350 MW超临界汽轮发电机组异常振动诊断

2021-07-14刘双白李玉宝谢昌亚陈凯亮许继东李永康

节能技术 2021年3期

刘双白，吴昕，李玉宝，谢昌亚，陈凯亮，许继东，李永康

(1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院(华北电力科学研究院有限责任公司)，北京 100045；2.中节能工业节能有限公司，北京 100000；3.华北电力科学研究院(西安)有限公司，陕西西安 710000)

0 引言

汽轮发电机组是电力系统中重要设备之一，高温高压蒸汽在汽轮机缸体内膨胀做功，推动汽轮机转子及相连的发电机转子同步旋转，由此切割磁感线生产电能[1]。目前，汽轮发电机组运行中出现的很多振动异常现象仍困扰着机组正常生产工作。由于汽轮机轴系处在复杂的运行环境，其振动影响因素较多，同时，各运行参数具有极高的耦合性，相关参数不易甄别，因此准确诊断振动故障对机组的安全稳定运行具有重大的现实意义[2-3]。

汽轮发电机组的振动监测是新建机组整套启动及大修后机组启动的重要环节，特殊的异常振动甚至直接影响机组的投产时间及带负荷能力。郝帅[4]等人通过试验分析确诊了某350 MW超临界汽轮机高中压转子发生了剧烈的汽流激振，虽然切换至顺序阀方式运行成功完成了机组168 h满负荷试运，但汽流激振仍困扰着该机组高负荷运行能力。何国安[5]等人研究了某330M W亚临界汽轮机高中压转子在低负荷工况下出现大幅的振动波动现象，分析指出汽轮机高中压转子轴封应慎重使用蜂窝汽封，以尽量避免因汽封改造带来的振动问题。王延博[6]等人针对某1 000 MW机组调试期间的振动异常现象进行了诊断分析，并通过对低压转子及发电机转子进行高速动平衡，使轴系振动降至优良水平。朱小东[7]、李立波[8]等人通过现场动平衡成功解决了由发电机转子线圈不对称膨胀产生的热不平衡导致的发电机轴瓦振动大问题。

本文基于某350 MW超临界汽轮发电机组整体调试工作，针对该机组在整套启动期间出现的冲车过程发电机振动异常、定速后低压转子振动异常、首次并网高中压转子振动异常及高负荷工况发电机振动异常等四类现象，结合实际运行参数及频谱分析数据，进行了相应分析，并判定了振动异常的原因。基于该分析结果提出了合理化建议，最终帮助机组顺利完成了168 h满负荷试运。

1 设备简介

某350 MW超临界汽轮发电机组采用东方电气集团东方汽轮机厂有限责任公司生产的CJK350/300-24.2/0.4/566/566型350 MW超临界、一次中间再热、两缸两排汽、抽汽凝汽式汽轮机。发电机为山东济南发电设备厂有限公司的QFa-350-2型350 MW全空冷汽轮发电机，发电机采用静态励磁。

汽轮机高中压转子、低压转子和发电机转子分别用刚性联轴器联结，发电机采用自励磁方式。整个轴系支承在6个轴承上，如图1所示。其中，1、2号轴承为可倾瓦轴承，3、4、5、6号轴承为椭圆轴承，推力轴承位于高中压转子后端。1、2、5、6号轴承均为落地轴承，3、4号轴承坐落在排汽缸上。

图1 汽轮发电机组轴系结构示意图

2 冲车过程发电机振动异常分析

该机组首次冲车期间，在转速升至2 480 rpm后，5、6瓦轴振迅速增大，并于2 625 rpm达到峰值，随着转速越过2 625 rpm继续升速，发电机轴瓦振动迅速降低，如图2所示。可以看出，在2 480 rpm时，轴振5X、5Y、6X、6Y分别为49 μm、45 μm、53 μm、53 μm，随后迅速增大，直至2 625 rpm时，5X、5Y、6X、6Y分别达到76 μm、56 μm、113 μm、92 μm，定速3 000 rpm后振动近乎恢复至2 480 rpm时水平。可以看出，在该转速区间内，5、6瓦轴振及瓦振均有所增大，说明发电机转子确实产生了异常振动现象；同时，6X通频振幅增大了6丝，其振动变化较5瓦更为剧烈；该异常振动现象对机组3 000 rpm运行影响较小。空负荷试验后，打闸停机惰走发现，与启机情况类似，发电机两侧轴瓦振动在同转速区间同样出现了峰值。考虑到厂家提供的发电机转子二阶临界转速设计值为2 663 rpm，此时认为该振动可能是机组通过发电机二阶临界转速所造成的。

图2 首次冲车发电机转子振动趋势图

此后振动分析仪器调试完成，通过频谱分析发现，在上述转速区间内出现的振动突增过程中，5、6瓦轴振工频分量较为稳定，振动的陡增主要源于二倍频分量，如图3所示。其中5X二倍频分量由20 μm增至45 μm，6X二倍频分量由30 μm增至90 μm。考虑到工频分量近乎不变，因此该振动异常现象并非由转子过二阶临界时所引起。由伯德图分析发现，该发电机转速一阶、二阶转速分别为800 rpm及2 150 rpm左右。考虑到发生异常振动时转速已高于二阶临界转速，一般发电机三阶临界转速较高，由此判定该异常振动可能为发电机副临界振动，由二倍频振动频率与发电机转子三阶临界转速相重合导致。

图3 频谱分析数据

发电机转子的二倍频振动主要是由转子结构所决定的。由于转子本体上开有大小齿槽，大、小齿两个横截面上的抗弯刚度不等。转子旋转一周的过程中，重力引起的挠度会发生两次变化，导致发电机转子产生二倍频振动。只要主惯性矩差存在，这种振动就会存在，其大小与两截面主惯性矩之差有关，与转子本身动平衡状况无关。升速过程中，转速升到0.5倍转子临界转速时，此时二倍频振动频率与转子临界转速正好重合，从而产生了二倍频共振[9]。

此后，二号机组启机过程中，相近转速区也发生了同幅度的振动突增现象，也印证了这是由该发电机自身固有属性引起的异常振动现象。考虑到共振转速区较小，机组3 000转定速运行未受影响，因此增加了该区域转速升速率，保证了两台机组的顺利冲转定速。

3 定速后低压转子振动异常分析

机组定速后，各瓦振动均处于优良水平，随后逐项进行空负荷试验。完成主汽门及调门严密性试验后，低压转子两侧3、4瓦轴振逐步增大，如图4所示。从图中可以看出，在该时间段内，3、4瓦多次发生振动异常，3X振动最大峰值达到120 μm，4X振动最大峰值达到70 μm。基于频谱分析，该振动变化均为一倍频分量的变化，从数据及趋势来看判定低压转子发生了动静碰摩。从图中可以看出，在200 min附近4瓦发生了较为严重的动静碰摩，此时轴封供汽温度为110 ℃，轴封回汽温度仅为 98 ℃，轴封回汽为过冷状态，可能存在轴封带水情况。由于一路门杆漏气接至轴封供汽，考虑到此前刚刚完成主汽门及调门严密性试验，频繁的打闸、冲车引起轴封压力的变化，会引起轴封供汽不足，导致轴封温度下降，引起轴封变形，促使动静碰摩。于是在保证低压两侧轴封不冒汽的前提下，适当提高轴封供汽压力，可以看到轴封压力提高3 kPa后，低压轴封供回汽温度均有明显上升。

图4 低压转子振动变化趋势

由于轴封供汽压力调整至33 kPa已明显高于设计压力28 kPa，而此时低压轴封供汽温度仅为120 ℃，轴封回汽温度仅为105 ℃，回汽温度略微高于蒸汽压力下的饱和温度，此时低压轴封减温水调门全关，说明低压轴封仍处于非正常工况。大幅度调整轴封供汽压力，供回汽轴封温度仍不理想，因此怀疑低压缸喷水对轴封温度存在较大影响。随后尝试全关低压缸喷水调门，发现轴封供汽温迅速上升，开启低压缸喷水调门，轴封温度迅速降低。由此说明低压缸喷水对轴封温度影响极大，因此全关低压缸喷水调门。随后，轴封供回汽温度迅速回升，开启轴封减温水调门将轴封供汽温度降至160 ℃，轴封回汽温度逐步升至120 ℃。从图4中可以看出，在调整轴封供汽过程中，随着轴封供汽温度波动，不时出现动静碰摩，因此，保持轴封供汽温度及压力的稳定，是解决振动异常的首要基础。

为了缓解低压缸喷水对轴封温度的影响，进行了如下工作：

(1)在低压缸内导流环后增加密封板，阻止低压缸喷水经内导流环后方间隙进入轴封。

(2)在凝汽器喉部轴封供汽管道未包保温层部分增加保温层。

经上述调整后，低压缸喷水对轴封温度的影响得以消除，轴封温度稳定保持在150 ℃，3、4瓦振动异常再未出现，168满负荷试运期间，轴振均保持在50 μm以下。

4 首次并网高中压转子振动异常分析

机组首次并网，带初负荷暖机以满足机械超速试验条件。在增长负荷时，出现1瓦轴振突增现象，振动爬坡到峰值后，缓慢降至原先振动水平，如图5所示。由于逻辑设定当机组负荷高于15%额定负荷时，主再热疏水门联关。从图中可以看出疏水门关闭后，3 min内机组负荷由52 MW涨至75 MW，随后振动开始增大，1X变化最为明显，从40 μm增至167 μm。通过频谱分析，该振动变化主要以一倍频变化为主，同时，一倍频相位也相应变化，振动异常消失后，相位又回归原先水平。观察分析振动趋势，判定高中压转子发生了动静碰摩。由该机组汽封间隙选取了厂家设计下限，因此极易在热力状态变化过程中出现动静碰摩。从图中可以看出，在振动突增前1X振动偶有冒尖，已经存在轻微的碰摩表现，此时处于碰摩的初期；随后动静碰摩缓慢发展，在负荷较为稳定时，1瓦振动慢慢爬升；随着主再热蒸汽管道疏水门的联关，突增的汽量引起的转子的不稳定，使得碰摩迅速加剧，振动加速增长，同时碰摩引起的转子局部温度的变化导致转子产生了一定的临时性热弯曲，生成了新的不平衡量，促使一倍频相位快速变化；尔后，碰摩点脱开，转子温度均匀降低，热弯曲程度逐步减轻，振动呈光滑二次曲线降至原始水平。

图5 高中压转子振动变化趋势

机械超速试验完成后再次并网，出现了更为剧烈高中压转子碰摩现象，如图6所示。在40 min内，1X由30 μm增至230 μm。从图中可以看出，在振动峰值时，盘前运行人员提高了润滑油温度，从45 ℃快速提升至48 ℃，随后振动开始下降。提高润滑油温度可以提高油膜刚度，增强转子转动的稳定性，有助于抑制油膜涡动引起的低频振动，对于正常的动静碰摩并无明显益处。此次提高润滑油温度后振动开始下降，有可能此时正巧碰摩点脱开，振动开始下行；也有可能油温的提升，降低了油膜高度，正巧碰摩点偏上方，加速了碰摩的脱开。经过这两次较为剧烈的动静碰摩，动静间隙逐渐合理，高中压转子再未发生过明显的动静碰摩。在AGC试验期间频繁升降负荷及168满负荷试运期间，1、2瓦振动均保持稳定，1X在20 μm以下，2X在40 μm以下，振动良好。

图6 再次剧烈碰摩时振动变化趋势

5 高负荷发电机振动异常分析

图7为机组首次带50%负荷时，各参数变化趋势图。从图中可以看出，首次带50%负荷，此时5X振动为63 μm。此后，机组逐步带负荷至280 MW，5X振动由63 μm上涨至87 μm。机组稳定负荷280 MW，此时5瓦X、Y方向轴振出现拐点式的快速上涨。3 h后，5X增长至127 μm并逐步稳定。随后，机组开始增长负荷，在升负荷过程中，5X振动逐渐降低，当机组首次带至满负荷时，5X降至100 μm。随后再次升负荷至350 MW，振动略有波动。

图7 高负荷相关参数变化趋势

结合频谱分析情况，5瓦轴振及瓦振主要是一倍频分量，尤其上述振动变化过程均源于一倍频分量的增减。机组首次带满负荷，5X振动变化期间，一倍频幅值由63 μm增至126 μm后回落至100 μm，一倍频相位由179°增至185°后降至180°，初步判定发电机转子出现了一定的热不平衡量。结合随后一次的停机及启机过程发现，停机过临界时，5X轴振为106(118)∠167°，而启机过临界时，5X轴振为34(46)∠145°，可以确定该机组热态存在较为严重的临时热不平衡。结合机组170 MW与280 MW的振动参数，该不平衡量引起的矢量振动达到68 μm。从图7可以发现：真空的变化对于5瓦轴振影响较小，结合运行数据，真空变化10 kPa，3、4、5、6瓦各瓦轴振及瓦振变化不明显；发电机冷风温度的变化对5、6瓦振动影响较小，冷风温度变化5℃，各瓦振动变化不明显。

待机组完成50%甩负荷后再次并网，5瓦轴振随负荷变化的更为均匀稳定。图8为机组反复从175 MW至350 MW升降负荷时各参数变化趋势。从图中可以看出：5瓦轴振随着机组负荷的增减而同向增减，5X最大增至130 μm；5X的变化表现为较为均匀的增减，并未出现首次高负荷时280 MW振动增加，增负荷后振动下降的现象；该振动变化现象及变化幅度具有较好的重现性；相同有功功率条件下，励磁电流的变化对振动略微存在影响。

图8 相关参数变化趋势

随后机组进行了100%甩负荷试验，再次并网带满负荷发现，5X轴振增长至130 μm，相位增至191°。机组168满负荷试运期间，5X轴振继续增长并保持在150 μm。

结合上述现象，本文判定该机组发电机出现了临时性的热不平衡。一般来说发电机的热不平衡主要来自四个方面：匝间短路，通风冷却不均，转子材质不均以及转子线圈膨胀受阻。

(1)匝间短路

当发电机两个极面上发生短路的匝数相差很大时，两极绕组中产生的热量不等，出现温差，使转子绕组和转子本体的热膨胀出现不对称现象，最终使转子出现热敏性，导致振动变化[10]。考虑到该机组为新建机组，从机组的出厂前的试验检查以及机组在正常运行过程中，均未出现明显的匝间短路表象，由此排除发电机转子存在不稳定匝间短路的可能。

(2)通风冷却不均

发电机通风冷却不均将引起转子温度不均，导致发电机转子出现临时性热弯曲，造成热态时发电机转子振动一倍频的变化。一般来说，降低发电机冷却介质温度将会加剧转子的温度不均，造成振动增长，反之，升高发电机冷却介质温度将缓解轴振；同时，冷却介质变化所引起的振动变化具有较好的复现性。通过观察运行数据，冷风温度的变化并未引起5X轴振较为明显的变化。同时考虑到该新建机组在穿转子前进行了详细检查，综合排除了发电机转子存在通风冷却不均的情况。

(3)转子材质不均

转子材质不均将引起转子热态膨胀不均，导致出现临时性热弯曲[11]。

(4)转子线圈膨胀受阻

随着励磁电流的增大，发电机转子线圈逐步受热膨胀，若一部分转子线圈与楔下垫条之间的摩擦力较大，使得该段线圈膨胀受阻，而此时其他转子线圈膨胀正常，即会发电机转子发生热弯曲，引起热不平衡。

查阅发电机厂家提供的发电机转子热跑试验参数后发现，发电机转子被加热至70℃较冷态存在4丝的振动变化，说明该发电机转子受热后平衡状态将会发生变化。

基于上述分析，本文认为此机组发电机带负荷振动异常现象源于发电机转子的热不平衡，具体可能是由转子材质引起的不均匀膨胀。考虑到当前的供热需求，机组经过168 h试运后将立即转至抽凝工况，励磁电流整体水平将随电负荷降低，振动也将适当降低。由此，本文建议：业主与发电机厂家进行沟通，商定可保持安全运行的振动上限，若接近振动上限则适当降低负荷；可通过高速动平衡适当降低高负荷下振动，让发电机厂家备好平衡块，有停机机会及时进行配重。

实际该机组经168满负荷试运后，一直保持在175～280MW抽凝工况运行，5X振动随负荷在100 μm左右小幅度波动。供热季后，通过现场动平衡将5瓦振动降低至70 μm。