李立波，閆 青，陸 源，李 帥

(1.大唐東北電力試驗(yàn)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.遼寧大唐國(guó)際沈東熱電有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110172；3.大唐黃島發(fā)電有限公司，山東 青島 266000；4.大唐東營(yíng)發(fā)電有限公司，山東 東營(yíng) 257000)

0 前言

振動(dòng)超標(biāo)是影響汽輪發(fā)電機(jī)本體安全運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題之一，針對(duì)該問(wèn)題的研究也一直受到學(xué)者的關(guān)注[1-2]。實(shí)際上，造成汽輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)異常的原因有很多，如轉(zhuǎn)子匝間短路故障[3-4]，質(zhì)量不平衡[5]，動(dòng)靜碰磨[6]等。針對(duì)此類(lèi)故障的檢測(cè)及解決方法也較為成熟。然而，受限于機(jī)組設(shè)計(jì)的差異性，同型機(jī)組發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障原因多存在一定的相似性，這本身是設(shè)計(jì)造成的[7]。例如上海電氣生產(chǎn)制造的亞臨界600 MW機(jī)組還在國(guó)內(nèi)很多電廠服役。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，70%以上機(jī)組都出現(xiàn)過(guò)發(fā)電機(jī)或勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子異常振動(dòng)情況。其振動(dòng)原因多為熱態(tài)彎曲、質(zhì)量不平衡、支撐剛度差等。但由絕緣墊片引起的異常振動(dòng)并不多見(jiàn)，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)見(jiàn)刊的論文中也很少有相關(guān)方面的研究和報(bào)道[8]。

本文從某發(fā)電機(jī)組7瓦軸振隨機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)入手進(jìn)行分析和相關(guān)實(shí)驗(yàn)，最終通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和分析，找出了振動(dòng)產(chǎn)生的原因?yàn)榻^緣墊片老化，更換絕緣墊片后發(fā)電機(jī)振動(dòng)恢復(fù)正常。

1 發(fā)電機(jī)振動(dòng)情況介紹

1.1 軸系簡(jiǎn)介

某廠汽輪發(fā)電機(jī)組為上汽廠生產(chǎn)的600 MW等級(jí)亞臨界機(jī)組，為N630-17/541/538型亞臨界、一次中間再熱、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組軸系由一個(gè)高中壓轉(zhuǎn)子，兩個(gè)低壓轉(zhuǎn)子，一個(gè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和一個(gè)勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子組成，發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)為三支撐結(jié)構(gòu)。高中壓轉(zhuǎn)子軸承為落地式軸承，低壓軸承坐落于低壓排汽缸上，發(fā)電機(jī)軸承為端蓋式軸承。圖1所示為汽輪發(fā)電機(jī)組軸系簡(jiǎn)圖，其中，1～9為軸瓦位置。

圖1 軸系簡(jiǎn)圖

1.2 發(fā)電機(jī)振動(dòng)情況

該機(jī)組于2019年4月份出現(xiàn)7瓦X和Y向軸振隨負(fù)荷波動(dòng)發(fā)生變化的情況。2019年3月24日之前，7X和7Y振動(dòng)相對(duì)比較平穩(wěn)，3月28日開(kāi)始，振動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng)和上漲，至4月4日機(jī)組停機(jī)前，7X最大波動(dòng)到116 μm，7Y最大波動(dòng)到157 μm，已經(jīng)超過(guò)報(bào)警值125 μm。4月7日機(jī)組再次啟動(dòng)，定速后7瓦軸振基本能夠恢復(fù)至上次啟動(dòng)時(shí)的幅值，隨負(fù)荷增加，100 MW時(shí)7X振動(dòng)達(dá)到82 μm，7Y振動(dòng)達(dá)到100 μm，至4月20日停機(jī)前，7X和7Y分別上漲到119 μm和167 μm，如圖2所示。

圖2 7瓦軸振故障前、后振動(dòng)趨勢(shì)圖

通過(guò)查閱TDM振動(dòng)歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)7瓦軸振始終都是一倍頻占主導(dǎo)，其它頻率成分占比很小，基本可以忽略，如圖3所示。

圖3 7瓦全息譜圖

2 絕緣墊片故障原因分析及處理

2.1 振動(dòng)原因分析

一般來(lái)說(shuō)，引起軸振超標(biāo)的因素主要來(lái)自軸系或者軸承[1]。其中，軸系因素有轉(zhuǎn)子不對(duì)中、動(dòng)靜碰摩、質(zhì)量不平衡等；軸承因素有軸瓦損壞、油膜振蕩、軸承座松動(dòng)、軸瓦支撐失穩(wěn)、汽流激振等。發(fā)電機(jī)的振動(dòng)主要是基頻成分，屬于質(zhì)量不平衡引起的強(qiáng)迫振動(dòng)范疇，振動(dòng)的變化說(shuō)明轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)發(fā)生變化，或者轉(zhuǎn)子的支撐剛度發(fā)生變化。

根據(jù)停機(jī)后再次啟動(dòng)發(fā)電機(jī)振動(dòng)幅值能夠基本恢復(fù)的現(xiàn)象，說(shuō)明轉(zhuǎn)子本身的平衡質(zhì)量沒(méi)有發(fā)生變化。因此，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的支撐剛度發(fā)生了變化是造成振動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng)的根本原因。支撐剛度主要由基礎(chǔ)剛度和軸承剛度構(gòu)成，通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)差別振動(dòng)測(cè)試，基礎(chǔ)與臺(tái)板之間差別振動(dòng)不超過(guò)5 μm，臺(tái)板與發(fā)電機(jī)底座之間的差別振動(dòng)不超過(guò)4 μm，因此排除了基礎(chǔ)剛度的問(wèn)題，但軸承剛度方面還不能排除，必須通過(guò)查閱相關(guān)參數(shù)和進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證和判斷。

2.2 軸系動(dòng)平衡

由于7瓦軸振最大振幅已經(jīng)超過(guò)報(bào)警值，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。4月20日利用機(jī)組臨停機(jī)會(huì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡配重，目的是降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的激振力，使7瓦軸振的幅值降至報(bào)警值以下。鑒于7瓦軸振頻譜中一倍頻占比較大，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)配重的方式能夠降低7瓦的振動(dòng)幅值。假設(shè)7瓦的油膜剛度是動(dòng)態(tài)降低的，在不考慮油膜剛度的情況下，如果激振力足夠小，那么7瓦的振動(dòng)幅值也可以控制在安全范圍內(nèi)。

圖4 7Y振動(dòng)頻譜圖

通過(guò)在低發(fā)對(duì)輪處進(jìn)行配重，降低7瓦的基頻幅值是目前在沒(méi)有足夠停機(jī)時(shí)間徹底處理情況下所采取的臨時(shí)方案。根據(jù)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性[1]，其工作轉(zhuǎn)速大于二階臨界轉(zhuǎn)速而小于三階臨界轉(zhuǎn)速，更接近于二階臨界轉(zhuǎn)速，受其影響，7瓦和8瓦軸振的相位以反向分量為主，平衡發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子反向的最佳配重平面是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩側(cè)的跨內(nèi)加重面，由于發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)限制，這兩個(gè)加重平面位于兩側(cè)密封瓦之間，如果在此位置進(jìn)行配重，需要拆掉發(fā)電機(jī)端蓋和密封瓦，工作量十分巨大。

在經(jīng)過(guò)綜合考慮之后，最終選擇在發(fā)電機(jī)對(duì)輪上進(jìn)行配重，此位置加裝平衡塊方便、快捷，不需要拆卸發(fā)電機(jī)端蓋和密封瓦，而且能夠有效降低發(fā)電機(jī)7瓦的振動(dòng)幅值，同時(shí)對(duì)6瓦和8瓦軸振影響有限。經(jīng)過(guò)計(jì)算，在低發(fā)對(duì)輪處配重750 g，將7X和7Y的振幅降低了20 μm。

圖5 低發(fā)對(duì)輪加重示意圖

雖然現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡配重達(dá)到了預(yù)期的目的，但是從振動(dòng)故障處理角度來(lái)說(shuō)，并沒(méi)有徹底解決7瓦軸振波動(dòng)的問(wèn)題，只是將基礎(chǔ)振動(dòng)幅值降低了一定的幅值，不至于影響機(jī)組的安全運(yùn)行。如果要徹底解決7瓦軸振波動(dòng)問(wèn)題，還需要進(jìn)一步的分析和檢查。動(dòng)平衡前后振動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 動(dòng)平衡前后振動(dòng)幅值(3 000 r/min)μm/°

2.3 絕緣墊片故障的確認(rèn)

為了進(jìn)一步確認(rèn)發(fā)電機(jī)振動(dòng)原因，通過(guò)TDM歷史數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)7瓦Y方向的間隙電壓與初始值相比變化了2.9 V這一異?，F(xiàn)象，按照Bently3300系列軸振傳感器的靈敏度7.87 mv/μm，換算后相當(dāng)于7Y方向傳感器與轉(zhuǎn)子之間的距離變化了0.371 mm[6]。距離的變化會(huì)直接導(dǎo)致7瓦軸振傳感器X方向和Y方向的油膜剛度發(fā)生變化，從振動(dòng)數(shù)據(jù)看，特別是Y方向變化比較明顯，進(jìn)而導(dǎo)致Y方向的軸振發(fā)生波動(dòng)和增大的異?，F(xiàn)象。故障前后7瓦軸振間隙電壓變化情況如表2所示。

表2 故障前后間隙電壓變化情況

圖6 更換絕緣墊片后7X和7Y振動(dòng)趨勢(shì)圖

根據(jù)振動(dòng)現(xiàn)象和測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷7瓦Y向絕緣墊片發(fā)生老化，導(dǎo)致傳感器與軸表面距離增大。停機(jī)時(shí)，解體7瓦進(jìn)行全面檢查，測(cè)量瓦蓋緊力，發(fā)現(xiàn)Y方向墊鐵與瓦蓋間隙為0.30 mm，X方向墊鐵與瓦蓋間隙為0.05 mm。測(cè)量數(shù)據(jù)表明，7瓦在軸承座中的狀態(tài)發(fā)生了改變，Y方向軸瓦下沉較多導(dǎo)致頂部間隙變大。檢查絕緣墊片，發(fā)現(xiàn)Y方向老化比較明顯，墊片出現(xiàn)明顯發(fā)黑且疏松的現(xiàn)象，X方向老化現(xiàn)象不是很明顯，只是有輕微變形。更換發(fā)電機(jī)全部絕緣墊片后機(jī)組再次啟動(dòng)，定速后的7X和7Y振動(dòng)幅值均在優(yōu)秀范圍內(nèi)，通過(guò)幾天帶負(fù)荷數(shù)據(jù)的觀察，7X和7Y振動(dòng)幅值穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)，振動(dòng)波動(dòng)的現(xiàn)象也沒(méi)有再次出現(xiàn)。

表3 更換絕緣墊片后振動(dòng)幅值(3 000 r/min)μm/°

2.4 關(guān)于絕緣墊片的再分析

間隙電壓是傳感器與轉(zhuǎn)子之間距離的最直接反應(yīng)，他們之間成正比關(guān)系，即間隙電壓越大，轉(zhuǎn)子與傳感器之間的距離越遠(yuǎn)，此方向的油膜剛度越差，振動(dòng)幅值也會(huì)越大。

7號(hào)軸瓦下半部分是依靠2塊與水平方向成45°的球面墊鐵支撐的，在球面墊鐵與軸承之間有L型絕緣墊片，該墊片即為絕緣墊片，其厚度約為2 mm，采用環(huán)氧樹(shù)脂材料制作，具有良好的絕緣性能。絕緣墊片要承受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子傳遞的變化的激振力，長(zhǎng)期使用會(huì)使絕緣墊片老化，厚度發(fā)生變化必然會(huì)造成軸瓦下沉，如果左右兩側(cè)絕緣墊片老化程度不一，就會(huì)導(dǎo)致軸瓦單側(cè)偏斜，此方向的支撐剛度發(fā)生較大變化，進(jìn)而引起軸振幅值的變化[9-10]。

絕緣墊片作為整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系中的一小部分，很容易被忽視，但其在汽輪發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)中所發(fā)揮的作用是至關(guān)重要的。絕緣墊片始終處于比較惡劣的環(huán)境下，長(zhǎng)期受到潤(rùn)滑油的浸泡容易產(chǎn)生分層、疏松，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣墊片老化，影響軸瓦的支撐剛度發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)或勵(lì)磁機(jī)產(chǎn)生異常振動(dòng)。發(fā)電企業(yè)在環(huán)氧樹(shù)脂材料墊片的選擇過(guò)程中要充分考慮絕緣性、抗沖擊強(qiáng)度、抗水性，并且材料密度要足夠高，同時(shí)在溫度變化時(shí)還要有一定的穩(wěn)定性，這樣才能最大程度的避免絕緣墊片導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)振動(dòng)問(wèn)題。

3 結(jié)論

本文從發(fā)電機(jī)7號(hào)軸承振動(dòng)異常入手，首先通過(guò)動(dòng)平衡手段降低了振動(dòng)幅值，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，根據(jù)間隙電壓的異常變化情況，確認(rèn)了造成發(fā)電機(jī)振動(dòng)異常的根本原因是絕緣墊片老化。更換絕緣墊片后7號(hào)軸承振動(dòng)異常故障得以徹底解決，保障了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。