李立波，楊會斌，范會勇，李 帥

(1.大唐東北電力試驗(yàn)研究院有限公司，吉林 長春 130012; 2.大唐武安發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 邯鄲 056000; 3.大唐東營發(fā)電有限公司，山東 東營 257000)

0 前言

某發(fā)電廠2號機(jī)組自2009年12月投產(chǎn)以來一直存在高負(fù)荷時發(fā)電機(jī)軸振超標(biāo)的問題，嚴(yán)重影響機(jī)組的負(fù)荷率和安全穩(wěn)定運(yùn)行，至2018年11月停機(jī)處理前，進(jìn)行過多次處理，但仍未解決，至11月份停機(jī)處理前，最大軸振已經(jīng)達(dá)到190 μm。為保障機(jī)組安全，降低發(fā)電機(jī)振動幅值，并查明發(fā)電機(jī)振動產(chǎn)生原因，利用機(jī)組停機(jī)機(jī)會，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確認(rèn)發(fā)電機(jī)振動原因?yàn)榫€圈膨脹不暢產(chǎn)生非對稱軸向力導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲，經(jīng)過多次發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)場動平衡配重，最終將振動控制在合格范圍內(nèi)。本文可以為今后類似振動故障處理提供一定的借鑒意義。

1 機(jī)組運(yùn)行概況

1.1 軸系構(gòu)成簡介

2號機(jī)組汽輪機(jī)型號為NC330-17.75/540/540，發(fā)電機(jī)型號為QFSN-330-2水-氫-氫發(fā)電機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)組各轉(zhuǎn)子之間均為剛性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)，共9個軸承，其中7個橢圓軸承，在勵磁碳刷后端9瓦為圓形穩(wěn)定軸承，此軸承未安裝振動測點(diǎn)，4瓦為可傾瓦軸承，軸系布置如圖1所示。

圖1 軸系簡圖

1.2 發(fā)電機(jī)振動情況

2009年12月21日2號機(jī)組投產(chǎn)，7、8瓦振動值(X向)空負(fù)荷時為130 μm，帶負(fù)荷后穩(wěn)定在170 μm左右。

2011年12月進(jìn)行了機(jī)組的A修，A修期間將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子返回制造廠重新進(jìn)行平衡實(shí)驗(yàn)，最終出廠的平衡數(shù)據(jù)符合制造廠的振動標(biāo)準(zhǔn)。A修后啟動空負(fù)荷時7瓦振動值(X向)為155 μm，8瓦振動值(X向)為142 μm，帶負(fù)荷后7瓦振動值(X向)為162 μm，8瓦振動值(X向)為135 μm。

2014年3月為了緩解發(fā)電機(jī)振動進(jìn)行了一次現(xiàn)場動平衡，動平衡后帶負(fù)荷時7瓦振動值(X向)降為145 μm，8瓦振動值(X向)為126 μm。

2018年05月02日-6月15日2號機(jī)組B級檢修，發(fā)電機(jī)抽轉(zhuǎn)子返制造廠進(jìn)行改造，目的是徹底處理發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸振的問題，在制造廠進(jìn)行了冷熱動平衡試驗(yàn)，并調(diào)整了發(fā)電機(jī)配重。機(jī)組啟動后7、8瓦振動值(X向)分別為160 μm、165 μm，帶負(fù)荷后穩(wěn)定在173 μm、186 μm。

2018年11月12日2號機(jī)組停備檢修，借此停機(jī)機(jī)會對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動原因進(jìn)行了徹底的排除試驗(yàn)，并對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行現(xiàn)場平衡加重，機(jī)組啟動后7、8 瓦振動值(X向)空負(fù)荷時穩(wěn)定在101 μm和83.4 μm左右，帶負(fù)荷后振動逐漸下降，最終穩(wěn)定在51.1 μm和65 μm。

1.3 發(fā)電機(jī)振動帶來的問題及損失

自投運(yùn)以來，2號機(jī)因發(fā)電機(jī)振動大引起零部件松動導(dǎo)致漏氫事件6起，漏油事件2 起；引起管道裂紋、斷裂事件4起；軸瓦損壞事件1起；引起跳機(jī)事件1起，發(fā)電機(jī)的振動問題已經(jīng)嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 振動原因分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 振動原因分析

自2號機(jī)組投產(chǎn)以來7、8瓦振動值一直偏高，電廠曾邀請國內(nèi)相關(guān)專業(yè)的專家和制造廠家進(jìn)行了多次分析和診斷，故障原因也一直未能明確，通過近年來機(jī)組大修時對儀器和相關(guān)測點(diǎn)的不斷完善，在2018年11月停機(jī)前進(jìn)行的相關(guān)排除和驗(yàn)證試驗(yàn)可以得出明確的結(jié)論，振動原因?yàn)榘l(fā)電機(jī)線圈膨脹不暢導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲，即轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱不平衡。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生熱不平衡常見的原因有：轉(zhuǎn)子線圈熱膨脹不均而產(chǎn)生內(nèi)摩擦力、轉(zhuǎn)子鍛件材料的各項(xiàng)異性、轉(zhuǎn)子受熱不均、轉(zhuǎn)子不對稱冷卻[1-3]。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了確定故障原因，在11月份停機(jī)前進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)機(jī)組在熱態(tài)下停機(jī)，降速至500 r/min后立即升速至工作轉(zhuǎn)速，觀察升、降速振動差別，通過對比發(fā)現(xiàn)升速振動遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于降速振動，說明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在熱態(tài)運(yùn)行時是存在一定彎曲的[4]。如圖2所示，為發(fā)電機(jī)升降速振動伯德圖。

圖2 發(fā)電機(jī)升降速振動伯德圖

(2)降速再升速至3 000 r/min ，此時振動較小，在合格范圍，且以一倍頻為主。從發(fā)電機(jī)多測點(diǎn)趨勢對比圖可以明顯看出，加勵磁電流后振動開始發(fā)生變化，隨時間增長，振動逐漸增大。

(3)停機(jī)做去勵磁試驗(yàn)。發(fā)電機(jī)解列后斷開勵磁開關(guān)勵磁電流到0，發(fā)電機(jī)振動無明顯變化，且振動主要為1倍頻分量，表明振動與磁場無關(guān)[5]。

(4)將發(fā)電機(jī)冷氫溫度降低5 ℃，振動有降低趨勢，說明隨著發(fā)電機(jī)冷卻，轉(zhuǎn)子的彎曲有一定程度的恢復(fù)，也表明了發(fā)電機(jī)存在熱彎曲[6]。

(5)停機(jī)前做去離心力試驗(yàn)。離心力去除后振動明顯降低，再次沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min振動基本沒有變化，證明在較短的升降速時間內(nèi)，保證熱量變化不大的情況下，去除離心力后膨脹受阻的點(diǎn)恢復(fù)正常了。

至此，發(fā)電機(jī)自投運(yùn)以來的振動故障原因基本查明，即膨脹不暢導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱不平衡。但是由于目前不具備返制造廠進(jìn)行徹底處理的條件，只能通過現(xiàn)場動平衡的方式來降低機(jī)組的振動[7]，等待下次返制造廠時對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈進(jìn)行有針對性的檢查和處理。

3 振動處理方法及結(jié)果分析

3.1 第一階段現(xiàn)場動平衡

如圖3所示，2014年03月05日為緩解2號機(jī)7、8瓦振動，進(jìn)行了發(fā)電機(jī)現(xiàn)場動平衡配重，選擇低發(fā)對輪和發(fā)勵對輪做為發(fā)電機(jī)的兩個加重平面配重后，帶負(fù)荷初期7瓦由175 μm 降至145 μm，8瓦由145 μm降至75 μm，后穩(wěn)定在126 μm，就地實(shí)測瓦振達(dá)到100 μm左右，因?yàn)榧又匚恢每拷?瓦而遠(yuǎn)離8瓦，勢必影響勵磁小軸的自身平衡狀態(tài)，9瓦自身沒有振動測點(diǎn)，平衡時也無法考慮9瓦的振動幅值，導(dǎo)致加重后9瓦振動劣化。

圖3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加重示意圖

3.2 第二階段返廠處理

利用2018年6月的B修機(jī)會將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行返廠改造，改造目的就是為了徹底解決發(fā)電機(jī)線圈膨脹受阻問題，主要改造內(nèi)容如下：

(1)根據(jù)制造廠在此種發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)上的經(jīng)驗(yàn)，將轉(zhuǎn)子槽楔連接塊由原來的三角形更換為現(xiàn)在的矩形，在熱態(tài)時轉(zhuǎn)子槽楔發(fā)生膨脹，三角塊受兩個槽楔擠壓后可能會產(chǎn)生向上的應(yīng)力，而造成轉(zhuǎn)子受力不均勻而振動，矩形塊則可以避免此問題。如圖4所示，為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽楔圖。

(2)此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由于設(shè)計(jì)缺陷，原阻尼槽楔連接位置與月牙槽未對齊，會削弱月牙槽降低剛性的功能[8]，造成轉(zhuǎn)子大齒與小齒剛性差別較大而引起不平衡。

(3)在汽、勵端部中心環(huán)與端環(huán)的接觸面處，重新加工一個深約3 mm的槽，目的是為轉(zhuǎn)子膨脹留出更多的空間，防止此處熱膨脹受阻而造成熱不平衡。

(4)更換中心環(huán)彈簧。改造過程中多次進(jìn)行交直流阻抗試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子匝間絕緣試驗(yàn)、絕緣電阻試驗(yàn)、轉(zhuǎn)子中心孔氣密性試驗(yàn)、通風(fēng)試驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)目，除絕緣電阻偏低后期已處理外，其他試驗(yàn)均合格。退出護(hù)環(huán)后，檢查線圈、端部絕緣塊、槽楔下墊條、槽楔滑移層，未發(fā)現(xiàn)擠壓、膨脹受阻現(xiàn)象，因此沒有將發(fā)電機(jī)全部線圈拆下進(jìn)行徹底檢查。

圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子槽楔圖

(5)出廠前動平衡。在出廠前進(jìn)行了冷熱態(tài)動平衡，從平衡效果來看，冷態(tài)下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子平衡后狀態(tài)較好，但發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在較大的初始不平衡量，且不平衡量位置為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中部，冷態(tài)動平衡加重量達(dá)到了2 300 g，并且熱態(tài)較冷態(tài)數(shù)據(jù)變化較大，說明轉(zhuǎn)子存在一定的熱不平衡。動平衡測試數(shù)據(jù)如表1所示，并據(jù)此在轉(zhuǎn)子上增加了配重；其中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子制造廠內(nèi)加重平面示意圖為圖5，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子廠內(nèi)動平衡加重?cái)?shù)據(jù)如表2所示。

表1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子廠內(nèi)動平衡測試數(shù)據(jù)

圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子制造廠內(nèi)加重平面示意圖

表2 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子廠內(nèi)動平衡加重?cái)?shù)據(jù)

改造后首次啟動后數(shù)據(jù)如下：

首次啟動順利定速3 000 r/min，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速下各瓦振動均在合格范圍內(nèi)，表明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷態(tài)下振動良好。進(jìn)行完各種發(fā)電機(jī)試驗(yàn)后開始帶負(fù)荷，隨著勵磁電流的增大，發(fā)電機(jī)7瓦和8瓦的軸振開始逐漸增大，當(dāng)負(fù)荷300 MW 時的振動如表3所示，振動值偏高，證明此次改造未能解決發(fā)電機(jī)軸振問題。

3.3 第三階段現(xiàn)場動平衡

鑒于兩次返制造廠均未解決發(fā)電機(jī)的振動問題，此次振動處理過程中，根據(jù)工作轉(zhuǎn)速下的軸系振型(如圖6所示)，對加重面的選擇進(jìn)行了優(yōu)化，同時選擇低發(fā)對輪、發(fā)勵對輪和距離8瓦更近的勵磁風(fēng)扇加重平面進(jìn)行綜合配重。2018年11月12日，利用2號機(jī)停機(jī)機(jī)會，進(jìn)行了發(fā)電機(jī)現(xiàn)場動平衡配重，平衡前振動數(shù)據(jù)如表3所示。

圖6 軸系振型圖

表3 平衡前振動數(shù)據(jù)(300 MW)

如圖7所示，根據(jù)振動數(shù)據(jù)和第一次動平衡的效果，制定2號機(jī)組發(fā)電機(jī)7、8 瓦平衡加重方案如下：低發(fā)對輪加重1 233 g，發(fā)勵對輪加重420 g，勵磁風(fēng)扇加重1 503 g。

加重后，在300 MW負(fù)荷時發(fā)電機(jī)各瓦的軸振值均在優(yōu)秀范圍內(nèi)，如表4所示；且現(xiàn)場實(shí)測9瓦瓦振為26 μm，降幅達(dá)到60%。

圖7 發(fā)電機(jī)-勵磁小軸加重示意圖

表4 平衡后振動數(shù)據(jù)(300 MW)

4 結(jié)論

(1)振動故障原因的確定對于指導(dǎo)機(jī)組的現(xiàn)場處理或返回制造廠處理是十分關(guān)鍵的，必須全面、準(zhǔn)確，錯誤的判斷會產(chǎn)生很高的處理成本。

(2)熱態(tài)不平衡在發(fā)電機(jī)振動故障中發(fā)生的較多，雖然現(xiàn)場采取動平衡的方法能有效降低振動的幅值，但是通過振型來選取加重平面尤為重要，直接關(guān)系到現(xiàn)場動平衡的成敗。

(3)在確認(rèn)故障原因的過程中，進(jìn)行一系列的相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證是非常必要的，通過各種試驗(yàn)，從各個角度來排除，最終確認(rèn)唯一的故障原因。

(4)發(fā)電機(jī)勵磁端穩(wěn)定軸承一直以來都沒有引起重視，但是作為軸系的一個支點(diǎn)，它的振動也應(yīng)引起足夠的重視。