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)

0 引言

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。

1 機組概況

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。

1.1 軸系構(gòu)成

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

1.2 發(fā)電機振動

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)

2 單支撐軸系振動異常分析

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：

2.1 冷卻故障

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。

2.2 匝間短路

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。

2.3 線圈膨脹不暢

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。

3 振動處理

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。

3.1 發(fā)電機振型分析

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

3.2 加重平面的選取

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。

3.3 動平衡效果

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)

4 結(jié)論

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。