300 MW 机组汽轮机振动故障诊断及处理

刘永生

（沙角A 电厂，广东东莞 523936）

0 引言

某电厂300 MW 机组的配套上海N300-16.7/538/538 型亚临界、中间再热、单轴双缸、两排汽、高中压合缸、凝汽式汽轮机[1]。机组励/发轴系是三支撑，为上海电机厂生产引进型300 MW 机组，运行中振动不稳定是其通病，给机组的安全运行造成很大困扰。

1 2018—2020 年转子振动运行平衡情况

2018 年2 月，A 修后首次启动，在轴系平衡过程中，汽机升速通过高中压转子临界转速时，1#瓦相对轴振已达183 μm（基频）。另外，单阀切换顺序阀运行时，1#瓦相对轴振可由原来的98 μm 增至116 μm（通频），增大的主要是基频分量。

2018 年11 月，利用机组C 修将1#瓦顶隙减小0.10 mm、以增加油膜刚度，然后通过在高中压转子两侧分别加重402 g∠263、785 g∠263，整流子后端面加重70 g∠225 之后，升速过程中1#、2#瓦的轴振分别降至90 μm 和48 μm（基频），满负荷（顺序阀）运行情况下1#瓦轴振为118 μm（通频）。

2019 年8 月，机组运行中5#瓦水平振动有增大趋势，最大为81 μm（通频），为消除其及负荷下1#瓦振动大问题，2020 年4 月安排B 修。为取得轴系平衡所需的发电机转子振动热变量，B 修前测试了机组停机前的各瓦振动，300 MW 负荷下1#瓦轴振达168 μm（通频）、5#瓦水平瓦振为55 μm（通频）。

2020 年5 月，B 修进行轴系平衡后，汽轮机定速下1#、2#瓦轴振分别降至48 μm（通频）和64 μm（通频），5#瓦水平瓦振19 μm（通频），其他各瓦轴振均小于90 μm（通频），瓦振小于30 μm（通频）。机组加带负荷至300 MW，在发电机无功10 MVar 下，机组各瓦轴振均小于100 μm（通频），5#瓦水平瓦振为60 μm（通频），6#瓦的垂直和水平瓦振分别为41 μm（通频）和43 μm（通频），其余各瓦均小于25 μm（通频）。

2 2021 年转子振动故障处理过程

2021 年4 月，机组C 修后首次启动，汽轮机定速下各瓦瓦振均小于30 μm（通频）、X 方向轴振均小于90 μm（通频）。根据2020 年B 修前测得的发电机转子振动热变量预计，带负荷后5#瓦水平瓦振仍会超过50 μm（通频），为此，在低/发联轴器上加重658 g∠197 后启动，5#瓦水平瓦振的方向已被调整到振动热变量的反向，幅值也达到理想效果，但4#、5#瓦垂直瓦振增大明显。为此，在低压转子两侧加重379 g∠83 和379 g∠263，发电机整流子后端面加重35 g∠30，之后机组再次启动，4#瓦垂直瓦振由之前的83 μm（通频）下降至15 μm（通频），但5#瓦垂直瓦振却由50 μm（通频）增大至66 μm（通频），水平瓦振增至45 μm（通频），各瓦X 方向轴振均小于90 μm（通频），除5#瓦外，其他各瓦垂直瓦振均小于20 μm（通频）。

经过轴系平衡，5#瓦水平瓦振已达到预期效果，但垂直瓦振较大，而从低/发联轴器加重的响应看，5#瓦垂直、水平振动相互矛盾，已无调整余地，水平瓦振较2020 年B 修轴系平衡后已有明显减小。同时，这次发电机RSO（Repetitive Surge Oscilloscope，重复脉冲）检测中，2020 年B 修中发现的一个固定短路点也已经消失，即仅存一个不稳定的匝间短路点，综合上述情况，决定拆除此次轴系平衡的所有加重，复测原始振动后，为减小升速过程中6#、7#瓦的轴振，在整流子后端面加重70 g∠15。处理后汽轮机定速下各瓦轴振均小于100 μm（通频），各瓦瓦振均小于30 μm（通频），升速过程中，6#、7#瓦临界转速下X 向振动由加重前的96 μm（基频）、113 μm（基频）降低至12 μm（基频）和22 μm（基频），机组负荷300 MW，发电机无功90 MVar 负荷下，各瓦轴振均小于90 μm（通频）。除5#瓦水平和6#瓦垂直分别为37 μm（通频）和40 μm（通频）外，其他各瓦垂直、水平瓦振均小于30 μm（通频），消振效果较为满意。

3 振动故障原因诊断

根据测试数据及检修前振动情况，对升速过程中6#、7#瓦轴振偏大和5#瓦带负荷后瓦振大的故障，做出如下诊断。

3.1 振动性质

升速过程中6#、7#瓦的轴振偏大，其主要振动分量为基频。根据定速下5#瓦的振值和2020 年5 月B 修轴系平衡后，测得该机5#瓦的振动热变量预计，预计带负荷后5#瓦水平会超过50 μm（通频），二者振动分量都是基频，因此从振动性质上判定是普通强迫振动[2]。

3.2 支承动刚度与激振力

引起轴振大的原因有两个：一是激振力大，二是油膜刚度低。从这次C 修的工作内容看，只是拆励/发联轴器，抽出发电机转子，并未对6#、7#瓦轴瓦进行处理，因此轴瓦油膜刚度不会改变，引起6#、7#瓦轴振增大的原因只能是激振力增大。

根据该机多年的振动处理经验，检修中只要拆装过励/发联轴器。修后启动，升速过程中6#、7#瓦轴振会增大，甚至因临界转速下振动大而无法定速，其原因是励/发轴系存在不平衡，即激振力增大。

空负荷下，5#瓦瓦振并不大，引起带负荷后5#瓦水平瓦振增大的原因是发电机转子存在热弯曲现象。

从该机5#瓦水平振动大的历史看，该机自2019 年8月以来，5#瓦水平瓦振有增大趋势，因此在2020 年5 月的B 修中对发电机转子进行了RSO 检测[10]，发现2#线圈存在稳定的匝间绝缘缺陷，3#线圈存在不稳定的匝间短路故障，即该发电机转子存在匝间短路故障。而此次检修中再次对发电机转子做RSO 检测，发现2020 年5 月B 修中发现的一个固定短路点已经消失，而另一个不稳定短路点仍然存在（即发电机转子匝间短路依然存在），发电机转子匝间短路是造成转子热弯曲[12]的原因，转子热弯曲产生热不平衡。

3.2 消振对策

根据上述诊断，升速过程中6#、7#瓦轴振偏大的原因是励/发轴系存在不平衡，而引起带负荷后5#瓦水平瓦振增大的原因是，发电机转子存在匝间短路故障引起转子热弯曲产生的热不平衡。

对于上述两种故障，简单、有效的消振对策是调整轴系平衡。

4 轴系平衡

尽管目前5#、6#瓦水平瓦振均为25 μm（通频），但根据2020 年5 月的发电机转子水平瓦振热变量[3]，二者同相，因此带负荷后5#、6#瓦水平瓦振会增大至60 μm（通频）。轴系平衡的目的是调整定速下5#、6#瓦水平瓦振的方向与振动热变量反相[14]，机组带负荷后5#、6#瓦的水平瓦振会下降。

减小5#、6#瓦水平瓦振最有效的加重平面是在低/发联轴器[15]。根据该型机组现场经验，在低/发联轴器上加重658 g∠197 后启动，定速下，5#瓦水平瓦振的方向已到振动热变量的反向，幅值也达到预期；6#瓦水平瓦振尽管方向没有与振动热变量方向完全相反，但幅值已降至15 μm（基频）；4#瓦垂直瓦振由加重前的46 μm（通频）升高至67 μm（通频），轴振由加重前的94 μm（通频）升高至125 μm（通频），其他各瓦X、Y 向轴振均小于75 μm（通频）。

为了降低4#瓦振动和升速过程中的6#、7#瓦轴振，在低压转子两侧加重379 g∠83 和379 g∠263 的同时，在整流子后端面加重35 g∠30 后启动，4#瓦垂直瓦振由加重前的83 μm（通频）下降至15 μm（通频），但5#瓦垂直瓦振却由38 μm（通频）增大至66 μm（通频），水平瓦振增大至45 μm（通频），方向没变，其他各瓦垂直瓦振均小于20 μm（通频），各瓦X 向轴振均小于90 μm（通频），各瓦瓦振除5#瓦垂直为81 μm（通频）外，升速过程中，6#、7#瓦轴振均在25 μm（通频）以下。

为减小升、降速过程中6#、7#瓦轴振，在整流子后端面加重70g∠15 之后启动，升速过程中6#、7#瓦临界转速下X 向振动由加重前的96 μm（基频）、113 μm（基频）降低至12 μm（基频）和22 μm（基频），定速下各瓦轴振均小于100 μm（通频），各瓦瓦振均小于30 μm（通频），升速过程中机组4#、5#、6#、7#瓦的X向轴振波德曲线见图1～图4。

图1 4#瓦X 向振动曲线

图2 5#瓦X 向振动曲线

图3 6#瓦X 向振动曲线

图4 7#瓦X 向振动曲线

5 结论

（1）经轴系平衡后启动，汽轮机定速下，各瓦瓦振均小于30 μm（通频），各瓦X 向轴振均小于90 μm（通频），但升、降速过程6#、7#瓦轴振较大，通过在发电机整流子后端面加重后，定速下各瓦轴振均小于100 μm（通频），各瓦瓦振均小于30 μm（通频），升速过程中6#、7#瓦临界转速下X 向振动为12 μm（基频）和22 μm（基频）。

（2）对于发电机转子存在不稳定匝间短路故障的机组，轴系平衡前获得当下的振动热变量是保证空负荷和满负荷下振动都满意的先决条件。

（3）实测5#、6#瓦水平瓦振的振动热变量较2020 年5 月B修后的数值有所减小，与此次C 修中RSO 检测中发现B 修中存在的一个固定短路点消失相吻合，由此表明监测振动可以有效监测发电机转子匝间的短路状态。

（4）今后运行观察，如果带负荷状态下5#瓦水平振动有明显增长，表明发电机转子匝间短路故障加重。