某電廠1號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)振動(dòng)診斷分析及防范措施

中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司 劉曉明 劉明星

1 設(shè)備簡介

該電廠 1 號(hào)汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的CC330/264-16.7/1.0/537/537型亞臨界、一次中間再熱、高中壓缸分缸、單軸、三缸兩排汽、雙抽可調(diào)整抽汽沖動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，采用高中壓分缸結(jié)構(gòu)，高壓部分有一級(jí)單列沖動(dòng)式調(diào)節(jié)級(jí)和八級(jí)高壓沖動(dòng)級(jí)，中壓部分有七級(jí)中壓沖動(dòng)級(jí)，低壓缸對(duì)稱布置六個(gè)低壓反動(dòng)級(jí)，由中間進(jìn)汽，兩端排汽。整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組共有8個(gè)支持軸承支撐，其中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子由#1～#6軸承支撐，#1～#4 為可傾瓦軸承，未設(shè)置頂軸油裝置；#5、#6 軸承為 LEG 軸承，設(shè)置有頂軸油裝置。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由#7～#8 軸承支撐，設(shè)置有頂軸油裝置，推力軸承設(shè)在#2 軸承箱內(nèi)，為自位式推力軸承，推力盤兩側(cè)的支承環(huán)內(nèi)各安裝 8 塊可滑動(dòng)的推力瓦塊，如圖1所示。

圖1 軸承分布

2 故障描述

2023年6月8日15:02，1號(hào)機(jī)組純凝工況啟機(jī)，啟機(jī)過程機(jī)組振動(dòng)正常，機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在130MW運(yùn)行，5X/5Y 振動(dòng)值分別為 30.75μm/25.58μm；6X/6Y 振動(dòng)值分別為 38.39μm/33.24μm。

6月9日，6:02機(jī)組開始升負(fù)荷至147MW，#5、#6軸振動(dòng)開始出現(xiàn)較為明顯的增長和波動(dòng)，振動(dòng)短暫出現(xiàn)峰值，5X/5Y 振動(dòng)值分別98.31μm/24.21μm；6X/6Y 振 動(dòng) 值 分 別 為34.51μm/31.47μm。機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后，振動(dòng)有一定下降，但5X、6X 平均振動(dòng)值相比啟動(dòng)初期有一定增加。9:32，機(jī)組負(fù)荷升至160MW 穩(wěn)定運(yùn)行，5X/5Y 振動(dòng)值分別為42.28μm/26.71μm；6X/6Y振動(dòng)值分別為39.16μm/32.36μm。

12:13:33，機(jī)組負(fù)荷約機(jī)組負(fù)荷、主汽壓力和溫度等參數(shù)未大幅波動(dòng)，但#5、#6軸振動(dòng)開始快速突升（其中 5X 振動(dòng)先于其他軸振動(dòng)），5X 由38.64μm 升205.6μm，5Y 由 25.84μm 升至83.77μm，6X 由38.99μm 升 至123.22μm，6Y由34.37μm 升至67.85μm，爬升過程約11s,運(yùn)行人員隨后將機(jī)組負(fù)荷滑壓降負(fù)荷至132MW 運(yùn)行直至停機(jī)，期間，振動(dòng)未明顯下降，在之后機(jī)組維持運(yùn)行37min 左右后振動(dòng)第一次突升，運(yùn)行40min 后，#5、#6 軸振動(dòng)再次突升，觸發(fā)振動(dòng)大跳閘邏輯，機(jī)組跳閘后，振動(dòng)開始快速下降，轉(zhuǎn)速降至，機(jī)組停機(jī)惰走時(shí)間約為63min，惰走時(shí)間正常，停機(jī)過程機(jī)組振動(dòng)正常。

3 現(xiàn)場檢查及數(shù)據(jù)分析

3.1 TDM 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

2023年6月9日9:20左右，#4、#5、#6軸 X/Y 向振動(dòng)主要成分為一倍頻（1X）和低倍頻（0.375X），其中一倍頻（1X）為主要成分。12:13:33，#4、#5、#6軸振第一次突升后，軸承振動(dòng)主要成分為一倍頻（1X）和低倍頻（0.375X、0.75X），且以低倍頻（0.375X）為主要成分，分析#4、#5、#6瓦的振動(dòng)頻譜圖可以得出，隨著1號(hào)機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)的發(fā)展，#4、#5、#6軸承振動(dòng)主要有以下特性。

一是機(jī)組啟機(jī)過程和帶負(fù)荷初期，機(jī)組振動(dòng)正常，振動(dòng)以基頻（1X）為主，未見低倍頻分量。二是振動(dòng)突升前后，振動(dòng)基頻分量（幅值和相位）基本不變，通頻的增大主要體現(xiàn)在低頻分量的增大，低倍頻分量主要為0.375X，即18.75Hz，對(duì)應(yīng)的是1125r/min 的振動(dòng)，與低壓轉(zhuǎn)子（一階1512r/min）、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子（一階864r/min）、中壓轉(zhuǎn)子（一階1849r/min）的一階臨界轉(zhuǎn)速頻率不一致，可能與軸承的非線性有關(guān)。查詢振動(dòng)案例，部分機(jī)組油膜振蕩的振動(dòng)頻率為18.8Hz，與本機(jī)組振動(dòng)頻率基本一致。

綜上所述，振動(dòng)主要為#4、#5、#6軸承振動(dòng)，振動(dòng)突升前后振動(dòng)基頻分量（幅值和相位）基本不變，通頻的增大主要體現(xiàn)在低頻分量（0.375X）的增大，振動(dòng)頻率為18.75Hz，符合油膜振蕩引起的振動(dòng)主要特征之一。

3.2 載荷數(shù)據(jù)分析

查找3月、4月和5月各軸承溫度運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 1號(hào)機(jī)組運(yùn)行各軸承溫度統(tǒng)計(jì)

對(duì)比5月19日和6月8日的兩次啟機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，#4軸承溫度均逐漸升高，平均溫升約13℃，而#5軸承溫度均逐漸降低，平均溫降約5.39℃。說明隨著低壓缸熱態(tài)的變化，#4軸承載荷在逐漸增加，#5軸承載荷在逐漸減輕。

對(duì)比3月、5月和6月機(jī)組軸承溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)#5、#6軸承標(biāo)高抬高，#4軸承標(biāo)高降低后，#4軸承載荷有一定減輕，機(jī)組啟動(dòng)初期，#5軸承載荷有所增加，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，低壓缸熱態(tài)變化，#5軸承載荷進(jìn)一步減輕，懷疑低壓缸充分受熱后，剛性進(jìn)一步下降造成低壓缸變形，導(dǎo)致軸承標(biāo)高降低，#4軸承為獨(dú)立落地式軸承，未發(fā)現(xiàn)明顯沉降的跡象，#5、#6軸承為座缸式軸承，與低壓缸外缸一體，軸承標(biāo)高易受低壓缸運(yùn)行狀態(tài)影響。綜合2023年3月、5月和6月月機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下#4、#5軸承溫度變化趨勢分析，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，#5軸承載荷逐漸減小，#4軸承載荷逐漸增大，低壓缸充分受熱后，對(duì)比相鄰軸承金屬溫度，#5軸承載荷過輕，容易誘發(fā)軸承油膜振蕩。

3.3 軸瓦頂隙數(shù)據(jù)分析

1號(hào)機(jī)組部分軸承數(shù)據(jù)匯總見表2，2023年5月，機(jī)組檢修期間對(duì)#5、#6軸瓦頂隙向下調(diào)整，從調(diào)整后實(shí)測數(shù)據(jù)看，#4、#5、#6軸承頂隙偏上限，而#4、#5、#6均為可傾瓦，頂隙測量誤差較大。軸瓦頂隙過大是軸承潤滑油油膜振蕩的誘發(fā)因素之一。

表2 1號(hào)機(jī)組部分軸承數(shù)據(jù)匯總

3.4 頂軸油母管壓力檢查

查詢歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2023年6月9日06:33頂軸油母管壓力由0MPa 緩慢開始上升，08:30 壓力升至約2.0MPa，12:10壓力開始下降，12:13壓力降至約0.8MPa，此時(shí)#5、#6軸振動(dòng)開始第一次突升。

1號(hào)機(jī)組#1～#4 軸承未設(shè)置頂軸油裝置，#5～#8軸承設(shè)置有頂軸油裝置。2023年6月21日，1號(hào)機(jī)啟機(jī)正常運(yùn)行后，現(xiàn)場檢查就地頂軸油管壓力表，各軸瓦油膜壓力見表3。從運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，頂軸油母管壓力與#5軸瓦左側(cè)下瓦油膜壓力基本一致，均為約2.0MPa，且頂軸油母管壓力升高時(shí)未見明顯高于2MPa 壓力值的情況，可能是#5軸左側(cè)下瓦頂軸油管單向閥內(nèi)漏。

表3 1號(hào)機(jī)組啟動(dòng)及運(yùn)行各軸承頂軸油管壓力匯總（單位：MPa）

機(jī)組正常運(yùn)行期間頂軸油母管壓力存在波動(dòng)，一是說明某個(gè)軸承油膜壓力呈不穩(wěn)定狀態(tài)，二是說明某個(gè)軸承頂軸油管單向閥存在內(nèi)漏問題，導(dǎo)致少量軸承潤滑油通過頂軸油管發(fā)生漏泄，影響軸承潤滑油油量和油膜壓力，不利于軸承潤滑油油膜的穩(wěn)定。

4 故障原因分析

4.1 振動(dòng)大原因分析

突發(fā)性振動(dòng)常見的原因有嚴(yán)重的動(dòng)靜碰磨、軸承失穩(wěn)、蒸汽汽流激振、轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落、發(fā)電機(jī)線圈膨脹受阻等。經(jīng)過以上數(shù)據(jù)綜合分析，本次 1 號(hào)機(jī)組振動(dòng)突增的主要原因?yàn)?5 軸承潤滑油油膜振蕩所致，主要判斷依據(jù)如下。

一是振動(dòng)突增前后，#4、#5、#6軸承振動(dòng)基頻分量（幅值和相位）基本不變；停機(jī)后對(duì)低壓缸末級(jí)葉片、次末級(jí)葉片、低壓第一級(jí)葉片、末級(jí)葉片葉頂間隙等進(jìn)行檢查未發(fā)現(xiàn)異常，可排除動(dòng)靜碰磨、轉(zhuǎn)動(dòng)部件脫落等原因；二是振動(dòng)主要發(fā)生在#5、#6軸承，對(duì)應(yīng)低壓轉(zhuǎn)子支承，可排除蒸汽汽流激振、發(fā)電機(jī)線圈膨脹等原因；三是軸瓦的自激振動(dòng)主要原因有軸頸擾動(dòng)過大和軸瓦穩(wěn)定性差。機(jī)組啟機(jī)過程和帶負(fù)荷運(yùn)行初期各軸承振動(dòng)均正常，可排除軸頸擾動(dòng)過大的原因；四振動(dòng)突增后，#4、#5、#6 軸承振動(dòng)通頻的增大主要體現(xiàn)在低頻分量（0.375X）的增大，振動(dòng)頻率為18.75Hz，符合油膜振蕩引起的振動(dòng)主要特征之一；五是振動(dòng)突增后，通過減負(fù)荷和切單閥等運(yùn)行調(diào)整手段均無法有效抑制或降低軸承振動(dòng)。機(jī)組跳閘后，振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速下降消失，說明振動(dòng)與轉(zhuǎn)速有關(guān)，符合油膜振蕩引起的振動(dòng)主要特征之一；六是查詢歷史趨勢可知，潤滑油溫下降后，#5軸承金屬溫度出現(xiàn)波動(dòng)，#5軸承振動(dòng)開始逐漸增大，振幅時(shí)大時(shí)小，呈不穩(wěn)定狀態(tài)，#6軸承振動(dòng)反饋與#5軸承類似，但較#5軸承振動(dòng)收斂，其他軸承振動(dòng)較為穩(wěn)定。從歷史趨勢來看，#5軸承振動(dòng)優(yōu)先于其他軸承，然后迅速傳遞至#4、#6軸承，符合油膜振蕩引起的振動(dòng)主要特征之一。

4.2 油膜振蕩原因分析

經(jīng)過長周期運(yùn)行，低壓缸剛性明顯下降，機(jī)組啟動(dòng)后，低壓缸由冷態(tài)逐步受熱至熱態(tài)過程中，因低壓缸剛性降低缸體變形導(dǎo)致#5、#6 軸承標(biāo)高降低，對(duì)比相鄰軸承金屬溫度數(shù)據(jù)，#5 軸承承載過輕，容易誘發(fā)油膜振蕩。

為抑制#4軸承溫度過高問題，運(yùn)行人員控制潤滑油溫度偏下限運(yùn)行，停機(jī)前一段時(shí)間內(nèi)均值約為37.8℃，最低至35.5℃，低于運(yùn)行規(guī)程下限 38℃，潤滑油溫下降時(shí)，#5軸承溫度（左）出現(xiàn)不穩(wěn)定波動(dòng)，隨后5X、5Y 振動(dòng)開始逐漸增大，振幅時(shí)大時(shí)小，呈不穩(wěn)定狀態(tài)。說明潤滑油溫變化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)原相對(duì)平衡的狀態(tài)產(chǎn)生了擾動(dòng)，這種擾動(dòng)也可能導(dǎo)致振動(dòng)失穩(wěn)。同時(shí)較低的潤滑油溫也是油膜振蕩的誘發(fā)因素之一。

近期檢修調(diào)整數(shù)據(jù)顯示，機(jī)組檢修期間對(duì)#5、#6軸瓦頂隙向下調(diào)整，調(diào)整后#5、#6軸瓦頂隙仍偏設(shè)計(jì)上限，對(duì)軸承潤滑油油膜的穩(wěn)定有一定影響。而頂隙過大是誘發(fā)油膜振蕩的因素之一。

機(jī)組正常運(yùn)行期間頂軸油母管壓力存在波動(dòng)，一是說明某個(gè)軸承油膜壓力呈不穩(wěn)定狀態(tài)，二是說明某個(gè)軸承頂軸油管單向閥存在內(nèi)漏問題，導(dǎo)致少量軸承潤滑油通過頂軸油管發(fā)生漏泄，雖然不足以誘發(fā)油膜振蕩，但對(duì)軸承潤滑油油膜的穩(wěn)定有一定影響，當(dāng)軸承因其他問題呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，潤滑油的漏泄的擾動(dòng)會(huì)加劇軸承失穩(wěn)。

5 處理及防范措施

一是根據(jù)機(jī)組載荷分配情況、轉(zhuǎn)子揚(yáng)度等參數(shù)適當(dāng)抬高#5、#6軸承標(biāo)高，增加其載荷，防止因熱態(tài)下低壓缸變形軸承標(biāo)高變化引發(fā)的軸承承載過輕。二是調(diào)整#5、#6軸瓦頂隙至下限，提高軸承穩(wěn)定性。三是運(yùn)行期間嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程要求控制潤滑油溫，防止運(yùn)行過程中潤滑油溫度突變，并積極探索潤滑油溫和機(jī)組振動(dòng)的關(guān)系，便于機(jī)組發(fā)生振動(dòng)時(shí)合理調(diào)整潤滑油溫，以抑制機(jī)組振動(dòng)進(jìn)一步發(fā)展。四是機(jī)組正常運(yùn)行期間密切關(guān)注真空變化，適當(dāng)調(diào)整真空并穩(wěn)定運(yùn)行，避免真空過高或波動(dòng)較大引起的軸承標(biāo)高變化導(dǎo)致軸承輕載，誘發(fā)軸承失穩(wěn)。五是加強(qiáng)各軸承頂軸油管壓力、頂軸油母管壓力監(jiān)視，定期抄表對(duì)比，發(fā)現(xiàn)壓力異常及時(shí)分析和處理。六是停機(jī)后對(duì)各軸承頂軸油管逆止閥進(jìn)行排查，對(duì)不嚴(yán)密的逆止閥進(jìn)行更換，防止因閥門內(nèi)漏導(dǎo)致軸承油壓波動(dòng)、油量不足等問題。七是建議聯(lián)系相關(guān)設(shè)計(jì)或制造單位（如汽機(jī)廠家）對(duì)低壓缸剛性強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，如果熱態(tài)下存在剛性不足缸體變形較大的問題，應(yīng)采取措施進(jìn)行加固。