李明成,魯希振,李立波
(1.大唐東營發(fā)電有限公司,山東 東營 257000;2.大唐東北電力試驗研究院有限公司,吉林 長春 130012)
火電機組的大型化以及轉(zhuǎn)子的長軸化是時下發(fā)展的趨勢,同時隨著新能源的不斷并入,給大功率火電機組的安全穩(wěn)定性帶來了新的挑戰(zhàn)[1]。其中轉(zhuǎn)子軸系穩(wěn)定是機組運行穩(wěn)定的關(guān)鍵。對于長軸系而言,在安裝過程中,由于自重作用存在靜撓度使得轉(zhuǎn)子支撐點的兩端會產(chǎn)生一定揚度,轉(zhuǎn)子本身也會產(chǎn)生一個光滑的揚度曲線[2];同時,轉(zhuǎn)子在高速運轉(zhuǎn)過程中,其對運行環(huán)境的參數(shù)變化極為敏感,所以極容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)子振動超限問題,影響機組正常運行穩(wěn)定性。
我國新百萬機組汽輪發(fā)電機組的軸承支撐形式大多為單支撐。相比于雙支撐形式,由于只有一端支撐,另一端通過聯(lián)軸器支撐在相鄰的轉(zhuǎn)子上,這導(dǎo)致單支撐軸系汽輪機組的振動特性比傳統(tǒng)雙支撐機組更復(fù)雜[3],無法直接套用雙支撐轉(zhuǎn)子的處理方案。同時由于超長的單支撐軸承會增加振動分析和重新配重的難度,國內(nèi)對于百萬二次再熱汽輪機的軸系振動問題都還處于起步和探索階段,鮮有成熟且成套的技術(shù)方案可供參考。
對此,本文針對某百萬二次再熱汽輪機59.5 m超長軸系間出現(xiàn)的熱態(tài)振動問題,進(jìn)行了故障診斷及相應(yīng)處理。最后通過現(xiàn)場動平衡配重,使發(fā)電機各個軸瓦振動達(dá)到優(yōu)良水平。
某發(fā)電廠2號機組為上海電氣生產(chǎn)的單軸六缸六排汽超超臨界中間二次再熱凝汽式汽輪發(fā)電機組,軸系全長約59.5m。該機型為上海汽輪機廠引進(jìn)西門子技術(shù)生產(chǎn)的百萬新型機組。該機組軸系為單支撐軸系,為國內(nèi)百萬等級機組最長。
該汽輪發(fā)電機組汽輪機部分由一根高壓轉(zhuǎn)子(HP)、一根超高壓轉(zhuǎn)子(VHP)、一根中壓轉(zhuǎn)子(IP)及三根低壓轉(zhuǎn)子(LP1、LP2、LP3)組成;發(fā)電機部分則由水氫氫發(fā)電機(GEN)及靜態(tài)勵磁機(EXC)轉(zhuǎn)子組成。發(fā)電機轉(zhuǎn)子為雙支撐結(jié)構(gòu),勵磁機轉(zhuǎn)子勵端由一個四塊可傾瓦軸承與發(fā)電機形成三支承結(jié)構(gòu),具體軸系布置如圖1所示。
圖1 軸系簡圖
2020年9月25日1號機組首次沖轉(zhuǎn),定速后軸系各瓦軸振幅值均在優(yōu)秀范圍內(nèi),隨著負(fù)荷的升高,發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩側(cè)軸瓦振動開始升高,特別是負(fù)荷達(dá)到450 MW以上時,發(fā)電機軸承振動升高較快,最終振動幅值達(dá)到140 μm,當(dāng)負(fù)荷下降至400 MW以下時,振動開始回落,查看振動頻譜,8瓦和9瓦振動均以一倍頻為主,振動變化過程中,相位變化約為10°。機組首次定速時振動幅值如表1所示。
表1 首次定速時振動數(shù)據(jù)
根據(jù)振動現(xiàn)象,判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子存在熱不平衡故障,具體分析如下:
通風(fēng)孔是發(fā)電機轉(zhuǎn)子冷卻的主要風(fēng)路通道,如果由于某種原因?qū)е峦L(fēng)孔變形,就會引起通風(fēng)孔通流面積減小,導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)子局部冷卻不均,轉(zhuǎn)子橫截面溫度場不對稱,進(jìn)而引起熱彎曲故障[4]。發(fā)生冷卻故障時,隨著冷氫溫度的升高,發(fā)電機轉(zhuǎn)子不對稱冷卻程度相對減小,冷卻故障導(dǎo)致的熱態(tài)不平衡振動也隨之減小。
為了進(jìn)行驗證,在運行過程中將冷氫溫度進(jìn)行改變,隨著溫度的變化,發(fā)電機8瓦和9瓦的振動幅值幾乎沒有變化,試驗結(jié)果證明發(fā)電機軸承振動與冷氫溫度沒有相關(guān)性,進(jìn)而可以排除發(fā)電機冷卻故障。
匝間短路也是汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子經(jīng)常會發(fā)生的故障之一,其產(chǎn)生原因主要有以下兩點:一是在機組啟停過程中繞組受到巨大離心力作用,導(dǎo)致匝間絕緣產(chǎn)生位移、變形和局部損壞[5];二是由于制造工藝原因?qū)е吕@組固定不牢,導(dǎo)條的加工質(zhì)量較差,匝間絕緣偏出等,導(dǎo)致絕緣損壞。
匝間短路故障的診斷方法較多,通常應(yīng)用交流阻抗法、重復(fù)脈沖法、兩極電壓平衡法[6]等方法進(jìn)行綜合診斷。最終,通過動態(tài)測試,排除了該機組存在匝間短路的可能性。
發(fā)電機的磁場是由轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流建立的,勵磁電流通過繞組并加熱線圈,線圈受熱后向兩端膨脹[7]。發(fā)電機轉(zhuǎn)子部件由于離心力作用而擠壓在一起,由于各部件材料、溫度不同,膨脹系數(shù)亦不同,存在相對膨脹,導(dǎo)致在接觸面出現(xiàn)摩擦力。如果摩擦力不對稱,就會產(chǎn)生彎矩,使轉(zhuǎn)子彎曲[8]。通常在線圈和槽楔之間、端部線圈和護(hù)環(huán)內(nèi)表面之間都會產(chǎn)生這種摩擦效應(yīng),如線圈受熱后膨脹受阻時將產(chǎn)生不對稱的軸向力[9]。內(nèi)摩擦引起的熱不平衡振動有如下特點:振動也是隨勵磁電流的增加而增大,即使減小勵磁電流,振動也不是立即恢復(fù),往往存在一定的滯后。
根據(jù)該機組的振動特征,發(fā)電機的振動與勵磁電流有一定的對應(yīng)關(guān)系。由于勵磁電流與負(fù)荷趨勢基本對應(yīng),當(dāng)負(fù)荷增加到某一定值時,線圈膨脹受阻,引起熱態(tài)彎曲,負(fù)荷下降時,線圈收縮,但是熱量的損失會有一個過程,導(dǎo)致振動恢復(fù)會有一定的滯后。因此可以初步判定線圈膨脹不暢是引發(fā)發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動的主要原因。
根據(jù)振動故障產(chǎn)生的原因,為了消除發(fā)電機轉(zhuǎn)子的振動,需要對發(fā)電機-勵磁機系統(tǒng)的振型進(jìn)行分析,確定采取何種振動處理方式。
該機組的發(fā)電機轉(zhuǎn)子是典型的柔性轉(zhuǎn)子,柔性轉(zhuǎn)子的現(xiàn)場平衡通常采取模態(tài)平衡法,根據(jù)振型的正交性原理,柔性轉(zhuǎn)子的每階振動分量只能由相應(yīng)階的不平衡引起,如果轉(zhuǎn)子各階振型不平衡分量都進(jìn)行了校正,那么轉(zhuǎn)子的振動就會處于較好的狀態(tài)。
根據(jù)圖2發(fā)電機-勵磁機軸系在3 000 r/min時的全息譜圖,可以初步判斷發(fā)電機的振型,發(fā)電機振動受三階振型影響較明顯。
圖2 發(fā)勵系統(tǒng)全息譜圖
通常,在平衡二階振型響應(yīng)時,在發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩端風(fēng)扇環(huán)位置加反對稱重量即可[10],而對于工作轉(zhuǎn)速下的三階振型,由于現(xiàn)場不具備在發(fā)電機轉(zhuǎn)子中部加重的條件,因此也只能在發(fā)電機兩側(cè)風(fēng)扇環(huán)或?qū)單恢眉訉ΨQ重量[11],由于拆卸密封瓦周期較長,嚴(yán)重影響機組的調(diào)試進(jìn)度,最終決定在發(fā)電機兩側(cè)對輪位置進(jìn)行動平衡配重工作。
首次定速時,發(fā)電機8瓦和9瓦振動伯德圖如圖3和圖4所示。
圖3 8瓦升速伯德圖
圖4 9瓦升速伯德圖
根據(jù)發(fā)電機的三階振型型式[12],風(fēng)扇環(huán)和中間位置加重雖然能有效降低發(fā)電機的三階振動,但是現(xiàn)場實施起來非常困難,在低發(fā)對輪和發(fā)勵對輪處施加配重也可以有效降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動。但同時還應(yīng)考慮配重后對低壓轉(zhuǎn)子和勵磁機轉(zhuǎn)子振動的影響。
圖5 發(fā)電機三階振型圖
低壓轉(zhuǎn)子所在的7瓦和勵磁機轉(zhuǎn)子所在的10瓦,其相位與鄰近發(fā)電機轉(zhuǎn)子相位相差45°以內(nèi),基本屬于同向,因此對輪的配重在降低發(fā)電機振動的同時也會對相鄰軸瓦的振動有積極作用,不會惡化現(xiàn)有的振動水平。如果想要短時間內(nèi)通過現(xiàn)場動平衡手段來消除發(fā)電機轉(zhuǎn)子振動,最佳方案只能是在發(fā)電機兩側(cè)對輪進(jìn)行動平衡加重。
表2 450 MW時振動數(shù)據(jù)(動平衡前)
根據(jù)百萬單支撐軸系現(xiàn)場動平衡經(jīng)驗,確定動平衡方案為:發(fā)電機低壓側(cè)對輪加重900 g,發(fā)電機勵磁側(cè)對輪加重1 000 g。
配重后機組再次啟動,發(fā)電機一階臨界轉(zhuǎn)速下振動幅值較首次啟動增大約30 μm,但最大仍未超過120 μm。帶450 MW負(fù)荷后,發(fā)電機振動幅值最大未超過90 μm,與之相鄰的低壓轉(zhuǎn)子7瓦和勵磁機10瓦振動幅值分別降低了10 μm和8 μm。根據(jù)GB/T11348.2的相關(guān)要求,該機組的軸系振動處于優(yōu)良水平,帶負(fù)荷后振動如表3所示。
表3 455 MW時振動數(shù)據(jù)(動平衡后)
本文針對國內(nèi)某百萬級二次再熱汽輪機發(fā)電機組出現(xiàn)的振動問題,進(jìn)行了分析及相應(yīng)處理,得出的結(jié)論如下:
(1)本文通過排除法及試驗驗證,找到了發(fā)電機振動的根本原因是熱態(tài)不平衡。在熱態(tài)不平衡問題處理時,可根據(jù)振動的現(xiàn)象予以確認(rèn);
(2)對于單支撐軸系而言,對輪兩側(cè)軸瓦振動相位應(yīng)基本為同向。若想規(guī)避振動增大問題,需要保證相位相差不應(yīng)超過45°。
(3)本文通過實際案例解決了百萬等級機組最長單支撐軸系的振動問題,填補了相應(yīng)空缺,可為今后類似故障的處理提供參考和借鑒。