楊新華 ，張麗娟,，陳冬冬，王寶玉

（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州 730050； 2.山西昆明煙草有限責(zé)任公司，太原 030012； 3.甘肅電力科學(xué)研究院，蘭州 730050）

前言

甘肅某電廠3號(hào)機(jī)組工程設(shè)備采用哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N300-16.7/538/538型亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、凝汽式汽輪機(jī)及其輔助設(shè)備，配以哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的QFSN-300-2型發(fā)電機(jī)，采用靜止勵(lì)磁系統(tǒng)。每個(gè)轉(zhuǎn)子跨度使用兩個(gè)軸承，#1～#3軸承為可傾瓦，#4軸承為短圓瓦，#5～#6軸承為橢圓瓦。機(jī)組軸系設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速高壓轉(zhuǎn)子為1530r/min，低壓轉(zhuǎn)子為1500r/min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為1000r/min。

該機(jī)組于2008年5月10日首次沖轉(zhuǎn)，5月14日并網(wǎng)發(fā)電，6月8日結(jié)束168試運(yùn)。機(jī)組在起動(dòng)及帶負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了振動(dòng)異常現(xiàn)象。針對(duì)上述情況，在機(jī)組起動(dòng)、升速、定速、超速、并網(wǎng)帶負(fù)荷等各種工況下，對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，找出了產(chǎn)生振動(dòng)異常的原因，采取了相應(yīng)的消振措施，使機(jī)組的振動(dòng)達(dá)到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。

1 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置、監(jiān)測(cè)內(nèi)容

振動(dòng)監(jiān)測(cè)分兩部分：一是軸振動(dòng)信號(hào)，這是目前大型發(fā)電機(jī)組主要監(jiān)測(cè)信號(hào)，也是大機(jī)組振動(dòng)的主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；二是軸承座的振動(dòng)信號(hào)。本機(jī)組主要以軸振動(dòng)信號(hào)為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，軸承座振動(dòng)只是在軸振動(dòng)出現(xiàn)振動(dòng)故障時(shí)做參考分析數(shù)據(jù)。軸振動(dòng)信號(hào)測(cè)量，采用美國(guó)本特利的108數(shù)據(jù)采集器，直接從3500系統(tǒng)的輸出端接出軸振動(dòng)的輸出信號(hào)，用數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理。

測(cè)量布置如圖1所示。

圖1 測(cè)量布置示意圖

2 振動(dòng)監(jiān)測(cè)情況

2.1 首次起動(dòng)后機(jī)組振動(dòng)異常

機(jī)組首次沖轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速升至460 r/min時(shí)，#5軸承振動(dòng)達(dá)102μm，打閘檢查后繼續(xù)升速，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1000 r/min后，振動(dòng)值迅速爬升，在1151 r/min時(shí)，#5軸承X向、Y向振動(dòng)值分別達(dá)到 157μm、155μm；轉(zhuǎn)速接近1200r/min時(shí)，隨時(shí)間的增加，振動(dòng)值由175μm 、173μm 升至 193μm、191μm；降速過(guò)程中，在轉(zhuǎn)速為1021 r/min時(shí)，其值達(dá)到237μm、240μm，而實(shí)測(cè)的發(fā)電機(jī)軸系的臨界轉(zhuǎn)速為1000 r/min。

2.1.1 振動(dòng)原因分析及處理

從以上數(shù)據(jù)分析，#5軸承振動(dòng)有如下特點(diǎn)：

（1）升速過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的升高，振動(dòng)的增長(zhǎng)率較快；降速過(guò)程中，降至一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)值很大。

（2）保持一定轉(zhuǎn)速不變，隨時(shí)間的延長(zhǎng)，振動(dòng)雖波動(dòng)不大但卻逐漸增大。

（3）#5軸承X向、Y向振動(dòng)幅值差別很小。

（4）轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了熱彎曲。

根據(jù)振動(dòng)特征和相關(guān)參數(shù)綜合分析，振動(dòng)的主要原因是轉(zhuǎn)子在一階臨界轉(zhuǎn)速下發(fā)生轉(zhuǎn)軸碰磨，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲，使振動(dòng)顯著增加。于是決定揭缸消除碰磨源，此后經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證轉(zhuǎn)子并未發(fā)生永久性彎曲，可以重新開(kāi)機(jī)。

2.2 低壓轉(zhuǎn)子初次動(dòng)平衡

#5軸承振動(dòng)故障消除后重新開(kāi)機(jī)，由于#3和#4軸承振動(dòng)過(guò)大造成前4次沖轉(zhuǎn)均未達(dá)到3000 r/min。其中，第4次沖轉(zhuǎn)時(shí)#3、 #4軸承升速波得圖見(jiàn)圖2。

根據(jù)幾次起動(dòng)過(guò)程中采集的升降速數(shù)據(jù)分析，在2700 r/min以后，#3軸承X向、#4軸承X向振動(dòng)相位相差較大（相位差接近140°），振動(dòng)的分量主要是工頻，振動(dòng)幅值和相位重復(fù)性好，充分表明低壓轉(zhuǎn)子存在一個(gè)二階不平衡分量，可通過(guò)動(dòng)平衡降低振動(dòng)幅值。首次平衡時(shí)的轉(zhuǎn)速為2820 r/min，在低壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)平衡面各加一個(gè)螺栓，即#3軸承：458g/340°；#4軸承：458g/160°。加重后起機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)加重效果顯著，振動(dòng)幅值降幅都在60μm以上，其中#3軸承X向和#4軸承座振動(dòng)降幅都在80μm，相位角也變化較大。在轉(zhuǎn)速升至2888 r/min時(shí)，由于#4軸承座振動(dòng)達(dá)198μm，手動(dòng)打閘停機(jī)。

通過(guò)對(duì)加重后數(shù)據(jù)分析，用諧分量法計(jì)算表明二階不平衡分量很大，上次加重的位置是正確的，只是加重量不夠。決定在保留原加重的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二次加重。加重后再次起機(jī)，振動(dòng)幅值進(jìn)一步降低，#4軸承座振動(dòng)由 110μm 降至 51μm，機(jī)組順利升速至3000r/min。

圖2 第四次沖轉(zhuǎn)#3、#4軸承升速波得圖

2.3 中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡

對(duì)低壓轉(zhuǎn)子實(shí)施兩次動(dòng)平衡后，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至3000 r/min，穩(wěn)定運(yùn)行半小時(shí)后，由于#1、#2軸承振動(dòng)較大（見(jiàn)表1）停機(jī)。

從數(shù)據(jù)看，振動(dòng)的分量主要是工頻，1X和2X的相位差為 183°，振動(dòng)幅值和相位穩(wěn)定，說(shuō)明高中壓轉(zhuǎn)子也存在較大的二階不平衡分量。通過(guò)在#1、#2軸承加一個(gè)反對(duì)稱立偶來(lái)降低振動(dòng)幅值。平衡轉(zhuǎn)速為3000 r/min，加重位置和重量為：#1：294g/330° ；#2：295g/150°。從2925 r/min數(shù)據(jù)看，加重取得明顯效果，#1X和#2X的降幅達(dá)103μm、92μm。

表1 定速3000 r/min時(shí)各軸承振動(dòng)數(shù)據(jù)表

2.4 #3、#4軸承振動(dòng)探頭故障分析

當(dāng)轉(zhuǎn)速再次升至3000 r/min后振動(dòng)數(shù)據(jù)極不穩(wěn)定，在11s內(nèi)#4X振幅值從170μm上升至306μm；#3X在轉(zhuǎn)速接近3000 r/min時(shí)，振動(dòng)有明顯峰值。根據(jù)制造廠提供的數(shù)據(jù)，該區(qū)域?yàn)榉桥R界區(qū)，振動(dòng)的分量主要是工頻。從幾次沖轉(zhuǎn)的瀑布圖分析，#3軸X向支架渦流探頭的固有頻率為50.2Hz，與工作轉(zhuǎn)速重合，說(shuō)明其值不是轉(zhuǎn)子的真實(shí)振動(dòng)值，而是由于支架共振造成的。停機(jī)后，對(duì)#3、#4軸承的渦流探頭X向和Y向重新安裝且互換，以后的運(yùn)行中這一故障消除。

2.5 低壓轉(zhuǎn)子二次動(dòng)平衡

由表 1可以看出，在 3000r/min定速運(yùn)行時(shí)，#4軸承振動(dòng)值仍較大，#3X、#4X振動(dòng)相位相差 43°，基本同相，是一階振型。因此分別對(duì)#3、#4軸承加重，用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出影響系數(shù)，進(jìn)一步降低振動(dòng)幅值。結(jié)合第三次高中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的數(shù)據(jù)，第四次加重的平衡轉(zhuǎn)速為2925r/min，加重位置和重量為：#3軸承：455g/140°。由振動(dòng)數(shù)據(jù)看，#3軸承加重使#2軸承X向相位角變化了90°，幅值變化不大，并使#3、#4軸承Y向的幅值增加不到30μm，角度基本無(wú)變化，說(shuō)明在#3軸承加重影響系數(shù)小。

拆掉#3軸承加重后，對(duì)#4軸承進(jìn)行加重，平衡轉(zhuǎn)速為2920 r/min，加重重量和位置為455g/140°。加重后起機(jī)，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至3000 r/min，在排除了#3軸承X向振動(dòng)支架共振的影響因素后，定速運(yùn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定，相位角變化不大，幅值下降，其中#4軸承 Y向降了52μm。

并網(wǎng)帶負(fù)荷后，#4軸承X向、#3軸承Y向振動(dòng)幅值上升較大，空載時(shí)#3、#4軸承X向的選頻量分別為：22μm/250°、119/315°，它們幅值相差較大，相位角相差不大，說(shuō)明激振力主要在#4軸承側(cè)，為一階不平衡分量，需再次通過(guò)在#4軸承加平衡重量來(lái)減小振幅值。利用第四次加重?cái)?shù)據(jù)，求出3000r/min時(shí)影響系數(shù)，計(jì)算應(yīng)在#4軸承加重 906g/185°，考慮到 185°位置上已有平衡塊，實(shí)際加重位置為：910g/150°。加重后起機(jī)，空載和帶負(fù)荷時(shí)振動(dòng)幅值都有下降，其中#3軸承Y向在3000 r/min時(shí)由96μm降到46μm；帶100MW負(fù)荷時(shí)，#4軸承X向、#3軸承Y向的通頻值分別為128μm、74μm；本次動(dòng)平衡取得成效，但#4軸承振動(dòng)仍偏大。

通過(guò)對(duì)動(dòng)平衡數(shù)據(jù)分析，在#4軸承加重時(shí)對(duì)#1、#2軸承振動(dòng)影響不大，#3、#4軸承的相位角變化不大，只是幅值下降，表明低壓轉(zhuǎn)子殘余不平衡量很大，加重量不夠，在#4軸承的加重對(duì)本身的影響較小。因?yàn)樵?4軸承已加重 1833g，考慮到機(jī)組軸系安全，及臨界轉(zhuǎn)速1500 r/min和工作轉(zhuǎn)速3000 r/min，經(jīng)綜合計(jì)算和制造廠同意，利用消缺機(jī)會(huì)進(jìn)行了最后一次加重，#4軸承加重位置和重量為 469.8g/127°。這次動(dòng)平衡取得較好效果，6月4日數(shù)據(jù)為：#3軸承X向：85μm ，Y 向：83μm ；#4 軸承 X 向：78μm ，Y 向：72μm。至此，動(dòng)平衡試驗(yàn)比較圓滿完成。

表2 機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷各軸瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)表通頻：μm； 選頻 ：μm/°

3 結(jié)論

（1）綜合分析3號(hào)機(jī)組在起動(dòng)及帶負(fù)荷運(yùn)行中測(cè)得的各種振動(dòng)數(shù)據(jù)和波形，分析并確診了產(chǎn)生振動(dòng)異常的主要原因是轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡精度較差，經(jīng)過(guò)6次現(xiàn)場(chǎng)高速動(dòng)平衡處理, 轉(zhuǎn)子軸系振動(dòng)大幅下降，各軸振值都在85μm以內(nèi)，基本符合要求。

（2）隨著我國(guó)機(jī)組制造和工藝水平的提高，大多數(shù)異常振動(dòng)發(fā)生在工作轉(zhuǎn)速，新機(jī)開(kāi)機(jī)未升至 3000 r/min時(shí)出現(xiàn)異常振動(dòng)的情況比較少。高中壓和低壓轉(zhuǎn)子本身殘余不平衡質(zhì)量太大給現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡增加了難度，需要一次次通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)高速動(dòng)平衡來(lái)提高轉(zhuǎn)子的平衡精度，減小振動(dòng)幅值。

（3）此次動(dòng)平衡，盡可能在最短時(shí)間內(nèi)處理好了機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題，確保了機(jī)組及時(shí)、安全投運(yùn)；與此同時(shí)，也為了解機(jī)組振動(dòng)的特性，積累了分析處理振動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于今后同類(lèi)振動(dòng)問(wèn)題的解決具有一定的參考價(jià)值。

[1]李錄平. 汽輪機(jī)組故障診斷技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社. 2002.

[2]劉凱.電力試驗(yàn)技術(shù)叢書(shū)：汽輪機(jī)試驗(yàn)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2005.

[3]張學(xué)延，王延博，等. 華潤(rùn)彭城發(fā)電廠 1號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組軸承振動(dòng)分析及處理[J].中國(guó)電力，2005，38（1）：53-56.

[4]臨沂電廠 135MW 汽輪發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)分析處理[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2006，48（4）：292-294.