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。

1 機組振動試驗與結(jié)果分析

1.1 測試系統(tǒng)

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。

1.2 測試工況

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。

1.3 測試結(jié)果與分析

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。

2 處理措施及效果評價

2.1 處理措施

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。

2.2 實施效果

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

3 結(jié)論

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)。

〔1〕陳江龍，李寶清.西屋引進優(yōu)化型300 MW汽輪發(fā)電機組振動診斷分析和處理〔J〕.振動與沖擊，2010，29(8):10-12.

〔2〕卞立中，李金.汽輪發(fā)電機組異常振動的原因及處理〔J〕.機電信息，2011(12):82-83.

〔3〕寇勝利.汽輪發(fā)電機組的振動及現(xiàn)場平衡〔M〕.北京:中國電力出版社，2007.

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。