付燦平,高 嵩,王善雷
(1.華潤電力(仙桃)有限公司,湖北 仙桃 433024;2.華潤電力湖北有限公司,湖北 赤壁 437300)
某發(fā)電廠1 000 MW 超超臨界機組發(fā)電機為上海汽輪發(fā)電機有限公司引進德國西門子公司技術(shù)生產(chǎn)的THDF125/67 型三相同步、水-氫-氫冷汽輪發(fā)電機,定子繞組為直接水內(nèi)冷,定子鐵心及轉(zhuǎn)子繞組為氫氣冷卻,密封油采用單流環(huán)式密封,勵磁采用無刷勵磁系統(tǒng)[1-2]。發(fā)電機組軸系是由高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、兩個低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子、勵磁機轉(zhuǎn)子及8 個支持軸承組成(見圖1),各轉(zhuǎn)子通過剛性聯(lián)軸器連接,其中發(fā)電機兩端由端蓋式軸承支承,勵磁機為單軸承支承[3-4]。
圖1 汽輪發(fā)電機組軸系圖
自投產(chǎn)以來4 號機組發(fā)電機6 號、7 號軸瓦瓦振一直偏大、軸振較小,隨著機組的運行,發(fā)電機軸瓦瓦振開始波動并呈上升趨勢(軸振無變化),嚴(yán)重威脅機組安全穩(wěn)定運行。經(jīng)過運行參數(shù)調(diào)整,發(fā)電機軸瓦、密封瓦、轉(zhuǎn)子部件檢查,軸系中心調(diào)整,低-發(fā)(低壓轉(zhuǎn)子-發(fā)電機轉(zhuǎn)子)對輪上動平衡配重等常規(guī)措施處理后[5-8],發(fā)電機軸瓦瓦振仍較大。通過技術(shù)分析及咨詢論證,首次在現(xiàn)場進行1 000 MW 發(fā)電機膛內(nèi)轉(zhuǎn)子護環(huán)上配重,以徹底解決4 號機組發(fā)電機軸瓦振動問題。
2020 年3 月機組調(diào)停后啟動,啟動過程中6號、7 號軸瓦瓦振(振動速度)在通過二階臨界時分別達到12.6 mm/s,13.0 mm/s(相位相反),接近3 000 r/min 時瓦振快速增大,3 000 r/min 定速時發(fā)電機空載狀態(tài)6 號、7 號軸瓦瓦振單峰值分別為6.3 mm/s,8.3 mm/s。6 號、7 號軸瓦啟動過程中瓦振的伯德圖如圖2 所示。
圖2 6 號、7 號軸瓦升速過程中瓦振的伯德圖
機組并網(wǎng)帶負荷后,發(fā)電機6 號、7 號軸瓦瓦振隨機組負荷增加而明顯增大,且不穩(wěn)定,7號軸瓦瓦振最大達到12.7 mm/s,但軸振基本無變化,機組運行過程中各負荷段6 號、7 號軸瓦振動情況見表1。
表1 6 號、7 號軸瓦振動數(shù)據(jù)
發(fā)電機軸振較小、瓦振較大,主要是發(fā)電機軸瓦及支撐系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)共振,可能原因為[1-3]:
(1)發(fā)電機底座與臺板之間的墊片布置不合理,導(dǎo)致發(fā)電機底腳承載不均勻。
(2)發(fā)電機軸瓦與瓦枕存在接觸不良情況(按要求接觸面應(yīng)不小于75%)。
(3)發(fā)電機基礎(chǔ)臺板二次灌漿質(zhì)量存在缺陷,導(dǎo)致承載剛度不足。
發(fā)電機轉(zhuǎn)子不平衡狀態(tài)不夠良好,在剛度不足的情況下易造成發(fā)電機瓦振大,可能原因為[4-5]:
(1)低-發(fā)(低壓缸-發(fā)電機)對輪中心、勵-發(fā)(勵磁機轉(zhuǎn)子-發(fā)電機轉(zhuǎn)子)對輪中心、勵磁機短軸晃度及8 號軸瓦承載力不佳都會引起轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡,從而增大發(fā)電機軸瓦的軸振,進而影響瓦振。
(2)發(fā)電機、勵磁機轉(zhuǎn)子自身質(zhì)量不平衡導(dǎo)致軸振大,進而影響瓦振。
(3)軸系存在動靜碰磨,導(dǎo)致軸系不平衡引起發(fā)電機軸振大,進而影響瓦振。
2.1.1 運行參數(shù)的調(diào)節(jié)
為防止發(fā)電機軸瓦振動的擴大,機組運行中進行了變密封油溫度、變發(fā)電機氫溫、變凝汽器真空度及變軸封壓力等試驗[6-11]。
(1)變密封油溫度:試驗中將密封油溫度由40 ℃逐步提升至50 ℃,發(fā)現(xiàn)密封油溫度高時6號、7 號瓦振減小0.2~0.6 mm/s,稍有下降。
(2)變氫氣溫度:試驗中將冷氫溫度由42 ℃提高至50 ℃,調(diào)整后6 號、7 號瓦振減小0.5~1.0 mm/s,有明顯下降。
(3)變凝汽器真空度:試驗中將A、B 側(cè)凝汽器之間真空聯(lián)絡(luò)門打開進行調(diào)整,真空聯(lián)絡(luò)門打開后6 號、7 號瓦振減小0.6~1.2 mm/s,有明顯下降。
(4)變軸封壓力:試驗過程中將軸封壓力從4 kPa 升至20 kPa,6 號、7 號瓦振沒有明顯變化。
根據(jù)運行參數(shù)調(diào)整試驗結(jié)果可知,提高密封油溫度和發(fā)電機氫溫、降低凝汽器真空度可在一定程度上抑制6 號、7 號瓦振。由此制訂運行中的臨時控制措施,即將密封油溫度維持在50 ℃,發(fā)電機氫溫控制在50 ℃,若7 號瓦振超過11 mm/s,再適當(dāng)降低凝汽器真空度。
2.1.2 發(fā)電機基座頂部壓砂袋
根據(jù)振動特征判斷4 號機組7 號瓦振大及不穩(wěn)定的根本原因是發(fā)電機軸承及支撐系統(tǒng)剛度低,存在結(jié)構(gòu)共振。為防止發(fā)電機軸瓦振動進一步加劇,機組運行中嘗試采用砂粒阻尼方案,即在發(fā)電機基座兩端頂部壓砂袋[12]。
采用細度模數(shù)大于3 的粗砂粒,用粗麻布袋裝載,每袋質(zhì)量約50 kg,分別布置于發(fā)電機基座汽端、勵端頂部(見圖3)。為防止砂袋滑落,用空心圓管搭建外圍框架,勵端基座為弧形,需從中部開始搭建鋼管護欄至頂部。
圖3 汽、勵端砂袋布置示意
根據(jù)測算,汽端加重約1.6 t 砂袋,勵端加重約2.4 t 砂袋,加重后發(fā)電機振動明顯減小,7 號瓦振下降至10 mm/s 以內(nèi)。
2.1.3 發(fā)電機底腳螺栓緊固
因發(fā)電機底腳與基礎(chǔ)臺板之間特殊的連接方式,6 號、7 號軸瓦振動增大后,發(fā)電機臺板的振動也隨之增大,測試發(fā)現(xiàn)發(fā)電機底腳與基礎(chǔ)臺板間存在差別振動。因發(fā)電機基礎(chǔ)臺板二次灌漿質(zhì)量存在缺陷,導(dǎo)致發(fā)電機與臺板連接剛度降低,故需要對發(fā)電機的底腳螺栓進行復(fù)測緊固[13]。按照發(fā)電機廠家要求采用液壓拉伸組件,以額定470 kN 力矩,對發(fā)電機底腳螺栓依次進行緊固,最終發(fā)電機底腳螺栓緊固轉(zhuǎn)動角度見表2。
表2 發(fā)電機底腳螺栓緊固轉(zhuǎn)動角度數(shù)據(jù)
發(fā)電機底腳螺栓緊固以后:6 號、7 號瓦振減小0.4~0.8 mm/s,有明顯下降;7 號瓦振穩(wěn)定在6.8~9.5 mm/s,沒有進一步惡化。
2.2.1 汽、勵端軸瓦各處配合狀態(tài)檢查
復(fù)查數(shù)據(jù)表明,發(fā)電機汽、勵端軸瓦側(cè)隙、頂隙、防跳間隙均正常,瓦枕球面接觸情況較好,內(nèi)外油擋間隙正常,無明顯碰磨痕跡,復(fù)裝時各處間隙均按廠家設(shè)計值上限調(diào)整[14]。
2.2.2 汽、勵端密封瓦配合狀態(tài)檢查
復(fù)查時發(fā)現(xiàn),勵端密封瓦支座的內(nèi)油擋迷宮密封與轉(zhuǎn)子有明顯磨痕,對迷宮密封銅條進行修刮及削尖處理;汽、勵端密封瓦有輕微磨損,采用油石打磨處理,但密封瓦本身的尺寸數(shù)據(jù)、橢圓度、平行度良好,復(fù)裝時按設(shè)計圖紙要求將各處間隙調(diào)整均勻。
2.2.3 低發(fā)對輪中心復(fù)查調(diào)整
復(fù)查數(shù)據(jù)表明低-發(fā)對輪中心略有右張口(0.09 mm),且發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心偏低0.13 mm,復(fù)裝時按廠家設(shè)計要求均調(diào)整至0.03 mm 以內(nèi)。
2.2.4 動平衡配重試驗
4 號發(fā)電機瓦振大,經(jīng)常報警(報警值9.3 mm/s)且不穩(wěn)定,主要頻率為1 倍頻,振動變化的頻率也為1 倍頻,說明是不穩(wěn)定的強迫振動。2019 年5 月、11 月在低-發(fā)對輪處進行兩次配重,在一定程度上緩解了7 號軸瓦振動大的問題,但無法將其控制在優(yōu)良水平。而歷次振動測試數(shù)據(jù)顯示,6 號、7 號軸瓦振動1 倍頻相位反相,相位比較穩(wěn)定。經(jīng)技術(shù)分析及咨詢論證,決定大膽創(chuàng)新,采用在發(fā)電機膛內(nèi)轉(zhuǎn)子護環(huán)上進行配重的方案??紤]到配重需多次沖轉(zhuǎn)、停運機組,置換發(fā)電機膛內(nèi)氫氣,為節(jié)省機組啟停、氫氣置換等過程時間,使用60%額定壓力的壓縮空氣冷卻發(fā)電機,沖轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速進行配重。
(1)第一次平衡配重。經(jīng)過分析計算,首次在發(fā)電機膛內(nèi)轉(zhuǎn)子汽、勵端護環(huán)上分別加重460 g,配重位置見圖4,角度分別為40°和220°(設(shè)置鍵相位置為0°,下同),啟動驗證,結(jié)果振動略減小,但不明顯。經(jīng)分析核算,認(rèn)為配重的質(zhì)量偏小且角度存在偏差,無法達到預(yù)期效果,拆除汽、勵端添加的配重塊。
圖4 現(xiàn)場配重位置
(2)第二次平衡配重。在發(fā)電機膛內(nèi)轉(zhuǎn)子汽、勵端護環(huán)上分別加重1.335 kg,角度分別為17°和197°。第二次平衡配重后,發(fā)電機軸瓦振動數(shù)據(jù)見表3。
表3 6 號、7 號軸瓦振動數(shù)據(jù)
根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可知,第二次配重后,在600 MW 負荷時6 號、7 號瓦振分別為0.6 mm/s、3.6 mm/s,在1 000 MW 負荷時6 號、7 號瓦振分別為0.45 mm/s,2.3 mm/s,雖然在600 MW 負荷后7 號瓦振有上升趨勢,最大達到3.9 mm/s,但達到滿負荷后,基本穩(wěn)定在2.3 mm/s 左右,各負荷段6 號、7 號瓦振均低于廠家給定的報警值,達到優(yōu)秀標(biāo)準(zhǔn)。
在很多情況下發(fā)電機軸瓦的振動誘發(fā)因素是多方面的,在振動處理過程中需要逐項排查。某發(fā)電廠4 號發(fā)電機軸瓦振動大的根本原因是發(fā)電機轉(zhuǎn)子存在一定的二階質(zhì)量不平衡,發(fā)電機軸承及支撐系統(tǒng)剛度偏低,導(dǎo)致發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。發(fā)電機瓦振與發(fā)電機氫溫變化有一定的相關(guān)性,其原因可能是發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱或冷卻不均,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子熱不平衡引起;發(fā)電機瓦振與密封油溫度、凝汽器真空度變化有一定相關(guān)性,其原因與低-發(fā)對輪中心不正有關(guān),轉(zhuǎn)子存在輕微的動靜碰摩,引起轉(zhuǎn)子熱彎曲,動靜碰摩的位置可能發(fā)生在發(fā)電機密封瓦與油擋處。
機組運行期間,通過調(diào)整汽、勵端氫氣溫度、密封油溫度、凝汽器真空度等參數(shù),以及緊固發(fā)電機底腳螺栓和在發(fā)電機基座頂部壓砂袋等措施使振動有所降低,但發(fā)電機軸瓦瓦振仍較大。為保證機組長期安全穩(wěn)定運行,利用機組檢修機會,大膽創(chuàng)新,嘗試在發(fā)電機膛內(nèi)轉(zhuǎn)子護環(huán)上進行現(xiàn)場配重,最終將軸瓦振動降至優(yōu)秀范圍內(nèi)。該案例為同類型機組在現(xiàn)場進行發(fā)電機膛內(nèi)配重開創(chuàng)了先例,可為其他電廠處理類似振動問題提供一定的參考經(jīng)驗。