某1 000 MW汽轮机振动突变分析与治理

陈 卓，熊祥辉，汤红权

（国家能源集团国电汉川发电有限公司，湖北 汉川431614）

0 引言

国电汉川发电有限公司5号机是上海汽轮机厂引进德国西门子技术，改进生产的1 000 MW超超临界燃煤机组，于2012 年12 月投入运行。机组投运以来，反复出现1 号瓦轴振异常缺陷，下面就该振动处理情况进行分析总结。

1 理论依据

1.1 轴系结构

机组型号是上汽N1000-26.25/600/600（TC4F）型，制造单号是196-20-37，发电机型号是THDF125/67。

整体采用西门子HMN积木块设计，高压缸采用筒形结构，进汽阀门与汽缸直接相连。整机轴系由1 根高压转子、1 根中压转子、2 根低压转子、1 根发电机转子和1根励磁机转子组成。所有转子均由刚性联轴器连接。其中高压转子和发电机转子是传统的双支撑轴承，中压转子、低压1号转子、低压2号转子及励磁机转子是单支撑轴承。汽轮机轴承座采用整体灌浆的落地形式，可减少真空变化以及汽缸变形对机组振动的影响，相对座缸轴承提高了稳定性（如图1）。

图1 机组轴系结构示意图Fig.1 Schematic diagram of unit rotor

径向滑动轴承采用的是经过特殊优化的袋式轴承，其下瓦的型线是由不同弧度的三段连续圆弧构成，以期在运行中形成更稳定的动压油膜。相对于常规可倾瓦轴承，袋式轴承承载能力较高，比压最大可达3.2 MPa。

机组在每个轴承的135°方向同时布置2个加速度传感器，测量瓦振；在每个轴承座45°、135°方向各配置1个涡流传感器，测量X和Y方向轴振。

1.2 振动原因

1）汽流激振。转子与静子之间蒸汽，使转子受到稳定的切向力，当其超过轴瓦约束所提供的阻尼时，微小的扰动都会使转子以其一阶固有频率涡动，这种现象就是汽流激振。汽流激振是一种自激振动，从某个负荷开始，正比于负荷；不仅有基频（50 Hz）分量，还有不断跳变的低频（25 Hz）和高频（100 Hz、150 Hz、…）分量。产生汽流激振力的原因主要有以下3种［1-15］：

第一是叶顶间隙激振力，转子在旋转过程中出现偏心，使叶顶间隙沿周向分布不均，导致蒸汽在间隙处的流量不均。由此，作用在叶轮周向的切向力随之波动，产生一股作用于叶轮中心的间隙激振力（如图2）。其大小正比于叶轮的级功率，反比于动叶的高度、节径及转速，所以间隙激振易发生于高压转子［16-18］。

图2 叶顶间隙激振机理Fig.2 Vibration mechanism of the blade top clearance

第二是密封流体力。转子的动态偏心使蒸汽压力在汽封腔室中分布不均，产生一股与转子偏移方向垂直且使转子失稳的合力。这股合力与汽封的尺寸、蒸汽流量、压力、温度、汽封齿的间隙以及转子的角速度等因素有关。

第三是静态蒸汽力。作用于转子的高压蒸汽会改变汽缸中转子的径向位置，使通流部分间隙变化。机组虽然是全周进汽，但不能排除蒸汽进汽方向和压力的波动。

2）轴承失稳。轴瓦对汽流的变化很敏感，作用于转子的高压蒸汽，会改变轴瓦中轴颈的位置，使轴瓦载荷变化。为平衡这股附加的力，轴瓦的油膜力也将随之变化，引起油膜失稳导致振动。轴瓦油膜振荡可以产生不稳定的半频振动，油膜很厚（对应的油膜压力低）的时候发生半频振动，油膜很薄时半频振动就消失。轴瓦乌金面的磨损以及轴瓦球面垫铁和支架接触面的接触不良都会加剧此类振动［19-21］。

3）动静碰磨。机组轴封、高压缸等部位动静间隙较小，变工况过程中动静碰磨可能性较大。出现摩擦后，产生的热量会造成转子的局部热弯曲，进而加剧碰磨。当负荷变化，转子处于一个新的位置后，动静碰摩可能会消失，振动就会正常。这时往往会表现为：振动增大→恢复正常→再增大→又恢复正常…［22-26］。

4）不平衡的影响。不平衡使振动的基数增大，而且不平衡本身也会成为不稳定振动的诱因。

2 振动缺陷的前期探索

2019 年3 月，1 号瓦轴振出现突变现象。负荷977 MW 时，轴振227 μm 持续约4 s，最高230 μm 约1 s。从sis上调取数据（见图3）进行分析：不稳定振动只出现在某个时间段，出现异常后慢慢消失；从频谱上看，1 号瓦振动是以低频分量为主，振动性质是汽流激振。

2019年5月8日，机组临检。检修人员调整1号瓦各间隙至图纸要求，另抬高1号瓦标高0.10 mm。检修完毕后开机，经过10 d运行，1号轴振又出现异常。表现为高负荷区间波动较大，机组负荷950 MW 1号瓦轴振峰值达192 μm（见图4）。

对振动进行持续监测，1X 的通频值在150 μm 附近波动，瞬间达到过250 μm（如图5），从图可见，1X轴振的主要成分是基频。但也包含一些杂波成分，使得通频明显高于基频值。抓取5月31日11：01振动突变时的频谱，发现振动主要成分是基频（50 Hz）和半频（25 Hz）。

2019年5月31日，机组负荷500 MW，进行“5号机低负荷启动顶轴油试验”。启动1台顶轴油泵后，在机组振动敏感区域850 MW区间段，振动下降明显，变负荷时振动也无明显变化。从启动顶轴油的效果可看出，该轴瓦刚度很差，很小的外界影响都可能干涉轴瓦的正常运行。

图3 2019年3月20日至21日1号轴承间歇性振动趋势Fig.3 20-21 March 2019 intermittent vibration trend chart of the No.1 bearing

图4 2019年5月15日至20日1号轴承振动随负荷变化趋势Fig.4 15-20 May 2019 the trend of the No.1 bearing vibration varies with load

图5 2019年5月31日至6月3日1号轴承振动变化趋势Fig.5 31 May-3 June 2019 the vibration trend chart of the No.1 bearing

2019年6 月17 日，利用停机机会，更换1 号轴承，在轴封间隙许可的情况下，再次抬高1 号瓦标高0.10 mm并重新研磨轴承支架与球面垫铁。按下限调整轴瓦顶隙、两侧插键间隙及瓦盖间隙。并对高压缸碰缸调整。

修后开机，1 号瓦轴振仍然呈上升趋势（见图6）。1 号瓦轴振在65～110 μm 之间变化，负荷低的时候振动大，负荷高的时候振动小（见图7）。

检修后1号瓦轴振有逐渐恶化的趋势说明存在某种部件的损坏。而且损坏的程度越来越严重，导致振动恶化的加剧。从对已有测量数据的分析看，问题可能发生在1号轴承。理由如下：

图6 2019年7月4日至14日1号轴承振动随负荷变化趋势Fig.6 4-14 July 2019 trend of the No.1 bearing vibration varies with load

1）振动相位变化。检修前后比较，1号瓦轴振X、Y 向的关系发生变化，通常X 的振幅应略高于Y，而检修后Y 高于X，且运行2 个月后又变为X 高于Y，这是不正常的。

表1 振动相位变化Table 1 Changes in vibration phase

2）数据跳变。正常情况下，振动随时间的变化是一条平滑的曲线。但1 号瓦轴振极不稳定，这种变化是由基频的变化引起的，汽流激振会引起基频振动。如果轴瓦位置不对，也会加剧这种振动，因此不能排除轴瓦乌金损坏或者球面接触不良的可能（见图8）。

3）瓦温异常。1 号瓦的瓦温偏高，在79～83 ℃之间变化；且轴瓦主要承载区域瓦温反而比轴瓦顶部低。使转子上浮的静态蒸汽力和轴瓦干摩擦会导致这种情况。

4）投顶轴油。2019年7月26日，机组负荷880 MW时1 号瓦轴振上涨至149 μm，降负荷至550 MW，轴振降至100 μm 稳定，瓦振由1.7 mm/s 降至1.1 mm/s。启动1 号顶轴油泵陪转，轴振缓慢降至90 μm，升负荷至950 MW 后，1 号瓦轴振稳定在65 μm。可以看出轴瓦油膜稳定性不够，油膜的支持力无法很好地平衡作用于转子的汽流激振力；当投入高压顶轴油后，增加了油膜的刚度，振动明显得到抑制。

图8 2019年7月13日1号轴承振动频谱图Fig.8 13 July 2019 the vibration frequency spectrum of the No.1 bearing

3 振动缺陷的治理

针对1 号瓦振动问题，总结前几次缺陷处理的经验，对1 号瓦、高中压转子对轮、2 号瓦等进行了全面处理。

3.1 检修思路

1）彻底检查1号、2号瓦的装配数据。

轴瓦顶隙及轴瓦防跳间隙按标准下限调整；重点检查轴瓦底部球面垫铁与支架接触，每平方厘米有点的接触面积占到总面积的75%；更换零散的轴承支架调整垫片为整块并提高1号瓦标高0.10 mm；对研检查轴颈与下瓦乌金接触，并略微修刮乌金面保证轴瓦与转子的接触角为60°。通过以上措施来增加轴瓦的自我调节能力和稳定性。

2）气缸动静部位进行检查。

测量高压缸及中压缸端轴封间隙，按图纸要求对高压缸和中压缸进行径向碰缸调整，重新加工定位立销，立销间隙保持下限；复核调整轴承室油挡间隙；解高-中对轮，测量并微调高中对轮的中心；检查调整液压盘车与高压转子的中心，以排除液压盘车连接件对于1号瓦振动的影响；重点检查滑销系统，包括猫爪压板、立销、纵销等，另外对高压汽门的支撑也做相应的检查。

3.2 问题处理

1）1 号瓦轴承支架与垫铁接触不良，有明显的电腐蚀痕迹（见图9）。

图9 1号瓦轴承支架的接触Fig.9 Contact of the No.1 bearing prong

转子受高温蒸汽推动，高速旋转过程中叶片会产生静电，保温材料中硅酸铝与转子间隙过小发生碰磨也会释放静电，导致轴颈、轴承及支架发生电腐蚀。

本次检修更换新轴承支架，对球面垫铁及支架接触面进行研磨，确保球面接触≥75%；为了消除电腐蚀，在2 号瓦靠高压缸侧加装接地装置，尽量降低运行中静电对设备的腐蚀；对1号、2号瓦处保温进行整改，使用新型保温替代硅酸铝保温，降低保温的厚度，增大保温与转子的间距。

2）1号轴颈表面、1号瓦乌金面炉侧及2号瓦L销电腐蚀（见图10）。

图10 轴颈、轴瓦及定位销电腐蚀Fig.10 Electro-corrosion of the axle journal,bearing,dowel pin

1号轴颈径向180°呈现电腐蚀，另外180°光滑，该机组运行期间轴电流监测数据无异常。就此现象，请厂家和相关检修专家进行过分析讨论，暂无准确的答复。运行时1 号瓦炉侧瓦温相对电侧偏高，解体亦发现炉侧上、下部均有明显的乌金重载摩擦痕迹并有电腐蚀的细微麻点，测量1号瓦瓦口间隙也是炉侧偏小。综合这次检修发现的轴颈电腐蚀情况，和1 号瓦油挡洼窝和轴封间隙情况，可以判断转子运行中总是偏炉侧，导致轴瓦乌金部分重载磨损。同时L 销受到了电腐蚀的影响出现了麻坑，也影响了L销的接触，并进一步减弱了轴瓦的支撑刚度。

此次检修，用金相砂纸和麻绳对轴颈进行抛光处理。对轴瓦进行适当修刮，修刮后用刀口尺和塞尺检查，并将轴瓦与轴颈对研保证接触角为60°。2号瓦两侧轴向限位面凹坑现场打磨至表面光滑无毛刺，间隙按下限调整。在高压缸后端与2号瓦间加装自行设计的柔性接地装置（见图11），消除电腐蚀。

图11 接地装置Fig.11 Grounding device

3）1 号瓦轴承盖与瓦壳两侧间隙不均匀且超标，两侧插板间隙超标。

1 号瓦在置位性不佳的情况下长期运行挤压瓦壳，多次检修均发现相同问题。转子旋转带动轴瓦在限定区位内做位移，由于瓦盖不动，所以升压站侧间隙受到挤压导致间隙偏小，同理锅炉侧间隙偏大。回装时，按要求间隙的下限进行调整回装。

4）1号瓦地脚大螺栓力矩不够。

对大螺栓张紧器分3次拧紧。第1次以50%的拧紧力矩用十字交叉法拧紧，第2次以100%的拧紧力矩用十字交叉法拧紧，第3次以100%的拧紧力矩用圆周顺序法拧紧。

5）高-中对轮中心偏移。

解对轮螺栓，拆开高压转子与小轴端的花键齿法兰，顶开高-中对轮间隙至1.0 mm。装胀套1 只，工艺螺栓2 只，启动顶轴油泵盘车90°停油泄压，松胀套和工艺螺栓后塞尺测量计数。回装时调整中心为右侧（升压站侧）张口0.01 mm，底部张口0.005 mm。高、中压缸进行修后碰缸作业，并作汽缸负荷分配。

3.3 开机情况

机组检修完毕后，1 号瓦轴振在升降负荷时波动较大，最大约120 μm；满负荷稳定运行后1号瓦轴振在40 μm 至70 μm 之间波动，均值50 μm 左右，整个轴系振动处于合格范围内（见图12）。

图12 1号、2号轴承振动频谱图Fig.12 The vibration frequency spectrum of the No.1、No.2 bearing

4 结语

汽流激振和油膜失稳是此类机组1号瓦振动异常的主要原因，减小汽流激振、加强轴瓦刚度是治理该缺陷的一般思路。本文主要对汉川电厂5号机1号瓦振动异常进行了分析研究，总结了该典型振动故障的诊断及处理经验，为解决类似振动问题提供了相应的技术理论与实践指导，并得出如下结论［27-31］：

1）机组基础沉降、汽水管道及轴承座二次灌浆的应力释放等不可抗力均会导致转子相对汽缸位置发生变化，引起汽流激振。对汽缸进行碰缸调整使其与转子保持同心，检查汽缸滑销系统并对汽缸做负荷分配，调整汽门支吊架可缓解汽流激振。

2）实践表明，采用增加1 号瓦标高的方法可缓解1号瓦振动。在修前瓦温较低时，可按上抬0.20 mm进行调整。高标准研磨轴瓦球面垫铁与轴承支架，对振动异常有重大改善。本次检修轴瓦球面接触接近90%，启机后效果明显，轴瓦间隙和紧力在标准范围内取下限进行调整。

3）机组的电腐蚀现象很常见，应定期对接地碳刷进行检查。通过在适当位置增加接地装置，并对保温进行改造可显著减轻机组电腐蚀，有益于轴瓦自位。

4）液压盘车与高压转子的中心调整，除了要关注张口及圆周，还要调整盘车小轴的扬度和轴系形成连续的扬度弧线，以消除热态的不对中。

5）运行期间启动顶轴油泵进行陪转，可有效缓解1号瓦轴振波动，是迫不得已且行之有效的应急之法。

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孔子自己，也不喜欢自夸。虽然在《论语·公冶长》中，孔子说：“十室之邑，必有忠信如丘者焉，不如丘之好学也。”这句话似乎带有自矜性质，但细细一想，孔子说自己好学无人能匹，这恰是其谦逊处。《论语·八佾》中说，孔子入太庙，每事问。有人就质疑孔子，认为他对礼仪并不擅长，什么事都要问。孔子听说了，答复说，这正是礼啊！孔子对前代礼仪是有深入研究的，但入太庙，还是要“每事问”，这恰好说明孔子“学而不厌”，不正是其谦逊处吗？

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