中廣核核電運營有限公司大修中心 郭孟磊 姜昌國 周黨鋒

15MW發(fā)電機復(fù)雜振動的診斷分析與處理

中廣核核電運營有限公司大修中心 郭孟磊 姜昌國 周黨鋒

汽輪發(fā)電機組振動故障常見于機組啟停機及運行中。為準(zhǔn)確識別發(fā)電機轉(zhuǎn)子故障模式，診斷其故障源，需要采用合理的診斷方法。本文中的案列頗具典型，分析處理過程對發(fā)電機組的振動故障診斷具有一定的借鑒意義。

振動；核心矛盾；關(guān)鍵數(shù)據(jù)；合理方案

某15MW凝汽式自備發(fā)電機組，型號：N15-3.43/0.981；發(fā)電機型號為：QF2-15-24。機組生產(chǎn)運營期間有功功率保持在15～16MW，各軸承瓦溫正常，瓦振信號分別由垂直方向4個速度傳感器拾取傳至分散控制系統(tǒng)（DCS）顯示，運行期間存在空載至滿功率（16MW）發(fā)電機前軸承及汽輪機后軸承振動爬升的現(xiàn)象，爬升幅值分別為15μm和10μm，但最大幅值均未超過30μm，無軸振測量系統(tǒng)。1、4號分別為單獨落地式軸承座，2、3號共用1個軸承箱座在汽輪機后排汽缸，汽輪機、發(fā)電機剛性連接，機組從汽輪機看向發(fā)電機順時針旋轉(zhuǎn)。2016年12月停機轉(zhuǎn)入大修，大修期間調(diào)整了通流間隙、處理了缸面漏汽缺陷、軸系重新調(diào)整了中心，發(fā)電機轉(zhuǎn)子未抽出做專項檢測檢修項目。機組檢修后于2017年1月5日啟動，2、3號軸承瓦振垂直方向3000r/min空載分別為15、25μm，至16MW滿功率分別增長至28、42μm，3號瓦振遠(yuǎn)超過報警值30μm，逼近停機值，給機組正常運行帶來威脅。

1 故障診斷

1.1 故障診斷思路

1.1.1 設(shè)備的故障表象一般會在正常運轉(zhuǎn)的過程中逐漸呈現(xiàn)，直到其發(fā)展到人們可以直觀去感知，比如溫度、外觀、聲音等帶來的沖擊，而后才是專業(yè)的故障數(shù)據(jù)獲取。由此就必須在故障專業(yè)診斷之前由直觀感知劃分出一個模糊的故障邊界范圍，才可為故障診斷專業(yè)數(shù)據(jù)的獲取提供方向參考。

1.1.2 歸納總結(jié)設(shè)備故障特征庫，羅列出所有可產(chǎn)生該類特征的故障，以避免疏漏。而后通過相關(guān)證據(jù)去排除一些，剩下無法排除的故障再去獲取數(shù)據(jù)、運行歷史、機組特性、檢修動作等去證實它的存在。

1.1.3 要善于果斷放棄故障診斷中的一些數(shù)據(jù)及圖示，抓住用于故障診斷中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，其余的或作為參考，或者放棄。往往最簡單最直接的數(shù)據(jù)或圖示也是最核心的，冗雜過多且不分主次的數(shù)據(jù)往往會迷惑故障診斷著的思路。本例中只需升降速中數(shù)據(jù)列表、頻譜、波德圖就足可說明問題，其余類似于軸心軌跡圖、瀑布圖、級聯(lián)圖、極坐標(biāo)圖等可以作為參考，但無需過于放大其作用，而變得主次不分。

本例中機組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

檢修后啟動，3000 r/min空載至滿功率16MW工況下各軸承瓦振DCS顯示數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖1 機組結(jié)構(gòu)圖

表1 機組3000r/min空載至滿功率下瓦振值 單位:μm

表2 各工況平臺數(shù)據(jù) 方向：垂直單位：μm

表3 2、3、4號軸承垂直方向振動數(shù)據(jù)

圖2 2～4號軸承垂直方向瓦振頻譜圖

1.2 DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

由表1可知，該機組的主要問題為2、3號軸承瓦振從定速到并網(wǎng)升至滿功率，有1個振動爬升的過程。為全面了解機組在各工況下的狀態(tài)，對DCS系統(tǒng)瓦振數(shù)據(jù)在熱態(tài)停機和經(jīng)4h盤車后重新沖轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，如表2所示。

DCS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)雖然沒有在線故障診斷系統(tǒng)（TDM）中的數(shù)據(jù)具有故障診斷的專業(yè)性，但它仍可為機組在各個工況下的運行狀態(tài)提供重要的信息，并從中可為故障模式劃定一個模糊的邊界范圍。

分析表2中數(shù)據(jù)并結(jié)合大修前機組狀態(tài)，梳理故障表象可初步劃定的故障邊界范圍為：①機組大修前及大修后均存在3 000 r/min空載至滿功率發(fā)電機前端3號軸承及汽輪機低壓端2號軸承瓦振爬升的情況，這說明該現(xiàn)象是這臺機組的固有故障，需要將可能產(chǎn)生該類特征的所有故障羅列出；②大修后瓦振的爬升值高于大修前，這就需要去了解大修中所做哪一項工作加劇了該故障的發(fā)展；③從3 000 r/min空載降速通過臨界轉(zhuǎn)速至低速300 r/min，及重新升速從300r/min 通過臨界轉(zhuǎn)速至3000r/min空載，2、3、4號軸承振幅變化重復(fù)性較好，這一過程不受發(fā)電機電磁場、熱力場的影響。說明發(fā)電機存在一可逆的機械故障；④重新升速前經(jīng)連續(xù)盤車4 h，這一過程已足以消除轉(zhuǎn)子熱態(tài)下的彈性彎曲。表2中數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的良好重復(fù)性，此時可認(rèn)為該發(fā)電機熱態(tài)彎曲不存在或者較小，后續(xù)需要獲取專業(yè)數(shù)據(jù)中的“相位”來進(jìn)一步印證該判斷的準(zhǔn)確性；⑤機組升降速通過臨界轉(zhuǎn)速，發(fā)電機前后端3、4號軸承均呈現(xiàn)明顯的峰值，說明發(fā)電機轉(zhuǎn)子應(yīng)存在明顯的不平衡特征；⑥汽輪機后端2 、3號軸承共用一個軸承座，坐在汽輪機的排汽缸，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計注定了軸承座的剛度偏低，由此雖然2號軸承表現(xiàn)出同3號軸承同樣的故障特征，但通過臨界轉(zhuǎn)速及定速下汽輪機另一端的1號軸承均未表現(xiàn)出明顯的峰值，說明汽輪機轉(zhuǎn)子平衡良好，并結(jié)合該類型軸承座特性，其幅值變化應(yīng)來自于3號軸承的耦合作用，由此2號軸承問題在分析處理中則無需過于關(guān)注；

1.3 故障診斷專業(yè)數(shù)據(jù)的獲取

汽輪發(fā)電機組瓦振因為定速下工頻頻率較低（該機組為50Hz）所以一般采用速度值或位移值來表達(dá)。前者單位為mm/s，后者單位為μm。

該機在1.2中已分析發(fā)電機不存在熱彎曲或較小，并網(wǎng)升功率后的振幅增長來自電氣故障的可能性大幅上升，比如匝間短路、氣隙不均、三相不對稱負(fù)載、單相接地等故障造成的電磁激振。該類故障一般表現(xiàn)為2倍頻及高次諧波成分，由此可選擇采用加速度值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，以便更好地獲取高頻成分振動。

1.3.1 采集過程測點布置如下：①2號軸承垂直方向布置一加速度傳感器，靈敏20mv/g；②3號軸承垂直方向布置一 加速度傳感器，靈敏度50mv/g；③3號軸承水平方向布置一加速度傳感器，靈敏度50mv/g；④4號軸承垂直方向布置一加速度傳感器，靈敏度20mv/g。由振動采集分析系統(tǒng)采集機組從盤車轉(zhuǎn)速至3000r/min空載，至16MW滿負(fù)荷，2、3、4號軸承垂直方向振動加速度值分別如表3所示。

1.3.2 滿功率(16MW)工況下2、3、4號軸承瓦振頻譜圖如圖2所示。

由頻譜圖中可見，滿功率下2、3號軸承瓦振頻率均較復(fù)雜，2倍頻以上成分豐富，尤其3號軸承100Hz的2倍頻，遠(yuǎn)超過50Hz的工頻成分，占據(jù)了振動的主導(dǎo)地位。采用振動加速度值有效顯示了各瓦振的高頻成分。

1.3.3 機組升速過程2、3、4號軸承垂直方向工頻振動波德圖分別如圖3所示。

由圖3可見，機組通過臨界轉(zhuǎn)速1 400～1 444 r/min區(qū)間呈現(xiàn)明顯的峰值，相位亦發(fā)生明顯變化，尤以3號軸承為甚。升速過程分別在1 216、1 443、2 028、2 492、2 944 r/min出現(xiàn)峰值，除1 443 r/min為臨界轉(zhuǎn)速外，其余峰值均為軸承座支撐共振，這也驗證了之前對該類支承軸承座剛度較低的判斷。

圖3 機組升速過程中2、3、4號軸承垂直方向振動波德圖圖

1.4 故障模式分析

1.4.1 瓦振圖譜中存有顯著的2倍頻成分，且隨勵磁電流及功率的快速增加，幾乎無時滯，表明發(fā)電機存在不均衡的電磁力，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子每旋轉(zhuǎn)一周即交替產(chǎn)生2次交變的電磁力，從而在振動上表現(xiàn)為明顯的2倍頻。經(jīng)查詢檢修記錄發(fā)現(xiàn)該機組原始勵端即存在氣隙上大下小超標(biāo)問題，本次檢修中汽發(fā)對輪下張口120μm，為消除下張口檢修中降低了發(fā)電機后軸承座，則進(jìn)一步使勵端氣隙偏差達(dá)到了7mm。遠(yuǎn)超規(guī)范中要求氣隙最大偏差不超過平均值10%且不大于1 mm的標(biāo)準(zhǔn)。因檢修中發(fā)電機定子下無調(diào)整墊片，所以保留了該缺陷沒有處理。這也是檢修后振動增長幅值大于檢修前的一個重要原因。

1.4.2 汽發(fā)中心冷態(tài)下的中心，熱態(tài)下因軸承座標(biāo)高的變化可能出現(xiàn)偏差。

1.4.3 汽發(fā)對輪聯(lián)軸器螺栓扭矩不均勻造成升功率后因扭矩增加而使振動爬升。

1.4.4 發(fā)電機轉(zhuǎn)子升降速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)均呈現(xiàn)明顯的工頻成分峰值，同時相位也出現(xiàn)大幅變化，存在顯著的一階不平衡。

1.4.5 發(fā)電機前端3號軸承瓦振變化顯著，因其座在汽輪機排汽缸的伸出端，其支撐剛度顯著偏低，升速過程多次呈現(xiàn)共振特征。2號軸承雖也有跟隨3號軸承相似的瓦振變化，但根據(jù)該類軸承座特性，如前分析其變化應(yīng)來源于3號軸承的耦合作用。

1.4.6 發(fā)電機轉(zhuǎn)子并網(wǎng)有功及勵磁電流增加后在原始不平衡的基礎(chǔ)上疊加了其它故障；故障模式羅列如下：①匝間短路、冷卻不均、轉(zhuǎn)子裂紋、轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均、轉(zhuǎn)子內(nèi)應(yīng)力釋放、套裝部件松動及內(nèi)摩擦等原因造成的熱彎曲；②轉(zhuǎn)子剛性不對稱或轉(zhuǎn)子裂紋造成的參數(shù)振動；③匝間短路、氣隙不均、三相不對稱負(fù)載及單相接地等故障造成的電磁激振。

理論上機組如果存在顯著的熱彎曲故障，熱態(tài)停機通過臨界轉(zhuǎn)速振動值將因為轉(zhuǎn)子的彎曲而被放大，應(yīng)遠(yuǎn)大于冷態(tài)啟機通過臨界轉(zhuǎn)速時的振動值，但發(fā)電機升降速通過臨界轉(zhuǎn)速時振幅及相位重復(fù)性均很好，說明發(fā)電機滿功率下由冷卻不均、轉(zhuǎn)子裂紋、套裝部件松動、內(nèi)摩擦等原因造成的熱彎曲故障并不明顯；轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均、內(nèi)應(yīng)力釋放等故障造成的轉(zhuǎn)子熱彎曲故障因機組運行已多年，也可以排除；轉(zhuǎn)子裂紋造成剛性不對稱在機組空載期間即應(yīng)該有較明顯的表現(xiàn)，而且會表現(xiàn)出較明顯的熱彎曲特征，但從故障模式來看轉(zhuǎn)子裂紋應(yīng)該呈現(xiàn)出的故障特征也不明顯。

由此可以懷疑發(fā)電機升功率帶來的振動增長并非來自轉(zhuǎn)子熱彎曲，而無法排除發(fā)電機轉(zhuǎn)子匝間短路、氣隙不均、三相不對稱負(fù)載、單相接地等故障帶來的電磁激振。并且氣隙不均的問題已在檢修數(shù)據(jù)中得到了證實。

1.4.7 不能排除的故障包括（1）（2）（3）（4）（5）及（6）中的匝間短路、氣隙不均、三相不對稱負(fù)載、單相接地等故障。

2、3號軸承垂直方向升速過程中瓦振峰值出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速值如表4所示。

2 故障處理方案制定原則

2.1 可后續(xù)處理的問題

2.1.1 發(fā)電機氣隙偏差問題，檢修時應(yīng)調(diào)整發(fā)電機氣隙至標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，發(fā)電機定子臺板采用移動銑床銑掉高出部分。

2.1.2 檢修時抽出發(fā)電機轉(zhuǎn)子做相關(guān)電氣試驗，并對發(fā)電機轉(zhuǎn)子易形成應(yīng)力集中部位做金屬檢測，以確定或排除發(fā)電機轉(zhuǎn)子電氣或裂紋故障。

2.1.3 檢查汽發(fā)對輪中心，找出其冷熱態(tài)變化規(guī)律，回裝預(yù)留偏移量。

2.1.4 檢修時檢查汽發(fā)對輪聯(lián)軸器螺栓緊固力矩，保證螺栓緊力足夠且均勻。

2.1.5 汽輪機排汽缸支承剛度低是該類軸承座的通病，可采取在排汽缸內(nèi)加剛性支撐進(jìn)行改造。

2.2 可在現(xiàn)場實施的處理措施

利用現(xiàn)場動平衡補償發(fā)電機轉(zhuǎn)子原始不平衡，是最經(jīng)濟簡捷的方式，其優(yōu)點是能降低工頻成分，從而使振動的基礎(chǔ)值降低，以保證至檢修前機組運行的安全，但無法消除發(fā)電機滿功率后高頻成分帶來的振幅增長。

表4 2號、3號軸承瓦振升速過程中峰值轉(zhuǎn)速 r/min

表5 平衡前后各軸承垂直方向瓦振值 μm

3 軸系動平衡方案實施

3.1 動平衡實施中的焦點問題

3.1.1 通過臨界轉(zhuǎn)速3號瓦振最大幅值達(dá)115μm（經(jīng)加速度值換算）。

3.1.2 轉(zhuǎn)速為2 944r/min時3號軸承垂直瓦振出現(xiàn)結(jié)構(gòu)共振，幅值達(dá)32μm（經(jīng)加速度值換算）。給機組通過臨界和安全穩(wěn)定運行均帶來威脅，為此軸系平衡時兩者都要考慮。

3.2 平衡過程需重點關(guān)注的問題

3.2.1 本次平衡采用加速度值，由簡諧振動公式可知，需要對相位進(jìn)行修正

式中：y為振動位移值；v為速度；a為加速度；A為振動幅值；ω為角速度；t為t時刻時的振動幅值；為初始相位。

聯(lián)合式（1）～式（3）可知，a值相位要超前v值90°，超前y值180°。

3.2.2 3號軸承垂直瓦振在2 944r/min時出現(xiàn)峰值，可見在此轉(zhuǎn)速下3號軸承座出現(xiàn)支撐共振。定速下的平衡數(shù)據(jù)可取該值，而非3000 r/min定速下的數(shù)據(jù)。平衡數(shù)據(jù)的選取非常重要，可直接決定平衡的成敗。

3.2.3 因本次平衡要考慮臨界和定速下兩者的振動，所以可根據(jù)柔性轉(zhuǎn)子平衡正交理論組合加重。

綜合分析后加重選擇在發(fā)電機前后兩端風(fēng)扇，前后端分別加重221g/95和275g/168，因發(fā)電機后端弧長330 mm，40°范圍內(nèi)已被原有平衡塊占滿，為此將后端平衡質(zhì)量分解為248g/190和102g/102，實際合成271g/168。

由此最終加重量為：P3=221g/95，P4=271g/168。P3為發(fā)電機前端風(fēng)扇平衡槽加重；P4為發(fā)電機后端風(fēng)扇平衡槽加重。

兩端同時加上矯正質(zhì)量重新升速后機組振動值與平衡前對比數(shù)據(jù)如表5所示。

3000r/min空載下2、3號軸承垂直方向瓦振值及升速通過臨界轉(zhuǎn)速2、3、4號軸承垂直方向瓦振值均有大幅降低，表明加重方案的選擇、故障模式的診斷都是準(zhǔn)確的，2號軸承瓦振之前診斷為來自于受3號軸承耦合影響經(jīng)加重后也得到了證實。同時也如預(yù)期，發(fā)電機3、4號軸承在加重后并網(wǎng)升至滿功率，依然受諧波成分影響有所增長，但已可以保證機組安全穩(wěn)定運行，為此加重到此為止，不再進(jìn)一步調(diào)整。

4 結(jié)論

發(fā)電機經(jīng)長期運行后，受復(fù)雜工作環(huán)境影響易引起電氣故障，加之機組結(jié)構(gòu)設(shè)計制造穩(wěn)定性裕度不夠，及檢修中的工作給發(fā)電機轉(zhuǎn)子帶來的額外激振力，就容易使其通過綜合故障模式表現(xiàn)出來。

本文中事例很容易讓故障診斷者簡單定位在發(fā)電機轉(zhuǎn)子熱彎曲上，而如此則將錯過發(fā)電機氣隙不均及電氣故障，為故障埋下向惡劣方向發(fā)展的隱患?，F(xiàn)場動平衡不但要認(rèn)清故障模式外，還要有清晰的思路采取合適的加重方案去處理問題的焦點，如本例中的處理焦點即為臨界轉(zhuǎn)速和定速下的瓦振值。同時對于平衡數(shù)據(jù)也要經(jīng)過精心篩選，選擇出對平衡方案更有價值的數(shù)據(jù)，如本例中定速下的平衡數(shù)據(jù)選取2 944r/min，而非簡單的認(rèn)為平衡定速下的振動就一定要選擇3000r/min。

本例中成功運用柔性轉(zhuǎn)子平衡正交理論組合加重，分別合成后一次加到配重平面，使3號臨界轉(zhuǎn)速下的振動位移值由115μm降至65μm，工作轉(zhuǎn)速下的振動位移值由25μm降至10μm。

一次加重的成功除了對柔性轉(zhuǎn)子特性有深入的認(rèn)識，采取合理的方式外，3000r/min下平衡數(shù)據(jù)的正確選取起到了至關(guān)重要的作用。

[1]施維新，石靜波.汽輪發(fā)電機組振動及事故.中國電力出版社，2008年08月.