鐘挺,張柏林,門文斌
(1.巴陵石化公司,湖南 岳陽 414014;
2.湖南省電力公司科學(xué)研究院,湖南 長沙 410007)
C12-3.43/0.981型汽輪發(fā)電機組振動故障分析
鐘挺1,張柏林2,門文斌1
(1.巴陵石化公司,湖南 岳陽 414014;
2.湖南省電力公司科學(xué)研究院,湖南 長沙 410007)
針對某廠C12-3.43/0.981型汽輪發(fā)電機組運行過程中的異常振動現(xiàn)象進行試驗研究,確定機組異常振動的主要來源。通過對#3軸承座進行加墊片以及發(fā)電機平衡槽內(nèi)反對稱加重,在工作轉(zhuǎn)速下使#2,#3軸承振動下降到30 μm以下,符合振動標(biāo)準(zhǔn)的要求。
汽輪機;振動;異常;動平衡;剛度下降
某石化企業(yè)自備電廠4號機組是在拆除原有12 MW背壓機組基礎(chǔ)上改建而成的,汽輪機為C12-3.43/0.981型調(diào)整抽汽式汽輪機,發(fā)電機為QFW-12-2型三相同步發(fā)電機,發(fā)電機轉(zhuǎn)子、定子采用風(fēng)冷卻,勵磁系統(tǒng)采用靜態(tài)勵磁。
軸系由汽輪機轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子組成,轉(zhuǎn)子之間由剛性對輪連接,發(fā)電機尾部外伸端是勵磁機轉(zhuǎn)子,軸系結(jié)構(gòu)如圖1示。#1軸承坐落于汽輪機前軸承箱內(nèi),#2,#3軸承坐落在低壓排汽缸上,#3軸承下有一小臺板,#4軸承為落地軸承結(jié)構(gòu)。汽輪機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計值為1 660 r/min。
圖1 機組軸系結(jié)構(gòu)
機組在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)啟動,#3瓦垂直振動相對較大,且在工作轉(zhuǎn)速內(nèi)存在“第二階臨界轉(zhuǎn)速”現(xiàn)象,接近工作轉(zhuǎn)速時保持較高的振動幅值;帶負荷初期,#3瓦振動變化較大。為了解決機組的異常振動問題,開展現(xiàn)場測試,分析機組異常振動原因,提出消除機組異常振動的措施并實施。
現(xiàn)場試驗中,在#1—#4軸承垂直方向臨時裝設(shè)9 200型振動傳感器測量各軸承瓦振,現(xiàn)場#4瓦附近安裝光電傳感器以測量機組轉(zhuǎn)速和振動相對相位。各軸承振動及轉(zhuǎn)速信號輸入到振動分析儀進行測量、記錄、存儲、分析和處理。
分別在下列工況下進行機組振動測試:
升速過程振動特性試驗和帶負荷過程振動測試分析;降負荷及降速過程振動測量;熱態(tài)、冷態(tài)下#3軸承座垂直方向、水平方向固有頻率測試;升、降速過程振動測試分析;帶負荷振動測試和現(xiàn)場動平衡處理。
1)振動的轉(zhuǎn)速特性
從汽輪發(fā)電機組升速特性曲線可知,汽輪機#1,#2軸承在1 410~1 570 r/min時會出現(xiàn)第1個臨界轉(zhuǎn)速,此時#1,#2軸承垂直振動分別為25 μm,52 μm(圖2所示)。隨著轉(zhuǎn)速進一步升高,發(fā)電機臨界轉(zhuǎn)速1 700 r/min即為軸系第2臨界轉(zhuǎn)速,此時#3,#4瓦振動分別為60 μm,14 μm,這是由轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)的參數(shù) (剛度和質(zhì)量)共同決定的。由于小臺板存在脫空現(xiàn)象,轉(zhuǎn)速在2 910 r/min左右發(fā)電機轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)出現(xiàn)共振現(xiàn)象 (圖3所示),某次升速過程機組各軸承振動值見表1。
圖2 汽輪機轉(zhuǎn)子軸承振動轉(zhuǎn)速特性曲線
圖3 升、降速過程發(fā)電機#3,#4軸承振動特性曲線
表1 升速過程機組各軸承振動值
在開、停機過程中,進行了2次升、降速振動測試,過臨界時#1 瓦振動值為 28.3 μm/250°,#2 瓦振動值為44 μm/326°,由此可以判斷汽輪機轉(zhuǎn)子存在一定的一階不平衡。測試中,#4瓦振最大值為12 μm,轉(zhuǎn)速從1 700 r/min升到2 700 r/min,#3瓦振動都維持在較高的水平,幅值在62~45 μm之間。當(dāng)轉(zhuǎn)速升到2 900 r/min左右時,#3軸承蓋出現(xiàn)共振。在額定轉(zhuǎn)速下,#3瓦振值為22~21 μm,#4瓦振值為6 ~8 μm。
2)振動的負荷特性
帶負荷過程中,負荷增大引起機組振動有所增大。負荷達到7 MW時,#3軸瓦垂直、水平振動均達到66 μm,68 μm;隨后降負荷到3 MW,#3軸瓦振動迅速降低到18 μm;當(dāng)負荷再次上升并穩(wěn)定到8 MW負荷時,各軸承振動最大值僅24 μm,機組振動在優(yōu)良范圍內(nèi)。
降負荷停機過程中,測得機組振動最大值為:#3瓦垂直振動值和#2,#3瓦軸向振動值都為23 μm;發(fā)電機解列后維持轉(zhuǎn)速在3 000 r/min時,#3瓦垂直振動值增加到29 μm。停機過程中,降速到軸系臨界轉(zhuǎn)速1 600 r/min時,#1—#4瓦垂直振動最大值分別為 41 μm,68 μm,64 μm,19 μm。降負荷及停機過程的振動數(shù)據(jù)見表2。
表2 降負荷及停機過程軸承振動 μm
降負荷過程中,#3瓦垂直振動增加明顯,主要是解列后排汽缸溫度較高且兩側(cè)溫差較大,#3瓦下小臺板懸空后剛度大幅度降低所致。停機降速過程中,軸系臨界轉(zhuǎn)速下振動值比開機升速時振動值略大,說明汽輪機動靜部分沒有碰磨、發(fā)電機轉(zhuǎn)子不存在熱變形。
3)軸承振動的外特性
機組在1 040 r/min低速暖機時測量#3軸承座外特性 (見圖4),可以看出爐側(cè)小臺板完全脫空。該機組#3軸承座下小臺板處設(shè)計無支撐,圖中支撐角鋼是投產(chǎn)后現(xiàn)場臨時增加。由于運行時#2,#3軸承座標(biāo)高變化大 (開機過程中排汽缸溫度變化大),臨時支撐對機組中心狀況有一定的影響,運行過程中爐側(cè)支撐角鋼被割斷。
圖4 開機時#3軸承座振動的外特性
當(dāng)發(fā)電機8 MW負荷時,再次測量#3軸承座各部位振動值,獲得#3軸承座振動外特性試驗結(jié)果(見圖5)。可以看出,各測點振動值較小,說明帶負荷運行狀態(tài)下轉(zhuǎn)子上的干擾力不大。各部件之間差別振動正常,連接部分不松動。
圖5 帶負荷時#3軸承振動的外特性
4)#3軸承振動的固有特性
現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)速達到2 800~2 900 r/min時#3軸承出現(xiàn)共振現(xiàn)象,表明#3軸承座系統(tǒng)存在一個46.6~48.3 Hz大致范圍的共振區(qū)。汽輪機和發(fā)電機單轉(zhuǎn)子1階臨界在1 600~1 700 r/min,2階臨界轉(zhuǎn)速應(yīng)該在3 500 r/min之上,所以轉(zhuǎn)速在2 800~2 900 r/min范圍出現(xiàn)的振動應(yīng)該是軸承座的固有特性引起的。
現(xiàn)場進行#3軸承座固有頻率測試,機組停機轉(zhuǎn)速到0時投入盤車運行后測量熱態(tài)下的固有頻率,停機冷卻后冷態(tài)下的固有頻率,具體數(shù)據(jù)見表3。
試驗結(jié)果顯示,#3軸承座存在48.5 Hz的固有頻率,即轉(zhuǎn)子在2 900 r/min的峰值是由于在發(fā)電機轉(zhuǎn)子2階激振力的作用下,轉(zhuǎn)子—軸承系統(tǒng)出現(xiàn)共振所致,同時軸承座的支撐剛度下降,進一步放大了軸承振動。從升速特性看,在1 400 r/min左右軸承振動也出現(xiàn)一峰值,可能與軸承25 Hz的固有頻率有關(guān)。
表3 #3軸承座不同工況下的固有頻率 Hz
#3瓦固有頻率與熱態(tài)停機降速過程的共振轉(zhuǎn)速區(qū)較為接近,冷態(tài)下測得的固有頻率高于熱態(tài)時的固有頻率。主要有以下2方面原因:一是#3瓦下小臺板間隙變化產(chǎn)生的影響,二是冷熱態(tài)下軸承座材料的剛度發(fā)生了一定的變化。
大修中汽輪機轉(zhuǎn)子送制造廠處理葉片故障后進行高速動平衡,通過加墊片的方式墊實大修中#3軸承座,開機時又將墊片進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,同時在發(fā)電機平衡槽內(nèi)加重300 g墊片進行現(xiàn)場高速動平衡。
將#3軸承座下的小臺板墊片進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以增加#3軸承座在熱態(tài)工況的剛度,#3軸承座小臺板臨時支撐墊實后所測得的振動值見表4。
表4 #3軸承座小臺板臨時支撐墊實后振動值
同時在發(fā)電機平衡槽內(nèi)反對稱加重2×150 g墊片,以減小發(fā)電機轉(zhuǎn)子的原始不平衡質(zhì)量。圖6為發(fā)電機轉(zhuǎn)子動平衡以后#3軸承振動升速特性圖,在2 800~2 900 r/min共振轉(zhuǎn)速區(qū),#2,#3軸承的振幅降至20 μm以下,工作轉(zhuǎn)速下的振幅在30 μm以下。從現(xiàn)場測試結(jié)果看,動平衡后機組振動達到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。
圖6 動平衡處理后#3軸承振動升速特性圖
帶負荷下的振動值 (見表5),機組振動狀況良好。
表5 帶負荷時機組的振動
該機組異常振動的主要原因為:在開機過程中#3軸承座出現(xiàn)脫空現(xiàn)象,使得支撐剛度下降,轉(zhuǎn)子存在不平衡的情況,振動偏大;同時#3軸承座有48.5 Hz的固有頻率,升速過程中存在共振現(xiàn)象。通過對上述問題的分析處理,機組振動明顯下降,在后續(xù)的運行中機組振動達到優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)。
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TK268.1
A
1008-0198(2013)02-0064-04
10.3969/j.issn.1008-0198.2013.02.019
2012-09-07
鐘 挺(1969— )男,湖南岳陽人,工程師,主要從事汽輪機技術(shù)工作。