某亞臨界600MW機組勵磁機轉子振動分析及處理

趙 鑫 冀豐強 張 豐 崔彥亭

（1.天津大唐國際盤山發(fā)電有限責任公司，天津 301900；2.大唐華北電力試驗研究院，北京 100043）

0 引言

某機組為哈爾濱汽輪機有限責任公司和哈爾濱電機有限責任公司引進美國西屋公司技術生產(chǎn)的600 MW汽輪發(fā)電機組。汽輪機型號為N600-16.7/537/537-I，發(fā)電機型號為QFSN-600-2YH，勵磁機型號為WJL-2442-8。如圖1所示，機組軸系由高壓轉子、中壓轉子、兩根低壓轉子、發(fā)電機轉子、勵磁機轉子組成，其中高、中、低壓轉子均為雙支撐結構，發(fā)電機和勵磁機轉子為三支撐結構，勵磁機轉子支承于勵磁機11號軸承上，其他轉子各自支承于兩個徑向軸承上，整個軸系有11個軸承。發(fā)電機軸瓦為兩瓦塊可傾瓦，勵磁機末端軸瓦為四瓦塊可傾瓦。

圖1 機組軸系示意圖

2019年5月，11號軸承軸振開始出現(xiàn)爬升，10號軸承軸振由130 μm增大至137 μm，11號軸承軸振由90 μm增大至123 μm。6月、8月受兩次線路跳閘影響，10號軸承軸振增大到150 μm，11號軸承軸振增大到185 μm。至2020年4月，機組穩(wěn)定運行中11號軸承軸振達210 μm，懷疑線路單相接地和快速重合閘對發(fā)勵聯(lián)軸器產(chǎn)生沖擊，并使其對中狀態(tài)劣化。7月停備期間對發(fā)勵聯(lián)軸器及螺栓進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常，11號軸承標高抬高500 μm。2020年8月3日啟動定速后，10號軸承軸振150 μm，11號軸承軸振61 μm，9月1日停機檢修前11號軸承X向軸振升至105 μm。

11月A修啟動過程中，通過發(fā)電機二階臨界轉速時，10號、11號軸承軸振最高可達430 μm，并網(wǎng)后多次因振動原因停機處理，給機組的安全運行帶來了極大壓力。通過對長期振動數(shù)據(jù)進行排查分析，確定此振動由發(fā)勵聯(lián)軸器止口間隙超標引起，最終于2021年10月采取發(fā)電機轉子高速動平衡、發(fā)勵聯(lián)軸器止口補焊等措施處理，此后啟動過程中臨界轉速時10號、11號軸承軸振降低至70 μm，穩(wěn)定運行中10號軸承軸振91 μm，11號軸承軸振64 μm，這一長期困擾電廠的技術難題得到解決。

1 A修啟動后振動不穩(wěn)定原因分析及處理

1.1 振動情況

2020-11-29T18：31，機組第一次沖車時定速達到3 000 r/min，10X軸振116 μm，10Y軸振117 μm，11X軸振169 μm，11Y軸振212 μm，振動有緩慢爬升趨勢。19：02，振動開始快速爬升；19：04，11Y軸振快速爬升至368 μm，運行打閘，如表1所示?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)11瓦兩側下瓦塊的球面墊塊分別磨損500、600 μm，對其分別補償300、400 μm。

表1 2020年A修后啟動過程中振動情況

12月2日，機組第二次沖車，19：56定速時11號軸承X向軸振110 μm、間隙電壓-9.6 V，Y向軸振70 μm、間隙電壓-10.0 V，并有緩慢爬升趨勢。12月3日03：38，11號軸承X向軸振升至160 μm、間隙電壓-10.3 V，Y向軸振190 μm、間隙電壓-10.7 V，如表1所示。嚴密性試驗轉速降至臨界轉速時，11號軸承X向軸振550 μm，保護動作。

1.2 振動原因分析及處理

A修后11號軸承振動主要表現(xiàn)為穩(wěn)定轉速下不同程度的持續(xù)性上漲，早期西屋型亞臨界600 MW機組存在勵磁機轉子軸承振動爬升和不穩(wěn)定振動問題，其主要原因為：勵磁機11號軸頸晃度較大和發(fā)勵聯(lián)軸器連接螺栓緊力不足[1]。本次A修中為處理振動問題將發(fā)勵聯(lián)軸器中心按標準調整同心度在0.03 mm以內，發(fā)勵聯(lián)軸器螺栓全部更換并增加螺栓緊力至2 000 N·m，故可排除上述原因。

從振動特征看增加量主要是工頻分量，相位變化27°，由此判斷存在碰磨故障；同時11號軸承X、Y向間隙電壓絕對值分別增大0.7 V。間隙電壓絕對值增大，11號軸承標高下降，由此推斷碰磨故障只是振動爬升的表象，主要原因是轉子下沉導致碰磨，軸頸擺動大，存在一定的甩尾現(xiàn)象[2]。12月3日，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)11號軸承油擋頂隙約700 μm，下間隙為0，球面墊塊磨損且出現(xiàn)裂紋，如圖2所示。安裝時油擋頂隙為150 μm，可知標高下降550 μm，主要由球面墊塊磨損引起，其原因為球面頂絲與墊塊接觸面積較小，球面墊塊局部受力，容易發(fā)生磨損，過臨界時軸振嚴重超標，球面頂絲與墊塊接觸面受力增大，加劇了磨損劣化[3]。

圖2 球面墊塊磨損及裂紋

該機組發(fā)電機、勵磁機轉子為三支撐結構，這種支撐方式下尾部軸承標高變化、發(fā)電機二階不平衡和勵磁機本身不平衡對勵磁機振動影響都比較大[4]。12月3日，根據(jù)檢查情況更換球面頂絲、墊塊，按制造廠要求將下張口恢復至250 μm；由于11號軸承振動穩(wěn)定性差，多次發(fā)生振動爬升現(xiàn)象，為有效控制振動，在勵磁機平衡槽位置加重100 g。12月4日機組再次啟動并網(wǎng)后，11瓦軸承軸振基本穩(wěn)定在40 μm左右。

2 運行中振動持續(xù)上漲原因分析及處理

2.1 振動情況

2021年7月20日，由于11號軸瓦磨損振動持續(xù)增大，利用停備機會進行檢查處理。8月7日啟動后根據(jù)振動情況在勵磁機轉子兩端反對稱分別加重400 g，啟動并網(wǎng)后10號軸承軸振71 μm，11號軸承軸振30 μm，運行中持續(xù)緩慢上漲，每次升負荷時振動均出現(xiàn)小幅爬升，降負荷時振動回落但恢復不到爬升前數(shù)值。9月10日停機前，10號軸承軸振181 μm，11號軸承軸振91 μm。

由于10號、11號軸承臨界振動長期在300 μm以上，懷疑發(fā)電機轉子二階振型與勵磁機轉子一階振型相互影響[5]，為排除影響，2021年9月19日，將勵磁機轉子與發(fā)電機轉子斷開沖轉，通過發(fā)電機轉子二階臨界轉速時，9號、10號軸承軸振分別為46 μm和96 μm，說明發(fā)電機轉子二階振型平衡狀態(tài)較好，但在2 800 r/min時出現(xiàn)峰值且以二倍頻分量為主，如表2所示。

表2 歷次啟停機過程中2 800 r/min時9號、10號軸承二倍頻振動情況

鑒于同類型機組哈爾濱第三發(fā)電有限責任公司發(fā)電機轉子勵側護環(huán)下轉子與軸柄過渡圓角處曾發(fā)生過裂紋事故[6]，懷疑轉子異常。10月4日將發(fā)電機轉子返廠進行高速動平衡，3 000 r/min時9號軸承軸振41 μm，二倍頻分量19 μm，10號軸承軸振46 μm，二倍頻分量31 μm。轉子返廠前9瓦、10瓦定速時二倍頻振動如表3所示。

表3 歷次定速時9號、10號軸承二倍頻振動情況

2.2 振動原因分析及處理

由上述振動情況可知，發(fā)電機轉子單試和高速動平衡時均存在一定量的二倍頻，主要原因為發(fā)電機轉子由于開槽，在大齒和小齒方向的抗彎剛度有明顯的不同[7]；斷開勵磁機轉子后軸系剛度和質量均發(fā)生變化，2 800 r/min即1/2三階臨界轉速下二倍頻振動峰值出現(xiàn)，定速后二倍頻振動數(shù)值也明顯增加。

結合2020年和2021年兩次檢修處理情況，如表4所示，發(fā)勵聯(lián)軸器止口間隙在2020年A修時超出設計值0.027～0.037 mm，2021年檢修時超出設計值0.057～0.077 mm，止口間隙明顯增大。2020年A修中按標準將發(fā)勵聯(lián)軸器中心調整同心度在0.03 mm以內，而止口間隙超出設計值導致修后運行中在離心力作用下出現(xiàn)不同心且不斷增大，同時旋轉狀態(tài)下由止口不同心產(chǎn)生的擾動力持續(xù)增大導致運行中振動持續(xù)爬升[8]，并誘發(fā)歷次啟停機過程中10號、11號軸承在勵磁機轉子一階臨界時振動超標。

表4 2020年和2021年檢修期間發(fā)勵聯(lián)軸器止口間隙情況

2019年發(fā)生兩次線路跳閘，線路跳閘和重合閘時引起的振蕩扭矩沖擊，在發(fā)勵聯(lián)軸器處產(chǎn)生較高的交變扭轉剪切應力，作用于聯(lián)軸器止口并產(chǎn)生剪切損傷，從而導致止口間隙超出設計值，引起振動增大；修后運行中在機組頻繁的大負荷變動影響下，產(chǎn)生的扭轉剪切應力加速了聯(lián)軸器止口磨損，表現(xiàn)為運行中振動隨負荷升高上漲，負荷回落后振動恢復不到上漲前水平且持續(xù)增長的現(xiàn)象。

3 結論

（1）引起勵磁機轉子振動運行中持續(xù)爬升及一階臨界轉速振動超標的根本原因是發(fā)勵聯(lián)軸器止口間隙超標。

（2）現(xiàn)場采用更換球面頂絲與墊塊的措施，解決了機組啟動過程中勵磁機轉子振動不穩(wěn)定問題。補焊發(fā)勵聯(lián)軸器止口、高速動平衡等一系列治理措施實施后，振動長期不穩(wěn)定問題徹底消除。啟動后并網(wǎng)運行中10號、11號軸承未出現(xiàn)振動爬升現(xiàn)象，通過勵磁機轉子一階臨界時振動均在100 μm以內。

（3）由于兩次檢修發(fā)勵組合晃度測量與回裝數(shù)據(jù)都基本保持一致，現(xiàn)場對旋轉狀態(tài)下發(fā)勵聯(lián)軸器止口同心度認識不足，給故障根源的準確判斷帶來了困擾，這是此問題長期得不到解決的主要原因。