150 MW机组发电机转子振动故障分析及处理

路军锋，王　洪，姜玉山，王洪国，路福明

(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁　沈阳　110006； 2.辽宁大唐国际葫芦岛热电有限责任公司，辽宁　葫芦岛　125000； 3.中国能源建设集团东北电力第一工程有限公司， 辽宁　沈阳　110179； 4.朝阳燕山湖发电有限公司，辽宁　朝阳　122000)

1　设备概况

菲律宾某电厂1号机组首次启动、定速及带负荷过程中，发现轴系中4、5号轴振在过发电机二阶临界转速时偏大，同时在额定转速下振动也超过了报警值。从振动测试数据看，振动信号主要是工频成分，其振动原因主要为质量不平衡引起。为保证设备安全运行，对1号机组发电机转子以及悬臂励磁转子进行现场动平衡试验[1]。

该机组为超高压、双缸双排汽、一次中间再热、凝汽式汽轮机，机组额定功率为150 MW，工作转速为3 600 r/min，型号为N150-13.8/540/540。发电机采用风冷、全静态励磁系统，汽轮发电机由高中压转子、低压转子和发电机转子组成，高中压转子与低压转子采用刚性联轴器连接，整个汽轮机为三支点支承，前、中、后轴承均为落地支承，低压转子与发电机转子采用半挠性联轴器连接，机组轴系见图1。

图1　机组轴系

2　数据测试分析

机组配备的TSI系统轴振测量传感器为电涡流头，灵敏度为7.8 mV/μm。每个轴承安装2个传感器，分别位于上半轴承垂直中分线两侧45°处，如果从汽轮机侧向电机侧看，转轴顺时针旋转，位于左侧的轴振测点标示为X方向，右侧的为Y方向(见图2)。机组首次启动过程中采用Bently 208振动数据采集单元，采集TSI模拟信号输出端子输出的电压信号，测试轴承2个方向的轴振和垂直瓦振。

该机组首次启动定速后原始振动数据见表1。

通过对机组升速过程4X波德图(见图3)和5X波德图(见图4)以及4X和5X升速过程中的在临界转速及定速时的一倍频分量(见表1)分析，可以归纳发电机转子轴振具有如下特点。

图2　振动传感器及键相传感器安装示意图

转速/(r·min-1)频谱成分4X/(μm∠°)4Y/(μm∠°)5X/(μm∠°)5Y/(μm∠°)2 8601X133∠143128∠216101∠462.7∠1233 6001X79.4∠16870.5∠270115∠1950.4∠143

图3　4X波德图

图4　5X波德图

a. 升速过程中，低转速区域4X、5X振动不大，在经过发电机转子一阶临界区域，发电机转子振动响应不明显，这表明转子一阶不平衡量比较稳定[2-3]。

b. 4号和5号轴承振动相位相差90°～180°，且发电机转子在二阶临界区域不平衡响应较大，通过对比二阶临界转速下的同相分量振动和工作转速下的同相、反相分量振动，可以判断转子工作转速下不平衡质量分布的形式主要为二阶模态[4-5]。

对于振动主要是由于转子质量不平衡而导致，且质量不平衡的大小和方向是确定的，可以通过平衡来消除。而对于其他形式的不平衡，例如热弯曲、动静摩擦等产生的不平衡，由于不平衡的大小、方向往往是变化的，一般不能通过平衡来消除。由于机组在多次启动过程及带负荷过程中，振动重复性较好，同时4、5号轴振通频幅值及1X分量比较稳定，因此可以通过平衡的方法来降低4、5号轴承的振动幅值。在进行高速动平衡试验前，需要具体分析转子的振动情况，制定合理的动平衡试验方案。由于本文中发电机转子在过二阶临界转速时振动偏大，且二阶临界转速距离转子工作转速较近，转子工作转速下的振动也会受其影响，为降低振动，应优先进行转子的二阶模态平衡试验[6]。

3　动平衡试验过程

根据机组首次启动二阶临界振动数据以及定速数据推算加重重量和角度，通过试加重的方式进行发电机转子试加质量影响系数计算，同时通过影响系数法估算发电机反对称试加质量。发电机风扇环P1平面试加质量为360 g∠300°，发电机风扇环P2平面试加质量为360 g∠120°。发电机2次加重后，启动机组至额定转速，4、5号轴振数据见表2，第2次加重平衡块加重位置(红色点)及不平衡质量高点位置(蓝色点)见图5。

表2　发电机2次加重后振动响应

图5　发电机风扇环P1、P2平面加重位置示意图

从表2中可以看出，发电机转子2次加重后4、5号轴振均大幅度降低，但是试加重对5X加重响应不大。为进一步降低5X的通频幅值，采取在发电机5号瓦外伸悬臂进行配重，以进一步降低5X振动[3]。通过计算，在发电机外伸端风扇座环P3平面加重质量158 g∠270°，机组加重后定速及带90 MW负荷振动数据见表3，悬臂端加重后4X、5X升速过程中波德图见图6、图7。

表3　外伸端加重后振动数据

图6　4X升速波德图

图7　5X升速波德图

从表3可以看出，通过发电机转子外伸端悬臂加重后，4号轴振略有增加，5号轴振进一步降低。发电机转子4、5号轴振均控制在合理范围内，机组可以安全稳定运行。同时根据机组带负荷运行测试数据，机组带大负荷运行后，发电机转子振动稳定，受转子热变量影响较小，机组轴系振动良好，可以满足长期安全运行要求。

4　结束语

150 MW机组发电机转子经过3次动平衡试验后，4、5号轴振在不同工况条件下均得到明显改善，满足机组长期安全稳定运行需要。对于发电机转子采用反对称加重可以较好地平衡发电机转子在二阶临界转速及额定转速下的不平衡响应。发电机转子外伸端加重对发电机5号轴振具有显著影响，当5号轴振对二阶反对称加重响应不明显时，可以通过外伸端加重进一步降低5号轴振。