姜連軼

(大唐東北電力試驗研究所有限公司， 長春 130012)

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330 MW汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動突升問題的分析

姜連軼

(大唐東北電力試驗研究所有限公司， 長春 130012)

針對某電廠發(fā)電機轉(zhuǎn)子帶負荷后振動大，并在運行中出現(xiàn)振動突升的問題，通過分析振動特點得出發(fā)電機轉(zhuǎn)子的振動突升是由轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻引起。經(jīng)處理后，振動問題得到解決。

汽輪發(fā)電機； 轉(zhuǎn)子； 膨脹受阻； 振動突升

汽輪發(fā)電機是電力生產(chǎn)中的重要設(shè)備，其安全穩(wěn)定運行對發(fā)電企業(yè)至關(guān)重要；而發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動是汽輪發(fā)電機工作狀態(tài)是否正常的重要依據(jù)。隨著火電機組單機容量不斷增大，轉(zhuǎn)子振動帶來的危害也隨之增加，特別是運行中的振動突升，可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和長時間停機。因此正確認識發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動突升的原因?qū)φ駝犹幚砗蜋C組穩(wěn)定運行意義重大。筆者針對某發(fā)電廠330 MW機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子運行中的振動突升現(xiàn)象進行了分析，并針對性處理后，振動問題得到了徹底解決。

1 機組概況

該發(fā)電廠的2號機組汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、三缸雙排汽、N330-17.75/540/540型汽輪機，配套的發(fā)電機為QFSN-330-2型水氫氫內(nèi)冷發(fā)電機。機組軸系由高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子及發(fā)電機轉(zhuǎn)子構(gòu)成，勵磁滑環(huán)和勵磁風(fēng)機安裝在發(fā)電機轉(zhuǎn)子懸臂端。為增加懸臂端的穩(wěn)定性，發(fā)電機轉(zhuǎn)子末端通過對輪與一個由單個穩(wěn)定軸承支撐的短軸連接。所有轉(zhuǎn)子均采用剛性連接。各轉(zhuǎn)子均采用兩軸承支撐，1、2、3、4號軸承為高、中壓轉(zhuǎn)子軸承，采用落地式軸承形式；5、6號軸承為低壓轉(zhuǎn)子軸承，軸承箱與低壓外缸為一整體；7、8號軸承為發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸承，采用端蓋式軸承形式；9號軸承為勵磁懸臂端穩(wěn)定軸承，采用落地式軸承形式。發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組采用氫氣冷卻，轉(zhuǎn)子線圈與定子相應(yīng)地形成“四進五出”9個風(fēng)區(qū)。軸系所有振動測點均安裝在軸承上，測量轉(zhuǎn)子的相對振動。機組軸系示意圖見圖1。

圖1 機組軸系

2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動問題

2.1 帶負荷后振動問題

該機組2009年投產(chǎn)后長期存在著發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動大的問題(7x、8x方向)。發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動現(xiàn)象為：(1)定速未帶負荷時轉(zhuǎn)子振動正常，帶負荷后振動增加，7x、8x方向振動最大達到170 μm左右；(2)7x、8x方向振動變化趨勢同步一致；(3)振動成分以一倍頻為主；(4)振動升高后未隨負荷的下降而立即減少，經(jīng)過一段時間運行在某次帶大負荷后振動會突然下降；(5)停機惰走過臨界時振動明顯大于啟動過程；(6)機組多次啟機振動情況相似，重復(fù)性較好。

2.2 振動突升問題

2014年7x、8x方向振動多次發(fā)生異常變化，情況見表1。

表1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子通頻振幅突變情況

觀察全年7x、8x方向振動頻譜圖，均以一倍頻為主，二倍頻和低頻所占比例極小(以2014年6月27日270 MW工況為例，見圖2、圖3)；緩慢改變機組負荷對振動影響并不明顯，但每次振動突變，無論突升還是突降都發(fā)生在負荷的大幅增長后。

圖2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子7x方向軸振動頻譜圖

圖3 發(fā)電機轉(zhuǎn)子8x方向軸振動頻譜圖

3 發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動原因分析

3.1 帶負荷后振動問題分析

發(fā)電機轉(zhuǎn)子帶負荷后振動以一倍頻成分為主，屬于強迫振動。啟動過臨界和空負荷時機組振動正常，帶負荷后振動隨負荷增加而增加，因此判斷轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了熱不平衡。發(fā)電機轉(zhuǎn)子熱不平衡原因有轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均、轉(zhuǎn)子線圈匝間短路、冷卻風(fēng)道堵塞和轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻[1]。由于轉(zhuǎn)子帶負荷后振幅上升，但沒有隨負荷下降而下降，因此可以排除轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均；運行中通過改變勵磁電流試驗，振動幅值變化與勵磁電流變化無明顯對應(yīng)關(guān)系，且通過絕緣檢查也排除了轉(zhuǎn)子線圈存在匝間短路的可能；運行過程中進行改變氫氣溫度的試驗，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動沒有產(chǎn)生影響，可排除冷卻風(fēng)道堵塞的可能；根據(jù)振動在帶負荷后增加，沒有隨負荷的減小而下降，但在某次帶大負荷后轉(zhuǎn)子振動會突降的現(xiàn)象判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動是由線圈膨脹受阻引起。線圈與絕緣槽表面產(chǎn)生摩擦，阻礙線圈正常膨脹，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了附加的不平衡質(zhì)量，引起一倍頻振動增加；當機組負荷下降后，摩擦仍然存在，轉(zhuǎn)子不能恢復(fù)到帶負荷前的平衡狀態(tài)，振動仍保持較高值；當出現(xiàn)較大負荷后轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生較大的軸向膨脹，克服與絕緣槽表面的摩擦力，膨脹受阻現(xiàn)象逐步緩解，轉(zhuǎn)子振動隨之減小[2]。

3.2 振動突升問題分析

能夠引起發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動突變的原因有油膜渦動或油膜振蕩，動靜碰摩，轉(zhuǎn)子裂紋，轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻[3]。

根據(jù)7x、8x方向振動以一倍頻為主，低頻所占比例極少，可排除油膜渦動或油膜振蕩；根據(jù)2014年機組振動現(xiàn)象可逆，并多次重復(fù)，可排除內(nèi)油擋等動靜間隙較小處發(fā)生碰摩的可能[4]；7x、8x方向的振動可重復(fù)，也可排除軸裂紋的可能[5]。

轉(zhuǎn)子振動突升后改變機組功率對轉(zhuǎn)子振動影響并不明顯，在某次發(fā)電機功率大幅變化后振動會逐漸減小，這符合發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻的振動特征。但以往的轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻引起的振動是在并網(wǎng)后隨負荷的增加而升高，該發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動會在帶大負荷后突升，以2014年11月12日振動突升為例，見圖4。

圖4 振動突變與負荷的關(guān)系

該發(fā)電機轉(zhuǎn)子在帶大負荷后振動增加，很顯然是產(chǎn)生了新的不平衡質(zhì)量。通常轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻都是存在單個膨脹受阻點，當該膨脹受阻點消失后，不平衡質(zhì)量引起的振動就會下降，但當轉(zhuǎn)子線圈同時存在兩個或多個膨脹受阻點，且產(chǎn)生的振動在空間上以反向分量為主的時候，現(xiàn)象將截然不同。例如轉(zhuǎn)子存在A、B兩個由線圈膨脹受阻產(chǎn)生的熱不平衡質(zhì)量，且引起的振動在空間上以反向分量為主，當轉(zhuǎn)子帶大負荷后，引起A熱不平衡質(zhì)量的膨脹受阻點克服摩擦力后熱不平衡質(zhì)量消失，這時熱不平衡質(zhì)量B就凸顯出來，現(xiàn)象為轉(zhuǎn)子振動突升。同時熱不平衡質(zhì)量B也具有轉(zhuǎn)子線圈膨脹受阻的特征，當機組帶大負荷后振動就會逐漸緩解。

該發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動突變時一倍頻的變化情況見表2。根據(jù)變化量性質(zhì)可以看出7x、8x方向一倍頻振動變化可歸納為兩類：一類以同相分量為主，另一類同時包含同相分量和反向分量。這是由于轉(zhuǎn)子同時存在兩個線圈膨脹受阻點，其中一個膨脹受阻點產(chǎn)生以同相分量為主的振動，另一個膨脹受阻點產(chǎn)生包含同相分量和反向分量的振動。任何一個膨脹受阻點克服阻力后，轉(zhuǎn)子的振動就發(fā)生突增現(xiàn)象。

表2 振動一倍頻突變情況

4 對振動問題的處理

該發(fā)電機轉(zhuǎn)子2015年5月返制造廠解體檢修，分別在汽端和勵端護環(huán)處發(fā)現(xiàn)線圈和絕緣槽的擠壓摩擦痕跡，制造廠更換了轉(zhuǎn)子線圈的絕緣槽和楔下墊條，并對轉(zhuǎn)子進行了高速動平衡。機組檢修結(jié)束后于2015年6月啟動，發(fā)電機轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)、定速和帶負荷后振動穩(wěn)定在合格范圍以內(nèi)，未出現(xiàn)振動突升或突降的現(xiàn)象(見表3)。

表3 返廠檢修后轉(zhuǎn)子振動通頻幅值

5 結(jié)語

(1) 轉(zhuǎn)子線圈存在膨脹受阻是發(fā)電機轉(zhuǎn)子在帶負荷后振動上升的原因之一。當機組帶負荷后，由于線圈膨脹不對稱，產(chǎn)生了不平衡質(zhì)量。

(2) 發(fā)電機轉(zhuǎn)子出現(xiàn)的振動突升是由于轉(zhuǎn)子線圈存在兩個膨脹受阻點，且兩個不平衡質(zhì)量所引起的振動在空間上以反向分量為主，當某一個膨脹受阻點克服摩擦力后破壞了轉(zhuǎn)子平衡，導(dǎo)致振動突升。通過更換線圈擠壓摩擦部位的絕緣槽和楔下墊條消除膨脹受阻后，振動突變現(xiàn)象消失。轉(zhuǎn)子解體檢修后應(yīng)進行高速動平衡，以消除更換備件和安裝誤差對轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的影響。

[1] 寇勝利,張學(xué)延. 漢川電廠2號汽輪發(fā)電機振動診斷和處理[J]. 中國電力,1998,31(10): 30-34.

[2] 寇勝利. 汽輪發(fā)電機的熱不平衡振動[J]. 大電機技術(shù),1998(5): 12-18.

[3] 張學(xué)延,張衛(wèi)軍,王延博. 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子突發(fā)性振動問題分析[J]. 中國電力,2001,34(12): 11-15.

[4] 楊建剛. 旋轉(zhuǎn)機械振動分析與工程應(yīng)用[M]. 北京: 中國電力出版社,2007.

[5] 陸頌元. 汽輪發(fā)電機組振動[M]. 北京: 中國電力出版社,2000.

Cause Analysis on Sudden Rise of Rotor Vibration in a 330 MW Turbo-Generator Set

Jiang Lianyi

(Datang Northeast Electric Power Test & Research Institute, Changchun 130012, China)

To reduce the excessive vibration of a loaded generator rotor and to avoid the sudden rise of vibration during operation period, an analysis was conducted on the vibration characteristics, which was found to be caused by hindered expansion of rotor winding. The problem has been solved after relevant countermeasures were taken.

turbo-generator; rotor; hindered winding expansion; sudden rise of vibration

2016-05-30；

2016-08-05

姜連軼(1980—)，男，工程師，主要從事汽輪機轉(zhuǎn)子振動監(jiān)測及故障診斷工作。

E-mail: Lanng_jiang@163.com

TK268.1

A

1671-086X(2017)02-0121-03