汽轮发电机组热态振动故障分析及处理

本文介绍了某型号汽轮发电机组热态振动故障的分析与处理过程，讨论了变刚度条件下热态平衡应注意的问题，非常实用的经验总结，希望对你的工作和学习有所帮助。



某汽轮发电机组为工业抽汽凝汽式汽轮机组，一般用于大型的纸厂、石化厂，或其它需要工业用汽的地区。近几年，随着经济的发展，对工业用汽的需求增加相当多，该型机组相继投产发电供汽。但是不论是在新机组调试过程中或是在机组投产一段时间后，不少机组均不同程度地发生了热态带负荷过程中出现振动急剧爬升的现象，有的振动可以从冷态定速时不到10μm爬升至满负荷时70μm多；有的振动从冷态定速时不到20μm爬升至接近90μm，严重影响机组的安全与连续运行。而且，由于振动急剧变化的特性很难为运行和检修人员所理解，因而，有些采取了翻瓦检查，调整中心等诸多措施也未见有所好转，耗费了大量的人力物力。

从振动的产生机理上来看，不外乎激振力与支撑力刚度两种因素。机组振动的热态变化意味着机组在热态情况下要么激励力变化，要么支撑动刚度在受热时有异常产生，或者两种因素同时存在。以往的现场故障处理中，往往只注重激振力的变化这一因素，而忽视了考察机组轴的支撑动刚度在热态带负荷过程中的变化这一因素。由于刚度的变化，使得振动响应也发生了明显的变化。在传统的高速动平衡试验研究中，是基于刚度定常这一假设，因而振幅的大小代表了激振力的大小。但在刚度变化时，激振力就不能用振幅来唯一度量了，因而在高速动平衡试验时加重量的确定就应该同时综合激振力与刚度变化的双重因素才能取得比较满意的结果。基于此，变刚度条件下振动响应的试验与理论研究是十分有意义的。

一、振动机组特征

1机组轴承结构
机组轴承结构如图1所示。



图1 机组轴承结构图

2机组振动情况
机组安装调试阶段带负荷运行过程中，发现发电机前瓦水平方向振动十分剧烈，从空负荷时20μm左右爬升至满负荷时超过90μm。与此同时，汽机前瓦、后瓦及发电机后瓦的垂直和水平方向振动也程度不同地存在振动爬升现象，但幅值要小得多。表1是不同定荷工况下的振动数值。图2是2号瓦、3号瓦的水平方向随负荷变化的时间趋势图。

表1 不同负荷工况下的振动数据 单位：μm




图2 2号、3号瓦水平振动随负荷变化的时间趋势图

3机组振动特征
为了解机组的振动特性，进行了一系列的试验，包括升速试验、带负荷试验、稳定负荷改变励磁电流试验、稳定负荷改变主汽参数试验、降速试验、改变润滑油压试验等。总结试验过程中机组的振动表现，具有以下特征：

机组轴承冷态情况下过临界时振动状况良好，垂直方向与水平方向过临界时振动均不超过35μm 。

机组空转时振动也不大，除3号瓦水平存在波动现象，在20μm～30μm之间波动，其它各瓦振动均在20μm以下。

振动的变化发生在加负荷过程当中，随着负荷增加，振动逐渐增大。其中3号瓦变化最大，垂直方向振动相对平稳，从冷态时20μm爬升至31μm，水平方向变化剧烈，从28μm爬升至92μm。从图2可知，各方向振动变化基本保持同步，只是幅值上有所差别。

观察振动随负荷变化的时间相关性，无特别明显的规律。有时改变负荷振动立即增大，有时表现为一定的时滞。振动爬升后，稳定在一个较高的数值，如负荷下降，振动有好转，但也不能复原。

振动受主汽温度、压力影响较大。在某一负荷时，使负荷稳定，调节气温气压，振动变化较为剧烈。

振动与励磁电流无明显关系。

调整机组的润滑油压，在0.09MPa～0.12MPa的范围内，润滑油压大小对振动没有明显的影响。

投入调整抽汽，对振动影响很大，而且无时滞。

从机组的频谱特征分析，不论在空转时或是在振动最大时，振动的主要分量均以工频成分为主，其它频率成分所占比例较小。

二、振动故障分析与诊断

从振动状况来看，矛盾主要表现在发电机前瓦水平振动随负荷急剧变化，以致超过了振动允许值，但从整个机组的振动变化趋势来看，各个瓦的振动均同步存在着振动爬升现象，只不过发电机前瓦的振动更剧烈一些。在相同激振力的情况下，该机组垂直与水平方向振动变化差别如此之大，是不能单纯从激振力变化方面找原因的。

1. 轴承冷态平衡状态良好。从机组冷却过临界及在空转时的振动可知，机组轴承的平衡状态在冷态下是令人满意的，说明转子上的残余不平衡量很小。

2. 随着负荷增加，机组各瓦振动呈现爬升趋势，说明在转子受热后转子的不平衡状态发生了变化。从振动的轴向分布来看，发电机前瓦的振动变化比汽轮机后瓦的振动变化要剧烈，因而热态不平衡的产生应来自于发电机转子。发电机转子产生热态不平衡的具体原因可能有：转轴上内应力过大，转轴材质不均，转轴径向存在不对称温差等。由于电机测试条件及试验条件的限制，要具体分清确定的原因是困难的。

3. 发电机转子存在轻微热弯曲是导致2、3号瓦振动爬升的直接原因，但在同样的激振力条件下，垂直与水平方向的振动却表现出如此悬殊的差异。这就说明：该型机组2号瓦、3号瓦的垂直与水平方向的刚度存在着较大差异。

从机组结构分析，2号、3号轴承共一个轴承箱，座落在排汽缸上，而排汽缸则由左右猫爪挂在一个垂直支撑柱上。两个支撑柱呈板状，仅分别由前后两个地脚螺栓固定。因而，机组在与轴线垂直的水平方向刚度是十分薄弱的。表2是该型机组实际测试的一组影响系数。

表2 该型机组反对称实测影响系数　单位：μm/kg



从表2可见，以3号瓦而论，垂直与水平方向的影响系数差别达到3倍至4倍。这就说明该两个方向的刚度也存在相当大的差别，这就是为什么在同样的激振力条件下，垂直方向的振动爬升较慢，而水平方向的振动爬升却很剧烈的原因。

4. 冷热态情况下轴承水平方向的刚度具有非定常性。从表2可知，以某厂1号机为例，空负荷与满负荷下的影响系数在不同的方向也表现出不同的特性，垂直方向影响系数几乎不变，而水平方向影响系数则相差一倍左右。这同样提示着在热态情况下轴承的水平刚度发生了较大的变化。图3是不同负荷情况下的影响系数曲线。根据在同型号多台机组上的测试经验来看，存在着某一个临界负荷，超过该临界负荷后影响系数缓慢发生变化，而在临界负荷之下则振动无明显的变化趋势。当然超过临界负荷后的曲线斜率不一定保持常数，也不一定在最大负荷时达到最大值，而是与初始不平衡量、热态不平衡量及其二者之间的夹角等有关。



图3 不同负荷情况下的影响系数曲线

三、振动情况

根据测试分析结果，认为该型机组设计上的缺陷是导致机组振动变化剧烈的内在因素；而发电机转子带负荷后产生的轻微不平衡是影响振动的外部因素。因为结构上设计刚度水平方向偏低，使得该方向具有相当大的振动敏感性。当发电机转子产生轻微的热态不平衡后，由于水平方向的振动响应较大，因而导致发电机前瓦水平方向的振动被放大，从而表现出振动随负荷急剧爬升的现象。

解决此类问题的两种方案，一种是加强水平刚度，一种是把不平衡量降至最低。根据现场实际情况，要加强水平方向的刚度困难很大，而且实际解决起来也存在着工艺上的困难。因而，采取高速动平衡方法来把轴承上残余的不平衡量减至最小。

在做高速动平衡试验时，主要考虑了两个主要因素：

应对热态情况下产生的不平衡量进行补偿。由于冷态下振动不大，因而以热态下的最大振动作为平衡目标。

应考虑由于刚度在不同负荷情况下的变化而导致的影响系数的变化。如果按照热态下的影响系数进行平衡，那么计算出的加重量是偏大的。综合原始振动、热态振动及不同负荷工况下振动的变化情况，一般在试验中加重量取为计算加重量的60％～70％为好。

综合各方面因素后，在发电机前风扇平衡槽190°处加重300g，只经一次加重，就将各瓦振动全部降至合格值以下，满负荷下振动稳定在30μm左右，如表3所列。

表3 各工况下的振动数据 单位：μm



四、总 结

汽轮发电机组的热态振动故障问题，是所有振动故障问题中比较难以分析和处理的一类。由于热态情况下相当多的工艺参数和条件都发生了变化，因此寻找热态情况下产生振动故障的原因具有一定的难度。

从比较冷热状况下的影响系数入手，认为该型机组水平方向刚度较差是造成振动故障的主要原因，而热态带负荷工况下发电机转子产生了轻微的热弯曲从而使3号瓦处不平衡激振力发生变化是故障的直接诱因。解决此类故障最有效的手段是调整平衡，但是考虑到不同负荷情况下的激振力变化所导致的影响系数变化，因而在加重量的计算当中应加以适当的减小，一般以计算加重量的60％～70％为好。虽然说热态平衡可以使振动好转，但由于刚度较差因而水平方向的振动响应是很大的，平衡力的微小变化也会导致振动发生较明显的变化。因而，如果水平刚度过小的故障根源得不到彻底解决的话，平衡的调整工作将会频繁。