的發(fā)生，振動(dòng)最先發(fā)生在油膜失穩(wěn)的軸承處，隨后振動(dòng)迅速傳遞到相鄰軸承處，使其產(chǎn)生振動(dòng)。

轉(zhuǎn)速滯后現(xiàn)象。該現(xiàn)象主要表現(xiàn)為：汽輪發(fā)電機(jī)組在轉(zhuǎn)速升速和降速過程中，會(huì)出現(xiàn)油膜失穩(wěn)造成的轉(zhuǎn)速不一致現(xiàn)象。降速時(shí)油膜失穩(wěn)使轉(zhuǎn)速出現(xiàn)消失情況，升速時(shí)產(chǎn)生油膜失穩(wěn)的轉(zhuǎn)速，兩個(gè)轉(zhuǎn)速比較，前者要低于后者。

通過對(duì)機(jī)組DCS數(shù)據(jù)和振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)特征符合上述油膜失穩(wěn)故障特征，且發(fā)—?jiǎng)?lì)轉(zhuǎn)子一階臨界＞1/2工作轉(zhuǎn)速，排除油膜震蕩故障，綜合分析認(rèn)為該機(jī)組發(fā)生了油膜渦動(dòng)故障。

3 處理過程

油膜渦動(dòng)故障原因主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：軸徑振動(dòng)過大和軸瓦穩(wěn)定性差。

上述軸頸擾動(dòng)過大，主要是指軸頸與軸瓦之間的相對(duì)振動(dòng)，即轉(zhuǎn)軸振動(dòng)。從機(jī)組各個(gè)工況振動(dòng)情況得知，7Y振動(dòng)工頻幅值大于90μm，說明勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子軸徑振動(dòng)稍大。

經(jīng)過多臺(tái)機(jī)組處理過程以及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可以得出結(jié)論：引起軸瓦自激振動(dòng)重要原因之一是轉(zhuǎn)軸振動(dòng)過大。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的分析可以看到，針對(duì)該汽輪發(fā)電機(jī)組的軸瓦類型，軸承自激振動(dòng)現(xiàn)象多出現(xiàn)于軸振幅值大于軸瓦正常頂隙的1/2的情況。

對(duì)于軸瓦自激振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，技術(shù)人員會(huì)討論如何能夠提高軸瓦的穩(wěn)定性，來避免該現(xiàn)象的出現(xiàn)。通常情況下，會(huì)考慮軸瓦在設(shè)計(jì)、制造、選型、運(yùn)維和檢修等方面因素是否影響軸瓦的穩(wěn)定性。下面給出幾種主要措施，供參考選擇。

（1）采取減小軸瓦頂隙的措施，可以達(dá)到提高軸瓦頂部油膜力、提高軸瓦預(yù)載荷、增大軸頸偏心率的效果，從而提高軸瓦穩(wěn)定性。

（2）在軸瓦選型中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，可改變軸瓦原有形式，更換成穩(wěn)定性更高的結(jié)構(gòu)形式。通常情況下，滑動(dòng)軸承形式的穩(wěn)定性排序，從好到差依次為：可傾瓦＞橢圓瓦＞圓筒瓦＞三油楔瓦。由此可見，可傾瓦穩(wěn)定性最好，三油楔瓦穩(wěn)定性最差。

（3）采用黏性系數(shù)小的潤(rùn)滑油：現(xiàn)場(chǎng)可以提過提高油溫降低潤(rùn)滑油粘度，增加軸頸偏心率。一些已經(jīng)發(fā)生油膜失穩(wěn)故障的機(jī)組，通過降低油溫，增大油膜對(duì)轉(zhuǎn)子阻尼力，也可以改善軸系振動(dòng)。具體措施可根據(jù)汽輪機(jī)油溫技術(shù)規(guī)范與電廠試驗(yàn)條件擇優(yōu)選擇。

（4）提高軸承比壓。

（5）采取減小軸承寬徑比的措施，可以達(dá)到有效提高滑動(dòng)軸承比壓、有效降低下瓦油膜力、增大軸頸偏心率的效果，從而增高軸瓦穩(wěn)定性。

（6）軸承座標(biāo)高變化[2]。

由于汽輪發(fā)電機(jī)組軸系是由多個(gè)跨度的轉(zhuǎn)子組成，因此在安裝（冷態(tài)安裝）過程中，必須滿足各段轉(zhuǎn)子聯(lián)結(jié)后，形成一條光滑的曲線。機(jī)組進(jìn)入到實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)后，受到多個(gè)運(yùn)行參數(shù)的變化影響，這些參數(shù)主要包括汽輪機(jī)進(jìn)汽溫度、發(fā)電機(jī)—?jiǎng)?lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流、氫溫及凝汽器真空等，導(dǎo)致各軸承標(biāo)高發(fā)生變化。對(duì)于一些軸承穩(wěn)定性裕度不足的機(jī)組，其振動(dòng)對(duì)軸承標(biāo)高變化十分敏感。

消除軸承油膜渦動(dòng)故障有多個(gè)可選方法，根據(jù)機(jī)組檢修計(jì)劃安排，考慮采取現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡措施。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡

根據(jù)6、7瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)，利用臨停機(jī)會(huì)，在勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子整流盤處加重195克∠90°。第一次動(dòng)平衡后6、7瓦軸振升速波特圖如下圖6。

圖6 第一次動(dòng)平衡后6、7瓦軸振升速波特圖

表4 第一次動(dòng)平衡后機(jī)組3000轉(zhuǎn)/分振動(dòng)列表

首次加重后啟機(jī)，6、7瓦振動(dòng)在轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速區(qū)和定速3000轉(zhuǎn)/分時(shí)均略有下降，振動(dòng)水平并不理想。根據(jù)試加重前后振動(dòng)數(shù)據(jù)，第二次配重決定去掉試加重質(zhì)量塊，在磁機(jī)轉(zhuǎn)子整流盤處新加重185克∠0°(實(shí)際是去掉質(zhì)量塊185g/180度)。

圖7 第二次動(dòng)平衡后6、7瓦軸振升速波特圖

表5 第二次動(dòng)平衡后機(jī)組3000轉(zhuǎn)/分振動(dòng)列表

實(shí)施動(dòng)平衡后，機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行階段6、7瓦振動(dòng)下降明顯，達(dá)到振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的優(yōu)秀水平，動(dòng)平衡工作取得預(yù)期效果。帶負(fù)荷運(yùn)行階段6、7瓦振動(dòng)未再發(fā)生異常突增現(xiàn)象，為機(jī)組運(yùn)行至9月份檢修提供了安全保障。