50MW發(fā)電機組振動超標原因分析與處理

何楊柯

(中國石化股份有限公司九江分公司，江西 九江 332004)

1.概述

某國產(chǎn)50MW發(fā)電機組，汽輪機為高壓、單缸、單軸、雙抽汽、沖動冷凝式汽輪機組；配套QFJ-60-2 10.5KV型號發(fā)電機，使用靜止勵磁裝置。2013年初機組試運行，汽輪機轉(zhuǎn)子軸振動值過高導(dǎo)致機組停機。機組結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1

2.振動特征及測量數(shù)據(jù)

(1)汽輪機轉(zhuǎn)子振動特征

機組升速過程中轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定，過臨界轉(zhuǎn)速1 442r/min時振動較大。轉(zhuǎn)速達到2 200r/min后，2#軸承的振動達到130μm報警值，轉(zhuǎn)速2 800r/min后2#軸承的振動值起伏波動，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性變差，機組在3 000r/min上運行只維持了很短時間。由于2#軸承振動持續(xù)升高、超過150μm導(dǎo)致停機，跳車后該軸振動持續(xù)上升并超過200μm。軸承振動數(shù)據(jù)見表1。

表1 汽輪機軸振動數(shù)據(jù)

(2)發(fā)電機4#軸承座振動特征

發(fā)電機軸承座在升速過程中現(xiàn)場測振，4#軸承座在1 200r/min時軸向振動速度通頻值為1.78mm/s，有100Hz頻率分量為1.38mm/s，100Hz頻率分量占通頻值的77%為主要頻率成份。

轉(zhuǎn)速超過2 800r/min后，軸向振動100Hz分量迅速增大為主要成份。轉(zhuǎn)速3 000r/min時，4#軸承座軸向振動最大值振動值為20mm/s，遠大于徑向的振動速度。振動頻率主要成份為2倍頻分量為19mm/s，1×分量1mm/s，2×分量占通頻值95%(表2)，發(fā)電機4#軸承座在軸向存在約100Hz頻率響應(yīng)。加勵磁電流，對軸承座軸向振動影響很小。

表2 3 000r/min時4#軸承座振動速度 mm/s

在固定轉(zhuǎn)速下，4#軸承座軸向振動位移從底部到頂部線性增大(表3)。

表3 3 000r/min時4#軸承座軸向振動位移 μm

3.故障分析與對策

(1)2#軸承座承受熱應(yīng)力變形

2#軸承與3#軸承并列在機組中部，汽輪機轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用剛性連接，2#軸承座與后汽缸為鋼板焊接的一體結(jié)構(gòu)，剛度較低。汽輪機的膨脹死點位于2#軸承座，缸脹時的軸向推力與地腳螺栓形成力矩，因此機組升溫過程缸脹程度不均，使軸承座發(fā)生偏移或傾斜，影響軸承座標高與軸瓦的載荷?，F(xiàn)場機座打表監(jiān)測顯示汽輪機北側(cè)膨脹快于南側(cè)，缸體受摩擦阻力向北偏。

汽輪機抽真空后會降低排汽溫度，使排汽管道熱脹量縮小，管道回縮會對汽缸產(chǎn)生反作用力。凝汽器真空度下降到-90kPa時，低壓缸的排汽溫度降到68℃?，F(xiàn)場測量，2#軸承座底部下降0.15mm，2#軸承的軸振動從137μm升高到180μm。

由于2#軸承結(jié)構(gòu)為橢圓瓦，沒有自定位能力，這樣機組的膨脹與對中精度的變化使汽輪機與發(fā)電機兩轉(zhuǎn)子同心度與平直度發(fā)生變化。從圖2上看2#軸承軸心軌跡較扁，在頻譜上2#軸承的殼體振動頻譜主要增高的頻率成份為2倍頻分量，故障特征與現(xiàn)場轉(zhuǎn)子對中不良實際相吻合，故機組對中不良是使2#軸承轉(zhuǎn)子振動值升高的一個原因。對策是將發(fā)電機轉(zhuǎn)子的軸承中心降低0.15mm。

(2)發(fā)電機軸承座振動

發(fā)電機4#軸承振動工頻很小，轉(zhuǎn)子自身的不平衡量對振動影響不大。分析發(fā)電機4#軸承軸向振動，從機組開始升速，發(fā)電機軸承座的軸向振動頻譜中出現(xiàn)100Hz頻率響應(yīng)。轉(zhuǎn)速接近3 000r/min時，4#軸承的軸向振動迅速增高達到20mm/s，遠大于徑向振動。振動值增高主要是100Hz分量頻率成份的增大。

在升速過程中軸承座的軸向振動2倍頻分量不明顯，施加勵磁電流前后軸向振動無明顯變化，且發(fā)電機使用靜止勵磁裝置，可以排除軸向不平衡電磁力引起軸向振動的可能。

該機組為新安裝機組，基礎(chǔ)施工質(zhì)量達標，可以排除軸承座墊鐵滑移、墊片不平，軸承座連接螺栓松動、軸承座底座與基礎(chǔ)臺板接觸不均勻等不良情況。現(xiàn)場檢查軸承座下基礎(chǔ)二次灌漿層良好無松裂，可以排除上述情況引起軸承座支撐剛度不對稱的可能性。

綜上所述，導(dǎo)致發(fā)電機軸承座軸向振動的可能原因是發(fā)電機軸承座在軸向存在100Hz的自振頻率。并且軸承座為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，剛度較小，使軸承座在3 000r/min轉(zhuǎn)速時軸向振動很大。

考慮到引起機組跳車的原因是汽輪機轉(zhuǎn)子徑向振動值過高，發(fā)電機軸承座振動值升高主要發(fā)生在軸向而不是徑向，屬于軸承座自身振動特性。所以通過增強結(jié)構(gòu)、加大質(zhì)量途徑改變軸承座的自振頻率是可行有效的方法。

在機組軸振動全部達標后，機組運行平穩(wěn)同時發(fā)電機軸承座軸向振動大仍然不變，說明發(fā)電機軸承座軸向振動不是機組跳車的主要原因。

(3)球面瓦軸承卡澀

發(fā)電機球面瓦設(shè)計要求為球徑方向間隙為0.00~0.04mm，以保證球面軸承的自定位功能保持軸承的承力中心穩(wěn)定。但是安裝時在球面施加了過大的緊力，使軸瓦發(fā)生卡澀而失去了自定位功能，不能適應(yīng)轉(zhuǎn)子彎曲的變化，從而將軸向力傳遞給軸承座。采用對應(yīng)措施是將球面緊力去除，使球面徑向間隙達到0.00mm。實施后發(fā)電機軸承座軸向振動保持原值無明顯變化，排除了球面瓦軸承卡澀故障。

(4)轉(zhuǎn)子運行穩(wěn)定性差

在開機沖轉(zhuǎn)過程中，汽輪機轉(zhuǎn)子運行穩(wěn)定性較差，2#軸承的軸振動超過130μm后振動棒值在高位波動。2#軸承結(jié)構(gòu)為二層圓柱面結(jié)構(gòu)的橢圓瓦軸承，尺寸為瓦徑325mm、瓦長260mm?，F(xiàn)場實測軸瓦頂隙0.47mm、側(cè)隙0.8mm。對應(yīng)2#軸承的軸振動值X向最大的情況，采用在對應(yīng)部位南邊的瓦枕下加0.05mm墊片，起到了增加穩(wěn)定性的作用，使2#軸承的振動棒值最高達到130μm后保持穩(wěn)定、不再升高。

4.結(jié)語

分析振動產(chǎn)生的原因后，采用對應(yīng)措施后，收到良好效果。機組暖機升速過程中，過臨界十分平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速到3 000r/min后，2#軸承的振動棒值穩(wěn)定在130μm，機組在振動值高位上維持穩(wěn)定。隨著汽輪機缸體充分膨脹均勻后，工況轉(zhuǎn)向良好，軸系轉(zhuǎn)子振動全部達到設(shè)計要求，發(fā)電機各項電氣試驗逐一完成，機組并網(wǎng)發(fā)電。

[1]施維新.汽輪發(fā)電機組振動及事故[M].北京：中國電力出版社，1998.