1 000 MW二次再熱汽輪機(jī)超長(zhǎng)單支撐軸系振動(dòng)問(wèn)題分析與處理

李明成，魯希振，李立波

(1.大唐東營(yíng)發(fā)電有限公司，山東 東營(yíng) 257000;2.大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引言

火電機(jī)組的大型化以及轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)軸化是時(shí)下發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)隨著新能源的不斷并入，給大功率火電機(jī)組的安全穩(wěn)定性帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)[1]。其中轉(zhuǎn)子軸系穩(wěn)定是機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵。對(duì)于長(zhǎng)軸系而言，在安裝過(guò)程中，由于自重作用存在靜撓度使得轉(zhuǎn)子支撐點(diǎn)的兩端會(huì)產(chǎn)生一定揚(yáng)度，轉(zhuǎn)子本身也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光滑的揚(yáng)度曲線(xiàn)[2]；同時(shí)，轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，其對(duì)運(yùn)行環(huán)境的參數(shù)變化極為敏感，所以極容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動(dòng)超限問(wèn)題，影響機(jī)組正常運(yùn)行穩(wěn)定性。

我國(guó)新百萬(wàn)機(jī)組汽輪發(fā)電機(jī)組的軸承支撐形式大多為單支撐。相比于雙支撐形式，由于只有一端支撐，另一端通過(guò)聯(lián)軸器支撐在相鄰的轉(zhuǎn)子上，這導(dǎo)致單支撐軸系汽輪機(jī)組的振動(dòng)特性比傳統(tǒng)雙支撐機(jī)組更復(fù)雜[3]，無(wú)法直接套用雙支撐轉(zhuǎn)子的處理方案。同時(shí)由于超長(zhǎng)的單支撐軸承會(huì)增加振動(dòng)分析和重新配重的難度，國(guó)內(nèi)對(duì)于百萬(wàn)二次再熱汽輪機(jī)的軸系振動(dòng)問(wèn)題都還處于起步和探索階段，鮮有成熟且成套的技術(shù)方案可供參考。

對(duì)此，本文針對(duì)某百萬(wàn)二次再熱汽輪機(jī)59.5 m超長(zhǎng)軸系間出現(xiàn)的熱態(tài)振動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)行了故障診斷及相應(yīng)處理。最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡配重，使發(fā)電機(jī)各個(gè)軸瓦振動(dòng)達(dá)到優(yōu)良水平。

1 機(jī)組概況

某發(fā)電廠2號(hào)機(jī)組為上海電氣生產(chǎn)的單軸六缸六排汽超超臨界中間二次再熱凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，軸系全長(zhǎng)約59.5m。該機(jī)型為上海汽輪機(jī)廠引進(jìn)西門(mén)子技術(shù)生產(chǎn)的百萬(wàn)新型機(jī)組。該機(jī)組軸系為單支撐軸系，為國(guó)內(nèi)百萬(wàn)等級(jí)機(jī)組最長(zhǎng)。

1.1 軸系構(gòu)成

該汽輪發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)部分由一根高壓轉(zhuǎn)子(HP)、一根超高壓轉(zhuǎn)子(VHP)、一根中壓轉(zhuǎn)子(IP)及三根低壓轉(zhuǎn)子(LP1、LP2、LP3)組成；發(fā)電機(jī)部分則由水氫氫發(fā)電機(jī)(GEN)及靜態(tài)勵(lì)磁機(jī)(EXC)轉(zhuǎn)子組成。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為雙支撐結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)端由一個(gè)四塊可傾瓦軸承與發(fā)電機(jī)形成三支承結(jié)構(gòu)，具體軸系布置如圖1所示。

圖1 軸系簡(jiǎn)圖

1.2 發(fā)電機(jī)振動(dòng)

2020年9月25日1號(hào)機(jī)組首次沖轉(zhuǎn)，定速后軸系各瓦軸振幅值均在優(yōu)秀范圍內(nèi)，隨著負(fù)荷的升高，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)軸瓦振動(dòng)開(kāi)始升高，特別是負(fù)荷達(dá)到450 MW以上時(shí)，發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)升高較快，最終振動(dòng)幅值達(dá)到140 μm，當(dāng)負(fù)荷下降至400 MW以下時(shí)，振動(dòng)開(kāi)始回落，查看振動(dòng)頻譜，8瓦和9瓦振動(dòng)均以一倍頻為主，振動(dòng)變化過(guò)程中，相位變化約為10°。機(jī)組首次定速時(shí)振動(dòng)幅值如表1所示。

表1 首次定速時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)

2 單支撐軸系振動(dòng)異常分析

根據(jù)振動(dòng)現(xiàn)象，判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在熱不平衡故障，具體分析如下：

2.1 冷卻故障

通風(fēng)孔是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻的主要風(fēng)路通道，如果由于某種原因?qū)е峦L(fēng)孔變形，就會(huì)引起通風(fēng)孔通流面積減小，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子局部冷卻不均，轉(zhuǎn)子橫截面溫度場(chǎng)不對(duì)稱(chēng)，進(jìn)而引起熱彎曲故障[4]。發(fā)生冷卻故障時(shí)，隨著冷氫溫度的升高，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不對(duì)稱(chēng)冷卻程度相對(duì)減小，冷卻故障導(dǎo)致的熱態(tài)不平衡振動(dòng)也隨之減小。

為了進(jìn)行驗(yàn)證，在運(yùn)行過(guò)程中將冷氫溫度進(jìn)行改變，隨著溫度的變化，發(fā)電機(jī)8瓦和9瓦的振動(dòng)幅值幾乎沒(méi)有變化，試驗(yàn)結(jié)果證明發(fā)電機(jī)軸承振動(dòng)與冷氫溫度沒(méi)有相關(guān)性，進(jìn)而可以排除發(fā)電機(jī)冷卻故障。

2.2 匝間短路

匝間短路也是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)常會(huì)發(fā)生的故障之一，其產(chǎn)生原因主要有以下兩點(diǎn)：一是在機(jī)組啟停過(guò)程中繞組受到巨大離心力作用，導(dǎo)致匝間絕緣產(chǎn)生位移、變形和局部損壞[5]；二是由于制造工藝原因?qū)е吕@組固定不牢，導(dǎo)條的加工質(zhì)量較差，匝間絕緣偏出等，導(dǎo)致絕緣損壞。

匝間短路故障的診斷方法較多，通常應(yīng)用交流阻抗法、重復(fù)脈沖法、兩極電壓平衡法[6]等方法進(jìn)行綜合診斷。最終，通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試，排除了該機(jī)組存在匝間短路的可能性。

2.3 線(xiàn)圈膨脹不暢

發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)是由轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流建立的，勵(lì)磁電流通過(guò)繞組并加熱線(xiàn)圈，線(xiàn)圈受熱后向兩端膨脹[7]。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部件由于離心力作用而擠壓在一起，由于各部件材料、溫度不同，膨脹系數(shù)亦不同，存在相對(duì)膨脹，導(dǎo)致在接觸面出現(xiàn)摩擦力。如果摩擦力不對(duì)稱(chēng)，就會(huì)產(chǎn)生彎矩，使轉(zhuǎn)子彎曲[8]。通常在線(xiàn)圈和槽楔之間、端部線(xiàn)圈和護(hù)環(huán)內(nèi)表面之間都會(huì)產(chǎn)生這種摩擦效應(yīng)，如線(xiàn)圈受熱后膨脹受阻時(shí)將產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的軸向力[9]。內(nèi)摩擦引起的熱不平衡振動(dòng)有如下特點(diǎn)：振動(dòng)也是隨勵(lì)磁電流的增加而增大，即使減小勵(lì)磁電流，振動(dòng)也不是立即恢復(fù)，往往存在一定的滯后。

根據(jù)該機(jī)組的振動(dòng)特征，發(fā)電機(jī)的振動(dòng)與勵(lì)磁電流有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于勵(lì)磁電流與負(fù)荷趨勢(shì)基本對(duì)應(yīng)，當(dāng)負(fù)荷增加到某一定值時(shí)，線(xiàn)圈膨脹受阻，引起熱態(tài)彎曲，負(fù)荷下降時(shí)，線(xiàn)圈收縮，但是熱量的損失會(huì)有一個(gè)過(guò)程，導(dǎo)致振動(dòng)恢復(fù)會(huì)有一定的滯后。因此可以初步判定線(xiàn)圈膨脹不暢是引發(fā)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的主要原因。

3 振動(dòng)處理

根據(jù)振動(dòng)故障產(chǎn)生的原因，為了消除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，需要對(duì)發(fā)電機(jī)-勵(lì)磁機(jī)系統(tǒng)的振型進(jìn)行分析，確定采取何種振動(dòng)處理方式。

3.1 發(fā)電機(jī)振型分析

該機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是典型的柔性轉(zhuǎn)子，柔性轉(zhuǎn)子的現(xiàn)場(chǎng)平衡通常采取模態(tài)平衡法，根據(jù)振型的正交性原理，柔性轉(zhuǎn)子的每階振動(dòng)分量只能由相應(yīng)階的不平衡引起，如果轉(zhuǎn)子各階振型不平衡分量都進(jìn)行了校正，那么轉(zhuǎn)子的振動(dòng)就會(huì)處于較好的狀態(tài)。

根據(jù)圖2發(fā)電機(jī)-勵(lì)磁機(jī)軸系在3 000 r/min時(shí)的全息譜圖，可以初步判斷發(fā)電機(jī)的振型，發(fā)電機(jī)振動(dòng)受三階振型影響較明顯。

圖2 發(fā)勵(lì)系統(tǒng)全息譜圖

通常，在平衡二階振型響應(yīng)時(shí)，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇環(huán)位置加反對(duì)稱(chēng)重量即可[10]，而對(duì)于工作轉(zhuǎn)速下的三階振型，由于現(xiàn)場(chǎng)不具備在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中部加重的條件，因此也只能在發(fā)電機(jī)兩側(cè)風(fēng)扇環(huán)或?qū)單恢眉訉?duì)稱(chēng)重量[11]，由于拆卸密封瓦周期較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響機(jī)組的調(diào)試進(jìn)度，最終決定在發(fā)電機(jī)兩側(cè)對(duì)輪位置進(jìn)行動(dòng)平衡配重工作。

首次定速時(shí)，發(fā)電機(jī)8瓦和9瓦振動(dòng)伯德圖如圖3和圖4所示。

圖3 8瓦升速伯德圖

圖4 9瓦升速伯德圖

3.2 加重平面的選取

根據(jù)發(fā)電機(jī)的三階振型型式[12]，風(fēng)扇環(huán)和中間位置加重雖然能有效降低發(fā)電機(jī)的三階振動(dòng)，但是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施起來(lái)非常困難，在低發(fā)對(duì)輪和發(fā)勵(lì)對(duì)輪處施加配重也可以有效降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)。但同時(shí)還應(yīng)考慮配重后對(duì)低壓轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響。

圖5 發(fā)電機(jī)三階振型圖

低壓轉(zhuǎn)子所在的7瓦和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子所在的10瓦，其相位與鄰近發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相位相差45°以?xún)?nèi)，基本屬于同向，因此對(duì)輪的配重在降低發(fā)電機(jī)振動(dòng)的同時(shí)也會(huì)對(duì)相鄰軸瓦的振動(dòng)有積極作用，不會(huì)惡化現(xiàn)有的振動(dòng)水平。如果想要短時(shí)間內(nèi)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡手段來(lái)消除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)，最佳方案只能是在發(fā)電機(jī)兩側(cè)對(duì)輪進(jìn)行動(dòng)平衡加重。

3.3 動(dòng)平衡效果

表2 450 MW時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)(動(dòng)平衡前)

根據(jù)百萬(wàn)單支撐軸系現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡經(jīng)驗(yàn)，確定動(dòng)平衡方案為：發(fā)電機(jī)低壓側(cè)對(duì)輪加重900 g，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁側(cè)對(duì)輪加重1 000 g。

配重后機(jī)組再次啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)一階臨界轉(zhuǎn)速下振動(dòng)幅值較首次啟動(dòng)增大約30 μm，但最大仍未超過(guò)120 μm。帶450 MW負(fù)荷后，發(fā)電機(jī)振動(dòng)幅值最大未超過(guò)90 μm，與之相鄰的低壓轉(zhuǎn)子7瓦和勵(lì)磁機(jī)10瓦振動(dòng)幅值分別降低了10 μm和8 μm。根據(jù)GB/T11348.2的相關(guān)要求，該機(jī)組的軸系振動(dòng)處于優(yōu)良水平，帶負(fù)荷后振動(dòng)如表3所示。

表3 455 MW時(shí)振動(dòng)數(shù)據(jù)(動(dòng)平衡后)

4 結(jié)論

本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某百萬(wàn)級(jí)二次再熱汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)的振動(dòng)問(wèn)題，進(jìn)行了分析及相應(yīng)處理，得出的結(jié)論如下：

(1)本文通過(guò)排除法及試驗(yàn)驗(yàn)證，找到了發(fā)電機(jī)振動(dòng)的根本原因是熱態(tài)不平衡。在熱態(tài)不平衡問(wèn)題處理時(shí)，可根據(jù)振動(dòng)的現(xiàn)象予以確認(rèn)；

(2)對(duì)于單支撐軸系而言，對(duì)輪兩側(cè)軸瓦振動(dòng)相位應(yīng)基本為同向。若想規(guī)避振動(dòng)增大問(wèn)題，需要保證相位相差不應(yīng)超過(guò)45°。

(3)本文通過(guò)實(shí)際案例解決了百萬(wàn)等級(jí)機(jī)組最長(zhǎng)單支撐軸系的振動(dòng)問(wèn)題，填補(bǔ)了相應(yīng)空缺，可為今后類(lèi)似故障的處理提供參考和借鑒。