趙衛(wèi)正，童小忠，陳 杰

（浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310003）

0 引言

某發(fā)電廠機(jī)組調(diào)停后開機(jī)，空載下振動(dòng)優(yōu)良。機(jī)組并網(wǎng)后帶負(fù)荷至40 MW時(shí)，發(fā)電機(jī)前軸承5號軸振在0.5 h內(nèi)爬升到跳機(jī)值，惰走過臨界時(shí)振動(dòng)較開機(jī)時(shí)明顯增大。根據(jù)5號軸振的振動(dòng)故障特征，診斷為動(dòng)靜碰磨。通過對4—6號軸振變化量分析，對動(dòng)靜碰磨的位置進(jìn)行了分析，判斷碰磨位置為低發(fā)聯(lián)軸器，檢查結(jié)果論證了分析的正確性。根據(jù)振動(dòng)同步分量爬升和非同步分量上升這兩種現(xiàn)象，進(jìn)一步闡述了碰磨效應(yīng)的熱彎曲效應(yīng)和力沖擊效應(yīng)。

1 機(jī)組簡介和振動(dòng)現(xiàn)象

1．1 機(jī)組簡介

某發(fā)電廠3號汽輪發(fā)電機(jī)組是上海電氣生產(chǎn)的330 MW亞臨界機(jī)組，機(jī)組軸系由高/中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子組成。各轉(zhuǎn)子間通過剛性聯(lián)軸器連接，高/中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子采用雙支撐結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子為三支撐結(jié)構(gòu)，軸系示意如圖1所示。

圖1 某330 MW機(jī)組軸系示意

1.2 振動(dòng)現(xiàn)象

3號機(jī)調(diào)停后于某日6∶44沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速，軸系振動(dòng)優(yōu)良。6∶52機(jī)組并網(wǎng)，軸系振動(dòng)穩(wěn)定。8∶40左右，機(jī)組帶負(fù)荷至40 MW，發(fā)電機(jī)前軸承5號軸振開始爬升，9∶09，5號軸振超過跳機(jī)值引發(fā)跳機(jī)，5X和5Y軸振變化趨勢分別如圖2和圖3所示。圖中5號軸振發(fā)展經(jīng)歷了2個(gè)階段，第1階段為機(jī)組空載至帶負(fù)荷40 MW時(shí)振動(dòng)爬升階段，軸振以一倍頻為主，通頻值隨著一倍頻增大而增大，爬升到跳機(jī)值后機(jī)組跳機(jī)；第2階段為機(jī)組跳機(jī)后到停機(jī)惰走過程，跳機(jī)瞬間機(jī)組5號軸振通頻值大幅上升，一倍頻分量略有上升，而非同步分量則大幅上升。

圖2 軸振5X變化趨勢

圖3 軸振5Y變化趨勢

在5號軸振爬升期間，4號軸振變化趨勢基本相同，但爬升幅值較5號軸振小，而6號軸振基本沒變化，幅值和相位均穩(wěn)定。軸振4X變化如圖4所示。

圖4 軸振4X變化趨勢

2 振動(dòng)試驗(yàn)

為了查明引起機(jī)組振動(dòng)爬升的原因，將機(jī)組重新并網(wǎng)，進(jìn)行發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流試驗(yàn)和機(jī)組有功功率試驗(yàn)。

2.1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流試驗(yàn)

通過發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流試驗(yàn)判斷異常振動(dòng)是否與發(fā)電機(jī)熱彎曲有關(guān)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲時(shí)振動(dòng)幅值或相位通常隨著轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的變化而變化，轉(zhuǎn)子熱彎曲后會改變轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)，引起振動(dòng)變化[1-2]。

勵(lì)磁電流從1 550 A升到2 200 A，5Y振動(dòng)從39 μm上升到59 μm，勵(lì)磁電流變化時(shí)振動(dòng)變化很小，該振動(dòng)變化幅度不可能引起振動(dòng)大而導(dǎo)致跳機(jī)。勵(lì)磁電流試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 勵(lì)磁電流試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)

2.2 機(jī)組有功功率試驗(yàn)

機(jī)組有功功率試驗(yàn)主要是判斷機(jī)組負(fù)荷變化過程中汽輪機(jī)的機(jī)械狀態(tài)和熱狀態(tài)的變化對振動(dòng)的影響。有功功率試驗(yàn)可反映低發(fā)聯(lián)軸器是否有缺陷，若低發(fā)聯(lián)軸器存在故障，則聯(lián)軸器兩側(cè)的軸承振動(dòng)會發(fā)生變化[3-4]。

機(jī)組負(fù)荷從空負(fù)荷帶到滿負(fù)荷，勵(lì)磁電流維持穩(wěn)定，5號軸振沒有出現(xiàn)明顯的爬升現(xiàn)象。機(jī)組負(fù)荷從240 MW—270 MW，270 MW—300 MW，進(jìn)行快速升降負(fù)荷試驗(yàn)，在負(fù)荷快速變化時(shí)，5號軸承振動(dòng)維持不變，說明有功功率對機(jī)組振動(dòng)影響很小，低發(fā)聯(lián)軸器未有缺陷。機(jī)組有功功率試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 機(jī)組有功功率試驗(yàn)振動(dòng)數(shù)據(jù)

3 振動(dòng)分析與故障診斷

3.1 振動(dòng)變化量分析

機(jī)組從空載至負(fù)荷40 MW時(shí)，4號和5號軸振從較小值逐漸爬升到最大值，振動(dòng)變化以一倍頻為主，幅值和相位均發(fā)生明顯變化。4號和5號軸振變化時(shí)，6號軸振基本不變。機(jī)組跳機(jī)前4—6號軸振變化量如表3所示。

表3 機(jī)組跳機(jī)前4—6號軸振變化量

從表3可知，4—6號軸振均以一倍頻為主，其中5號軸振的變化量最大，4號次之，而6號軸振變化很小。4X和5X的軸振變化量分別為39 μm∠152°和 136 μm∠128°， X 方向振動(dòng)變化以同向分量為主；同理Y方向振動(dòng)變化也以同向分量為主。

3.2 開/停機(jī)通過臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)比較

開機(jī)時(shí)發(fā)電機(jī)通過一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)軸振5X和5Y分別為53 μm和49 μm，而停機(jī)時(shí)振動(dòng)分別為106 μm和129 μm。開機(jī)時(shí)發(fā)電機(jī)通過二階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的軸振5X和5Y分別為114 μm和99 μm， 而停機(jī)時(shí)振動(dòng)分別為 260 μm 和 257 μm。開/停機(jī)軸振5Y惰走時(shí)波特圖如圖5所示。

圖5 開/停機(jī)軸振5Y惰走時(shí)波特圖比較

3.3 故障診斷與定位

機(jī)組空載至帶負(fù)荷過程中5號軸振爬升主要以一倍頻為主，幅值快速增大，機(jī)組跳機(jī)后惰走過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)比開機(jī)時(shí)明顯增大，上述特征表明轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向動(dòng)靜碰磨[5-6]。動(dòng)靜部件碰磨使得轉(zhuǎn)子表面局部溫度升高，其產(chǎn)生的熱效應(yīng)造成轉(zhuǎn)子彎曲，使得機(jī)組轉(zhuǎn)速一定時(shí)一倍頻增大，碰磨嚴(yán)重時(shí)，振動(dòng)會急劇增大。此次5號軸振快速爬升屬于嚴(yán)重的徑向動(dòng)靜碰磨。

振動(dòng)爬升過程中，5號軸振變化最大，4號軸振其次，而3號和6號軸振基本沒變化，工作轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)為二階振型，若發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生動(dòng)靜碰磨，則6號軸振變化應(yīng)該比較大，而此次6號軸振變化很小，說明碰磨不可能發(fā)生在發(fā)電機(jī)內(nèi)部。同理3號軸振變化很小，說明碰磨也不可能發(fā)生低壓缸內(nèi)部。從4號和5號爬升時(shí)振動(dòng)變化量看，變化量以同相分量為主，因此動(dòng)靜碰磨發(fā)生低發(fā)聯(lián)軸器上可能性較大。據(jù)發(fā)電廠工作人員反映，機(jī)組調(diào)停檢修時(shí)曾對低發(fā)聯(lián)軸器罩殼進(jìn)行過拆裝，很可能是裝復(fù)時(shí)不到位，造成罩殼與轉(zhuǎn)子動(dòng)靜間隙不當(dāng)而引起碰磨。

機(jī)組重新開機(jī)做振動(dòng)試驗(yàn)期間振動(dòng)穩(wěn)定，說明轉(zhuǎn)子和聯(lián)軸器罩殼之間的動(dòng)靜間隙已被磨大，處于動(dòng)靜接觸脫離狀態(tài)。機(jī)組運(yùn)行4個(gè)月后停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)低發(fā)聯(lián)軸器與罩殼有明顯的碰磨痕跡，圖6為聯(lián)軸器碰磨痕跡。

3.4 動(dòng)靜碰磨效應(yīng)

發(fā)生動(dòng)靜碰磨時(shí)，作用在轉(zhuǎn)子上的力分為與旋轉(zhuǎn)方向相反的切向摩擦力和沖擊力。切向摩擦力會使轉(zhuǎn)子與靜止部件相互摩擦產(chǎn)生大量熱量，轉(zhuǎn)子局部溫度升高而造成轉(zhuǎn)子彎曲，摩擦熱沖擊效應(yīng)產(chǎn)生的附加不平衡質(zhì)量使轉(zhuǎn)子一倍頻振動(dòng)增大[7]。5號軸振在振動(dòng)爬升階段，以一倍頻變化為主，主要受動(dòng)靜碰磨引起的熱沖擊效應(yīng)影響。

動(dòng)靜碰磨引起的力沖擊效應(yīng)可能會激發(fā)起轉(zhuǎn)子自由振動(dòng)響應(yīng)，頻譜中包含大量的低頻和高頻分量，且這些分量多與軸系的各階固有頻率相對應(yīng)[8-9]。該機(jī)組跳機(jī)瞬間，4號和5號軸振發(fā)生振動(dòng)跳變現(xiàn)象，持續(xù)時(shí)間不到1 min，一倍頻分量略有上升，而非同步分量明顯上升，頻譜中包含大量的低頻和高頻分量，5X方向振動(dòng)頻譜如圖7所示。圖7中幅值較大的次同步分量頻率13.5 Hz，28.75 Hz，36.25 Hz分別與發(fā)電機(jī)一階固有頻率、低壓缸一階固有頻率和發(fā)電機(jī)二階固有頻率接近，而高頻分量可能對應(yīng)著更高階次的軸系彎曲振動(dòng)固有頻率和扭振固有頻率。雖然此次動(dòng)靜碰磨較嚴(yán)重，但從軸心軌跡上看，仍為正進(jìn)動(dòng)，未出現(xiàn)過反進(jìn)動(dòng)軌跡。

圖6 低發(fā)聯(lián)軸器碰磨痕跡

4 結(jié)語

通過對某機(jī)組5號軸振振動(dòng)特征和振動(dòng)變化量進(jìn)行分析，判斷轉(zhuǎn)子發(fā)生了嚴(yán)重的徑向動(dòng)靜碰磨，并對動(dòng)靜碰磨可能的故障位置進(jìn)行定位。針對動(dòng)靜碰磨發(fā)生時(shí)振動(dòng)同步分量爬升和非同步分量上升這兩種現(xiàn)象，進(jìn)一步闡述了動(dòng)靜碰磨發(fā)生時(shí)的熱效應(yīng)和力沖擊效應(yīng)，可為其他機(jī)組類似的故障分析和診斷提供了參考。

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