劉文廣，倪秋華

（1.南山集團有限公司，山東龍口 265706；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇蘇州 215004）

0 引言

在我國的北方地區(qū)，電力系統(tǒng)不僅保障了城市經(jīng)濟的快速發(fā)展和居民日常生活用電，而且關(guān)系到冬季供暖的民生問題。因此，加強汽輪發(fā)電機組的日常保養(yǎng)與檢修維護，保障城市供電，為經(jīng)濟和民生發(fā)展保駕護航，已經(jīng)成為發(fā)電廠運維部門的重要工作。作為高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，汽輪發(fā)電機組的振動是不可避免的，但是振動超過限值一定程度后，會對電站安全、穩(wěn)定、連續(xù)、經(jīng)濟生產(chǎn)構(gòu)成較大的威脅，嚴重威脅電力安全生產(chǎn)活動[1]。

1 振動產(chǎn)生的主要原因

引起汽輪發(fā)電機組振動的原因有很多，主要原因有汽輪發(fā)電機組本體結(jié)構(gòu)的動力學(xué)設(shè)計、機械加工、安裝檢修、設(shè)備運行和電網(wǎng)技術(shù)問題等，這些原因之間又是相互影響的[2-4]。汽輪發(fā)電機組的振動類型可分為強迫振動和自激振動：強迫振動指彈性系統(tǒng)在受到外界控制的激勵作用下發(fā)生的振動；自激振動則是指彈性系統(tǒng)在受系統(tǒng)振動本身控制的激勵作用下發(fā)生的振動。強迫振動的振源主要包括：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，轉(zhuǎn)軸不對中和聯(lián)軸器本身缺陷，汽輪機膨脹受阻，電磁干擾，支承剛度不夠或軸承裝配不良，動靜碰磨等。自激振動則主要是由油膜失穩(wěn)、汽流激振等原因造成。

除上述原因和發(fā)電機缺陷引起的振動外，汽輪機運行工況的異常變化也會引起振動問題：①新汽溫度過高會引起汽輪機高壓段膨脹加大，若金屬部件（轉(zhuǎn)子）膨脹超過預(yù)留間隙，將引起個別部件或整臺機組的振動，前軸承易受熱而變形增大，新汽管道膨脹過量將推動軸承座等，從而改變公共軸線，軸承將受彎矩而發(fā)生振動；②新蒸汽溫度驟然降低，汽輪機轉(zhuǎn)子和汽缸將發(fā)生不均勻變形，從而降低前軸承穩(wěn)定性，蒸汽帶水會發(fā)生水沖擊，增大轉(zhuǎn)軸軸向推力，磨損工作面推力瓦塊，通流部分軸向間隙消失，引起機組劇烈振動；③真空和排汽溫度變化，會使剛度弱的排汽缸發(fā)生變形，軸承座標高發(fā)生變化，影響軸承載荷和轉(zhuǎn)子支承狀態(tài)，從而造成轉(zhuǎn)子中心軸線改變，軸端汽封和軸承座油擋徑向間隙消失，引起機組摩擦振動；④軸承入口潤滑油溫度過高，會改變油的黏度，潤滑油的黏度隨油溫的升高而下降，從而使油膜減薄，承載能力下降，導(dǎo)致軸承的潤滑工況惡化，最終引起振動；⑤汽缸膨脹受阻或加熱不均勻，將造成機組膨脹不暢，導(dǎo)致動靜間隙減小或消失、軸承位置和標高變化導(dǎo)致軸承載荷和轉(zhuǎn)子中心偏移、脹差增加導(dǎo)致軸承受到推力而拱起等。

2 汽輪機振動產(chǎn)生的危害

汽輪發(fā)電機組是發(fā)電廠的核心設(shè)備，衡量機組安全可靠性最重要的指標就是振動水平。劇烈振動容易導(dǎo)致設(shè)備部件的疲勞損壞，一些重大的跳機事故直接或間接地與振動有關(guān)。機組的異常振動對機組產(chǎn)生以下危害：

（1）部件疲勞損壞。過大和強烈的振動會造成機組靜止部件承受大幅交變應(yīng)力，促使轉(zhuǎn)子、連接螺栓、管道等部件發(fā)生材料疲勞或損壞。如基礎(chǔ)臺板和廠房出現(xiàn)裂縫，軸瓦烏金脫落，軸承座固定螺栓松動或斷裂，嚴重的甚至導(dǎo)致軸系斷裂等惡性事故。

（2）發(fā)電機故障。振動大會使發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)及線槽內(nèi)的絕緣填充材料松弛磨損，電氣絕緣磨破以致造成電氣短路，勵磁機整流子及其碳刷磨損加劇。

（3）動靜部分摩擦。動靜部件發(fā)生摩擦時將加劇軸承磨損，振動過大則磨損軸封及隔板汽封，嚴重時甚至導(dǎo)致大軸彎曲。另外，摩擦加大了通流部分和軸端的汽封徑向間隙，增加漏汽損失，降低機組經(jīng)濟性。

（4）事故停機。機組振動過大或強烈振動時，機組跳機。

3 故障案例

3.1 概述

某電廠4#機組為濟南發(fā)電設(shè)備廠有限公司采用阿爾斯通公司（ALSTOM）技術(shù)許可生產(chǎn)的，超高壓、單軸、反動式、一次中間再熱、雙抽凝汽式的150 MW 機組，型號為N150/CC110—13.24/535/535/0.981/0.245。機組軸系共有5 個支撐軸承，由高壓轉(zhuǎn)子、中低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子和勵磁機轉(zhuǎn)子組成，并且各轉(zhuǎn)子之間剛性聯(lián)接。該機組于2014 年11 月份投產(chǎn)。但在2016 年3 月份，多次出現(xiàn)1#瓦X/Y 向相對軸振不規(guī)律振動且大幅波動現(xiàn)象。振動量值突然間由正常值40 μm 上升至最大值202 μm，大約在30 min 左右恢復(fù)到正常值，最大振動值接近停機值240 μm，嚴重影響機組安全運行。機組運行參數(shù)，見表1；1#瓦軸振大幅度波動趨勢，如圖1 所示；1#瓦X/Y 向轉(zhuǎn)軸振動的軸心軌跡，如圖2 所示。通過振動檢測儀進行振動檢測與故障診斷。

3.2 振動分析

振動數(shù)據(jù)檢測和分析，顯示該機組振動頻率一直以工頻分量為主，屬于普通強迫振動，認為同時又具有間歇性和偶發(fā)性，主要是動靜部件之間存在碰摩現(xiàn)象。造成油擋與轉(zhuǎn)子動靜碰摩的因素主要有：汽輪機軸瓦油擋間隙調(diào)整過小，汽輪機軸瓦油擋定位螺絲失效，汽輪機軸瓦油擋積碳，發(fā)電機密封瓦內(nèi)油擋間隙過小或卡澀等。這些因素引起轉(zhuǎn)子與油擋密封之間的間隙消失，從而誘發(fā)動靜碰摩故障。

表1 機組運行參數(shù)

圖1 1#軸振變化趨勢

圖2 1#軸心軌跡

由于在機組連續(xù)運行過程中熱輻射的原因，油擋積碳是持續(xù)的，隨著運行時間的延長，油擋積炭積累到一定程度后，動靜間隙消失，從而導(dǎo)致動靜碰摩的發(fā)生，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子軸振幅值的增大[5-6]。經(jīng)過一段時間的磨合之后，油擋和轉(zhuǎn)子脫離了動靜接觸，轉(zhuǎn)子軸振幅值漸漸回落。機組在繼續(xù)運行一定時間后，油擋處積碳繼續(xù)累積變多，動靜間隙再次消失，再次表現(xiàn)碰摩振動的特征。如此反復(fù)循環(huán)，導(dǎo)致油擋積碳誘發(fā)的動靜碰摩故障，除具有其他因素誘發(fā)的動靜碰摩故障的所有特征以外，還具有頻發(fā)性和持續(xù)性的特點。

分析判斷該機組摩擦點在1#軸瓦油擋，由于油擋和轉(zhuǎn)子之間的潤滑油受高溫影響后碳化積垢，導(dǎo)致間隙變小，誘發(fā)動靜碰磨，當積碳被摩擦脫落后，振動恢復(fù)原始狀態(tài)。

3.3 故障處理方案

根據(jù)振動故障的分析和診斷，做出如下處理方案：①停機后對1#瓦油擋進行檢查；②減少高壓軸封端部漏氣量，對軸封系統(tǒng)進行全面檢查；③系統(tǒng)管道進行灌水查漏，重新校核軸封系統(tǒng)管道軸封壓力測點；④調(diào)節(jié)軸封風機抽汽量。

3.4 檢查結(jié)果及處理措施

①對1#軸瓦進行檢查，發(fā)現(xiàn)油擋內(nèi)存在油灰高溫碳化現(xiàn)象（圖3）；②檢修期間對油擋進行徹底清理，重新調(diào)整油擋間隙；③檢查下油擋處軸瓦回油的泄油口，確保泄油順暢，避免少量潤滑油不能及時回油導(dǎo)致積碳；④做好高壓汽缸軸端部位置和靠近軸承箱等部位的保溫，增加保溫棉隔熱；⑤加大對軸封風機抽氣量的調(diào)整，減少軸封漏汽；⑥降低熱輻射強度和油擋溫度，減緩油泥碳化概率與速率；⑦對軸承箱油擋外側(cè)增加擋汽板，降低熱輻射水平，減少高溫軸封汽誘發(fā)油擋積碳的可能。

3.5 處理效果

經(jīng)過采取上述處理措施后，機組再次啟動。沖轉(zhuǎn)及帶負荷過程中機組軸系振動平穩(wěn)，各測點幅值優(yōu)良，持續(xù)運行3 個月中，未再出現(xiàn)振動大幅波動現(xiàn)象。

4 總結(jié)

圖3 1#油擋積碳情況

近些年來油擋積碳誘發(fā)的動靜碰摩振動故障問題較為突出。由于高（中）壓汽缸保溫工藝不良、軸封漏氣因素引起的熱輻射和轉(zhuǎn)子導(dǎo)熱因素的影響，往往使得高（中）壓轉(zhuǎn)子支撐軸瓦處油擋的溫度過高。同時，油泥積累在油擋不能及時排走，在高溫下逐漸碳化，是引起油擋積炭的主要原因。從而誘發(fā)動靜部件產(chǎn)生碰摩現(xiàn)象，最終導(dǎo)致了汽輪發(fā)電機組的間歇性振動問題。