1 000 MW汽轮发电机组不稳定振动故障诊断及治理

2011-11-15应光耀吴文健童小忠李卫军

浙江电力 2011年7期

应光耀，吴文健，童小忠，李卫军

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

上海电气集团引进西门子技术的超超临界1 000 MW汽轮发电机组，大都存在低压转子轴承座振动（又称瓦振）超标问题，严重威胁机组的安全运行。以国电浙江北仑第三发电有限公司7号机组（简称北仑7号机）4号轴承座振动成功治理的实践为例，分析了轴承座振动大的特征，总结了治理瓦振的关键要素。

1 振动异常现象

北仑7号机组汽轮机型号为N1000-26.25/600/600（TC4F），发电机型号为 THDF 125/67。机组轴系由高压转子、中压转子、2根低压转子、发电机转子和励磁机转子组成。各转子之间采用刚性联轴节连接，汽轮机转子由5个径向椭圆轴承支撑，高压转子为双支撑结构，中压转子和2个低压转子为单支撑结构，而发电机与励磁机转子为三支撑结构，轴系布置如图1所示。

2009年4月11日，北仑7号机组首次冲转至3 000 r/min。刚到3 000 r/min时，各瓦轴振和瓦振值见表1，5-7号轴振超过优良值，5X轴振已有105 μm，4号瓦振已超标，但4号轴振仍为优良值，仅54 μm。随后机组定速做电气试验，期间4号瓦振、轴振缓慢爬升，当4号瓦振爬升至11.8 mm/s（跳闸保护定值）时，机组跳闸。

图1 轴系布置示意图

在之后的电气试验试运期间，4号瓦振一直无法稳定，在定速时始终出现波动爬升现象，多次达到保护定值导致机组跳闸。4号瓦振爬升至跳机的时间短则几小时，最长能够运行时间不超过12 h，已严重威胁到机组的安全运行，如不处理解决，机组将无法长周期运行。为了解和分析4号瓦振爬升故障特征，安排相关振动试验。

表1 北仑7号机首次3 000 r/min时的振动情况

2 振动试验

2.1 轴承座外特性试验

西门子机组的3-5号轴承座均为落地式。瓦振为10.2 mm/s时，对4号轴承座进行了刚度外特性试验，试验结果见图2。可知轴承座垂直方向振动很大，两侧基础的振动为30 μm左右，4号轴承座的差别振动很小，说明部件的连接状况不存在问题，转子振动的强迫力已全部传递在轴承座上。轴承座图示各测点的水平方向振动、轴向振动都比较小。

图2 4号轴承座垂直振动数据（单位：μm）

2.2 运行参数调整试验

（1）机组升降速过程中，转速为2 760 r/min和2 940 r/min时4号瓦振有振动峰值。为验证4号轴承座是否存在结构共振，进行了提升转速试验。当转速为3 030 r/min时，4号瓦振和轴振也始终在爬升；转速为3 050 r/min时，瓦振慢慢稳定。说明提高转速能降低瓦振，而轴振无变化，但稳定在高转速时，瓦振仍然会出现波动。

（2）变油压试验。润滑油压由0.36 MPa提高至0.46 MPa，4号瓦振由9.5 mm/s降至9.0 mm/s，运行了近5 h后，瓦振又开始爬升，油压下降至0.32 MPa对瓦振也无改善。说明油压的改变对振动只是一个小扰动，有时候可能会改善瓦振，但无必然联系。

（3）变真空试验。真空由0.004/0.005 MPa下降至0.008/0.009 MPa，瓦振由9.9 mm/s上升至10.3 mm/s，将真空恢复，瓦振由10.3 mm/s恢复到9.8 mm/s，轴振基本不变。

3 振动故障特征分析

根据振动理论[1-2]，转子－轴承系统的振动情况取决于激振力和轴承动刚度的影响。在线性系统中，转子系统轴振的振幅与转子的激振力成正比，与油膜刚度成反比，转子－轴承系统瓦振的振幅与转子的激振力成正比，与动刚度成反比。动刚度是总的刚度系数，包括油膜刚度、轴承座和基础动力特性。4号轴振和瓦振都以工频分量为主，属于强迫振动范畴，振动爬升增加的幅值也以工频分量为主，4X轴振值由最初的70 μm爬升至120 μm甚至更高，瓦振由最初8.0 mm/s爬升至11.8 mm/s的跳机值。爬升过程中轴振和瓦振的相位基本未变，属于工频失稳问题。

在额定转速下，轴振和瓦振的工频相位、转子激振力的位置及转子的不平衡量都基本不变，引起工频的幅值持续缓慢上升，轴承座整体动刚度缓慢下降或存在结构共振。而引起轴承座整体动刚度下降的因素有：油膜刚度下降，轴承座连接刚度下降，轴承座动力特性变差。在轴振爬升过程中，间隙电压基本不变，说明油膜的厚度没有变化，且油温也没有变化，可以认为轴承的油膜动力特性没有变化。轴承座外特性试验结果说明，表面轴承座的连接刚度也不存在问题。变转速试验表明，4号瓦振始终存在2 760 r/min和2 940 r/min的共振峰，3 050 r/min有利于振动的稳定，瓦振较高时，提高转速能使瓦振短时间内下降，降低转速能使瓦振短时间上升，但瓦振缓慢波动爬升的趋势仍然存在。运行参数调试试验表明，外界的小扰动能使瓦振变化，有时候改变运行参数能改善瓦振，对轴振没有影响。

由上分析可知，引起4号瓦振、轴振爬升最有可能的因素为轴承座动力特性变差，轴承座在安装质量方面存在一定的问题，使得轴承座动刚度下降，且影响支撑系统的固有频率。

4 振动处理

由上述分析可知，4号轴振和瓦振是同步上升的，振幅变大后，4号轴振和瓦振并不再同步变化，因此需采取两方面的措施[2]：降低轴系的激振力，通过动平衡处理降低轴振；提高轴承座的动刚度，仔细检查轴承座刚度的接触面和间隙。

4.1 轴承座的检修处理[3]

影响轴承座支撑系统刚度的关键因素为支承垫块与瓦枕接触面。瓦振对接触面极其敏感，对接触面要求非常高。西门子轴承的支承垫块为圆球形，而轴承支架为圆柱形，理论上两者为线接触，经研磨后，此处将形成类似橄榄球形状的接触面，接触面中部宽度约20 mm。在检修中发现，该接触面严重损伤，经返厂处理轴承底部调整块和轴承支座，现场再对底部调整块和轴承支座进行研磨，确保符合接触面安装要求。

4.2 低压转子动平衡处理

由表1和表2可知，低压转子还存在一定残余的不平衡量，在4号轴振爬升的同时，5号轴振有一定的下降。从低压转子振动相位来看，4号与5号轴振呈反相关系，振动爬升后相位基本不变，可以用热态动平衡法降低轴振，减少轴系的激振力，但低压转子为单支撑结构，转子的振型相互影响，给动平衡处理带来一定难度。

为了降低4号轴振爬升值，采用热态平衡方法，第一次加重方案为低压转子A靠4号瓦末端平衡槽加重830 g。根据加重效果，调整该平衡块角度，在轴承座第二次处理后，保证了机组能长时间运行。在第三次处理中，考虑到4号和5号轴振呈反相关系，在低压转子B侧靠5号瓦末端平衡槽加重840 g。加重后轴振值见表2，可知低压转子轴系轴振下降明显，带满负荷后，振动也在优良范围内，已有效减少转子系统的激振力。

经过轴承座检修和动平衡处理，机组重新启动冲转至3 000 r/min，额定转速时，4号瓦振动最高3.8 mm/s，带额定负荷时，4号瓦振最高为4.2 mm/s。经过此次检修，北仑7号机4号瓦振超标问题得到彻底解决。