百万超超临界机组发电机油膜失稳故障分析及处理

国能龙源电力技术工程有限责任公司 王 鹏

某超超临界10 0 0 M W火电机组发电机为哈尔滨电机厂有限责任公司生产的水—氢—氢冷却、静态励磁发电机，型号为QFSN2-1120-2，额定转速3000r/min[1]。发电机椭圆轴承置于汽、励侧端盖内，其轴系布置如图1所示。本文通过该新建百万超超临界火电机组整套启动期间油膜失稳故障的现象、故障原因分析及处理过程，为同类型机组油膜失稳故障处理提供实践依据。

图1 轴系布置图

1 油膜失稳故障过程介绍

1.1 机组首次故障跳机

2022年4月26日，汽轮机首次冲转定速3000r/min，21:45发电机开始进行空载试验，过程记录见表1。00:02:31汽轮机转速下降至600r/min，00:43汽轮机转速1.8r/min，惰走时间共计62min。汽轮机跳闸前，发电机其他相关运行参数均保持稳定。

表1 发电机空载试验过程记录

1.2 超速试验故障跳机过程

2022年4月29日11:45进行电超速试验，转速升高至3045r/min，8X/9X振幅124um/147um，中止试验。11:52电超速试验，8X、9X振动大跳机，最高转速3089r/min。12:33再次进行电超速试验，转速升高至3096/min，8X振幅升至132um中止试验。12:38时，2台交流油泵运行，润滑油压力0.227 MPa，温度为47℃，进行电超速试验，转速最高升至3106r/min，8X振动最大162um，中止试验，13:10汽机打闸。

1.3 振动特征

分析TDM和TSI记录的历史振动数据，首次冲转并定速3000r/min过程中，8X/8Y、9X/9Y振幅最大值为59um/86um、78um/80um。频谱数据分析发现正常运行中#8、#9轴承轴振在低倍频分量的作用下上下轻微波动，#8、#9轴承轴振幅值及相位见表2。

表2 #8、#9轴承轴振幅值及相位 um um∠°

2022年4月26日，发电机空载试验中，#8、#9轴承振动振幅在短时间内陡增，振幅达到高位跳机后仍继续上升。振动值达到最大时8X、8Y轴振频谱如图2所示，9X、9Y轴振频谱如图3所示。

图2 振动值最大时8X、8Y轴振频谱

根据2022年4月29日机组带负荷正常运行时波形频谱数据，发电机#8、#9轴承轴振最大的3个频率成分及振幅见表3，经试验发现调整油压对振动影响较小，但提升润滑油温度时#8、#9轴承轴振低频振动情况得到显著改善。

图3 振动值最大时9X、9Y轴振频谱

表3 发电机#8、#9轴承轴振最大的3个频率成分及振幅

2 油膜失稳故障特征及原因分析

2.1 油膜失稳故障特征

该机组振动大跳机故障特征主要表现为振动突增且波动较大、低频振动、对润滑油温度变化敏感等。通过对发电机转子振动的频谱数据分析，引起发电机#8、#9轴承轴振的主要频率为0.19倍频，0.25倍频和0.38倍频等，结合低频振动分量与轴瓦稳定性的关系，诊断属典型的油膜失稳现象。

2.2 油膜失稳故障原因分析

机组定速3000r/min后#8、#9轴承各项振动指标及参数稳定，根据设备厂家同类型机组类似情况，初步判定油膜失稳源于汽端轴承轻载。为进一步查找问题原因，对可能引起油膜失稳的原因逐一排查。通过对发电机进行匝间短路试验，排除发电机匝间短路可能性；通过复查沉降数据，对比发电机就位前、发电机就位、整套启动沉降数据排除沉降不均因素；通过对汽轮机、发电机设备的灌浆料及灌浆基础进行检测，各项技术指标符合要求；检查#8、#9轴承润滑油进油管道节流孔板分别为Φ33mm、Φ30.5mm，符合设计及厂家要求。

经对润滑油系统进行全面检查，确认低压溢油阀投入正常，轴承进、回油量正常，#8、#9轴承解体检查后确认轴承回油口通畅。综合分析判定#8、#9轴承轴振陡增的主要原因是油膜失稳造成的，需通过提高#8轴承的轴瓦载荷进而解决油膜失稳故障，#9轴承油膜失稳为#8轴承故障诱发所致。

3 油膜失稳故障处理及效果

3.1 发电机油膜失稳处理方案讨论

2022年5月11日10:40，机组盘车装置、油系统停运，进行油膜失稳故障处理，经初步分析可采用仅抬高汽端轴承的方案、减小下半轴承承载面的方案、减小轴瓦顶隙的方案及同时抬高汽端和励端轴承的方案。采用机械加工或钳修方法减小下半轴瓦承载面的方案实施有一定的不确定性，采用机械加工或钳修上半轴瓦接合面减小轴瓦顶隙，需同时加工轴承盖合缝面，微量机械加工难度较高，钳修方法耗时较多且不可以恢复，抬高汽端轴承的方案及同时抬高汽端和励端轴承的方案，能够达到标高调整的预期目标且可以恢复原状。基于上述分析，机组第一阶段油膜失稳故障处理采用仅抬高汽端轴承的方案，因未能彻底解决油膜失稳故障，第二阶段采用在发电机底脚增加垫片的处理方案。

3.2 第一阶段油膜失稳故障处理及效果

3.2.1 故障处理方案

通过调整#8轴承环上的垫片，使该轴承中心抬高0.2mm，整个过程不拆低发对轮，机内排氢置换并处于常压状态。根据原始施工安装记录，使发电机汽端轴瓦抬高0.2mm不影响发电机油档梳齿及密封瓦正常运行，#8轴承环垫片调整如图4所示。

图4 #8轴承环垫片调整图

3.2.2 故障检查及处理过程

解体#8轴承及轴承环过程中，发现下半轴承环底部垫块边角与轴承环槽道根部接触位置存在加工缺陷，如图5所示，初步测量间隙约为0.1mm，下半轴承环底部垫块及左右45°垫块均存在同样问题。由于轴承环底部的垫块与轴承环之间接触不实，造成运行中轴承下沉导致轴瓦处荷载下降，该间隙导致轴承与轴承环在运行中无法有效传递支撑力至发电机端盖，进一步加剧了油膜失稳故障。

图5 轴承环槽道根部加工缺陷

处理方案为将轴承环垫块直角处进行倒角，确保垫块与轴承环压实，消除间隙。完成轴承环垫片调整后，对#8轴承环各垫块接触面进行调整、研磨，接触面达到80%以上进行回装，检查轴承与轴承环球面接触情况，复查#8轴承瓦枕紧力、轴瓦顶隙及侧隙及油挡间隙等并调整至合格范围后进行回装，发电机汽端、励端轴瓦间隙如图6所示。

发电机汽端、励端轴瓦间隙原始安装数据及回装记录详见表4。#8轴承回装完成后对#9轴承进行翻瓦检查，调整轴承与轴承环的球面接触，确保符合要求后回装。

表4 发电机汽端、励端轴瓦间隙原始安装数据及回装记录

3.2.3 处理效果

第一阶段油膜失稳故障处理完成后于2022年5月21日重新启动，机组在启动升速、定速及并网带负荷过程中，机组轴系振动状况良好，振动幅值较稳定。定速3000r/min时通过TDM数据查询，低倍频振动幅值得到很大程度的改善，第一阶段故障处理前、后轴心轨迹如图7、图8所示。

图7 第一阶段故障处理前轴心轨迹图

图8 第一阶段故障处理后轴心轨迹图

2022年5月23日进行电超速试验时再次因#8轴承、#9轴承振动大故障跳机，超速试验过程记录见表5。

表5 超速试验过程记录

图9 转速3189r/min时#8轴承X向轴振频谱

通过频谱数据分析发现，导致#8、#9轴承振动故障跳机主要倍频分量为0.19X和0.25X，振动值超过跳机值254um后，振动幅值仍有上升，随转速降低油膜失稳故障消失。通过TDM调取机组转速3189r/min时#8轴承X向轴振频谱如图9所示、#9轴承X向轴振频谱如图10所示。

图10 转速3189r/min时#9轴承X向轴振频谱

2022年5月24日进行变油温试验时，润滑油温度降低0.5℃时8X、9X振动陡升，润滑油温停止降低后各项振动参数恢复正常，#8、#9轴承振动趋势如图11所示。

图11 #8、#9轴承振动趋势

3.3 第二阶段油膜失稳故障处理及效果

3.3.1 故障处理方案

图12 #9轴承及轴承环实物图

通过第一阶段处理，油膜失稳故障有较大改善，虽未能完全解决，但通过增加#8轴承载荷对改善机组低频振动效果明显，有效缓解了油膜失稳故障。发电机励端#9轴承未设置调整垫片，轴承与轴承环为球面接触，内轴承环与外轴承环及外轴承环与轴承盖间均为绝缘材料，如图12所示。综合考虑第一阶段的轴瓦检查情况及复装数据，调整发电机标高只能在发电机底脚加强筋底部加装垫片。发电机汽端、励端同时抬高时对#7、#8、#9轴承载荷的影响见表6。

表6 发电机汽端、励端同时抬高时对#7、#8、#9轴承载荷的影响

3.3.2 故障处理过程

通过两个320t的液压千斤顶与底脚顶起螺栓的配合，缓慢将发电机励端顶起约0.4mm，将规格型号为0.1×130×500mm的垫片置于底脚加强筋正下方，垫片加装完成后将发电机励端缓慢落下压实，汽端采用同样方法进行标高调整，期间不解开低发对轮和低低对轮。

3.3.3 处理效果

第二阶段油膜失稳故障处理方案实施后启机定速3000r/min及并网带负荷过程中，#7、#8、#9各轴承处轴振动参数较调整前相同工况有一定幅度的降低，机组负荷1005MW时DCS各项监控参数如图13所示。

图13 机组负荷1005MW时DCS各项监控参数

机组带负荷运行期间，#8、#9轴承轴振低频分量基本消失，最大值在50um以内。在40℃以上范围进行变油温试验时，发电机各振动参数基本保持不变，进行3300r/min电超速试验时故障消除。

4 结论

根据TDM及TSI从冲转至带负荷期间的历史振动数据、频谱特征及原始施工安装记录，对故障原因进行分析，结合运行参数调整及试验，综合判定发电机振动为油膜失稳导致，轴承环底部槽道加工缺陷导致垫片接触不实使#8轴承稳定性下降。经多方案对比采用仅抬高汽端轴承的方案，因未能彻底解决油膜失稳故障，第二阶段采用整体抬高发电机定子进而同时抬高汽端和励端轴承的方案进行故障处理，有效解决了油膜失稳故障。后续同类型机组安装时可适当加大发电机联轴器的下张口，增加汽端轴承载荷，同时严格检查底脚下部垫片安装质量。此外，可通过调整降低轴瓦顶隙，增大轴瓦紧力，减小下半轴承承载面、调整汽机侧#7轴承标高及将椭圆形轴瓦更换为可倾瓦等方案进行油膜失稳故障处理。