謝 江，吳華盛

(廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，廣東 惠州 516363)

0 引言

某電廠2 號(hào)機(jī)組系上海電氣集團(tuán)引進(jìn)德國(guó)西門子公司技術(shù)生產(chǎn)的超超臨界、1 000 MW 汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)型號(hào)為N1000-26.25/600/600(TC4F)，配備THDF125/6 型、水/氫/氫冷卻方式的發(fā)電機(jī)，采用機(jī)端自并勵(lì)磁方式。

該機(jī)組于2011年4月投入商業(yè)運(yùn)行。自試運(yùn)行開(kāi)始，就發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的振動(dòng)會(huì)隨負(fù)荷的增長(zhǎng)而快速攀升，至額定負(fù)荷工況下最大軸振超過(guò)200 μm，已接近或達(dá)到西門子公司規(guī)定的軸系振動(dòng)停機(jī)值，因而急需采取相關(guān)措施保證機(jī)組安全運(yùn)行?，F(xiàn)根據(jù)機(jī)組振動(dòng)特點(diǎn)，分析振動(dòng)故障的原因，制定現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)動(dòng)平衡方案。

1 軸系簡(jiǎn)介和振動(dòng)概況

機(jī)組軸系由高壓(HP)轉(zhuǎn)子、中壓(IP)轉(zhuǎn)子、低壓(LP1，LP2)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)(GEN)轉(zhuǎn)子、勵(lì)端(EXC)小軸以及8 個(gè)支持軸承構(gòu)成。除高壓轉(zhuǎn)子為雙支撐外，中壓轉(zhuǎn)子和2 根低壓轉(zhuǎn)子是單支撐，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)端小軸是3 支撐結(jié)構(gòu)。機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)

2011年1月，2 號(hào)機(jī)組首次并網(wǎng)試運(yùn)行期間，在定子出線盒內(nèi)發(fā)生出線端三相短路故障。受三相短路故障影響，轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)接地故障，經(jīng)制造廠處理后于2011-04-21 開(kāi)始168 h 試運(yùn)行。在試運(yùn)行期間，7 號(hào)軸振就達(dá)到了振動(dòng)報(bào)警值。在隨后的運(yùn)行中，7 號(hào)軸振又有一定的攀升。機(jī)組部分軸承的具體振動(dòng)特征如下。

(1)定速、空載時(shí)，7，8 號(hào)軸承的最大軸振約為70 μm。隨著負(fù)荷的增大，7，8 號(hào)軸振均有大幅攀升；至額定負(fù)荷工況下，7，8 號(hào)軸承最大軸振分別達(dá)200 μm 和130 μm。

(2)7，8 號(hào)軸振存在明顯的熱變量。在某一負(fù)荷工況穩(wěn)定運(yùn)行后，振動(dòng)還會(huì)逐步攀升，直至幾個(gè)小時(shí)后才恢復(fù)穩(wěn)定；且振動(dòng)還具有較好的重復(fù)性。

(3)與7，8 號(hào)軸振相似，6 號(hào)軸振也存在明顯的熱變量。但由于其在不同工況下的振動(dòng)相位變化較大，使空載及各負(fù)荷工況下其振動(dòng)幅值均處于較低的水平。

(4)6 ～8 號(hào)軸振及其振動(dòng)波動(dòng)成分均以基頻分量為主。

2 振動(dòng)原因分析

由振動(dòng)特征可以看出：6～8 號(hào)軸振均存在較大熱變量，且該振動(dòng)熱變量以基頻成分為主，另外考慮到發(fā)電機(jī)接地故障前，8 號(hào)軸振良好，說(shuō)明勵(lì)端小軸本身平衡狀況良好。因此，引起6～8 號(hào)軸振熱變量大的主要原因可能為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子本身的熱彎曲或大負(fù)荷工況下發(fā)勵(lì)對(duì)輪連接狀況不良。

2.1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的原因分析

引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的原因有: 轉(zhuǎn)子材質(zhì)問(wèn)題、冷卻系統(tǒng)故障、轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻和匝間短路。

2.1.1 轉(zhuǎn)子材質(zhì)問(wèn)題

考慮到2 號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組曾出現(xiàn)接地故障，轉(zhuǎn)子局部位置曾經(jīng)歷了短路引起的高溫作用，有可能引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的材質(zhì)不均。

另外，根據(jù)轉(zhuǎn)子出廠動(dòng)平衡試驗(yàn)的結(jié)果(見(jiàn)表1)，2 號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受熱后存在明顯的熱彎曲，其中測(cè)點(diǎn)D 的振幅變化量達(dá)到77 μm；如果計(jì)及振動(dòng)相位的影響，其振動(dòng)熱變量將更大。這也反映了2 號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在材質(zhì)不均的狀況。

表1 2 號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出廠動(dòng)平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)(通頻) μ m

2.1.2 冷卻系統(tǒng)故障

對(duì)于氫內(nèi)冷的發(fā)電機(jī)而言，通風(fēng)孔是轉(zhuǎn)子熱交換的主要風(fēng)路通道。如果發(fā)生通風(fēng)孔變形、被雜物堵塞等引起通流面積減小的情況，將破壞轉(zhuǎn)子冷卻的對(duì)稱性，使轉(zhuǎn)子橫截面的溫度不對(duì)稱，進(jìn)而引起熱彎曲。

該故障的最大特點(diǎn)是：隨著氫溫的升高，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻效果變差，轉(zhuǎn)子不對(duì)稱冷卻程度相對(duì)減小，最終使得振動(dòng)減小。但從振動(dòng)特征可判斷：2 號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)波動(dòng)與氫溫變化無(wú)關(guān)。

2.1.3 轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻

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)繞組并使線圈發(fā)熱，線圈發(fā)熱后向兩端膨脹。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，線槽中的線圈在巨大的離心力作用下緊貼在槽楔和護(hù)環(huán)的內(nèi)壁，導(dǎo)致結(jié)合面存在較大摩擦力，阻礙線圈膨脹。膨脹受阻的線圈將產(chǎn)生一個(gè)反作用力，并通過(guò)槽楔和護(hù)環(huán)作用在轉(zhuǎn)子上，使得轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲。

由于轉(zhuǎn)子電流越大，線圈膨脹量就越大，因此這種振動(dòng)總體上與電流大小有關(guān)。但由于摩擦力的存在，線圈受熱和冷卻后的變形都會(huì)受到阻礙，都可引起轉(zhuǎn)子的彎曲。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子電流增加后，振動(dòng)上升；當(dāng)電流恢復(fù)到初始狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)往往更高。但實(shí)際2 號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)重復(fù)性較好，這顯然與轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻造成的振動(dòng)特征不相符。

2.1.4 匝間短路

發(fā)電機(jī)匝間短路時(shí)，轉(zhuǎn)子局部溫度可達(dá)到1 000 ℃以上，這將破壞轉(zhuǎn)子溫度分布的對(duì)稱性，引起轉(zhuǎn)子的熱彎曲。該故障的主要特征是：在機(jī)組負(fù)荷不變的情況下，隨著勵(lì)磁電流的增加，轉(zhuǎn)子線圈發(fā)熱量增大，其溫度上升的不對(duì)稱性也增大，使得轉(zhuǎn)子熱彎曲也越明顯，進(jìn)而引起更大振動(dòng)。

相關(guān)電氣試驗(yàn)結(jié)果表明該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子可能存在匝間短路，但從2 號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表2)來(lái)看，其振動(dòng)隨勵(lì)磁電流的增大而變化的幅度有限。

表2 2 號(hào)發(fā)電機(jī)軸振隨勵(lì)磁電流變化數(shù)據(jù)

2.2 發(fā)勵(lì)對(duì)輪連接狀況不良的原因分析

對(duì)輪是連接2 根轉(zhuǎn)子的部件，依靠對(duì)輪螺栓或?qū)喗Y(jié)合面的摩擦力將一根轉(zhuǎn)子的扭矩傳遞給另一根轉(zhuǎn)子，因此安裝時(shí)要求螺栓具有一定的緊固力矩。如果對(duì)輪連接狀況不良，將使對(duì)輪傳遞的扭矩不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生擾動(dòng)力引發(fā)振動(dòng)。該故障最大的特點(diǎn)就是振動(dòng)隨負(fù)荷而變化，且沒(méi)有時(shí)滯。這與7 號(hào)軸振波動(dòng)特征相符。另外，如果發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在明顯的熱彎曲，將使聯(lián)軸器在熱態(tài)工況下的端面瓢偏增大，最終也會(huì)導(dǎo)致發(fā)勵(lì)對(duì)輪連接狀況不佳。

綜上所述，2 號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障的原因?yàn)檗D(zhuǎn)子材質(zhì)不均和發(fā)勵(lì)對(duì)輪連接狀況不良。

3 現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)動(dòng)平衡治理

該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱變量很大(見(jiàn)表3 序3)，盡管現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡實(shí)現(xiàn)難度較大，但由于工期限制，2 號(hào)機(jī)組暫時(shí)沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)檢修機(jī)會(huì)；以及在空載及各負(fù)荷工況下，7，8 號(hào)軸振均以基頻分量為主，因此，決定對(duì)2 號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)動(dòng)平衡治理，并在動(dòng)平衡治理方案的計(jì)算中，綜合考慮空載及額定負(fù)荷工況下的振動(dòng)情況，重點(diǎn)是把定速、空載工況下的振動(dòng)幅值適當(dāng)增大、相位拉反，以補(bǔ)償大負(fù)荷工況下的振動(dòng)熱變量。

2013年9月，在2 號(hào)發(fā)電機(jī)組停機(jī)消除鍋爐缺陷期間，實(shí)施了熱態(tài)動(dòng)平衡治理方案?，F(xiàn)場(chǎng)在發(fā)勵(lì)對(duì)輪及勵(lì)端小軸上分別加重2 980 g和1 130 g后，7，8 號(hào)軸振大幅降低，較好地兼顧了空載及額定負(fù)荷工況下振動(dòng)的分配，使各負(fù)荷工況下的振動(dòng)均達(dá)到相對(duì)理想的狀況，具體如下。

(1)在定速、空載工況下，將7 號(hào)軸振幅值適當(dāng)放大，振動(dòng)相位與加重前額定負(fù)荷工況下的振動(dòng)相位相反(見(jiàn)表3 序4)，完全達(dá)到預(yù)期計(jì)劃，也為補(bǔ)償大負(fù)荷工況下的振動(dòng)熱變量打下良好基礎(chǔ)。

表3 2 號(hào)發(fā)電機(jī)振動(dòng)熱變量數(shù)據(jù)(基頻∠相位)μm∠°

(2)由于該機(jī)組所處地域供電緊張，機(jī)組通常帶大負(fù)荷運(yùn)行，因此在治理方案的加重計(jì)算中優(yōu)先考慮降低大負(fù)荷工況下的振動(dòng)。7 號(hào)軸振治理前的熱變量約為180 μm，現(xiàn)場(chǎng)加重后空載及額定負(fù)荷工況下的振動(dòng)約為110 μm 和70 μm，使各負(fù)荷工況下的振動(dòng)均達(dá)到相對(duì)理想狀況(見(jiàn)表4)。

表4 加重后2 號(hào)發(fā)電機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)(通頻)μm

1 張學(xué)延．汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷[M]．北京:中國(guó)電力出版社，2008.

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