某電廠660MW汽輪機帶負荷過程振動增大原因分析
2018-08-28 一、簡述
某電廠2號機組為東方汽輪機廠設(shè)計生產(chǎn)的N660-25/600/600型超超臨界壓力、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，配套東方電機股份有限公司制造的QFSN-660-2-22B型發(fā)電機。2015年8月，首次成功沖轉(zhuǎn)，定速3000r/min時刻，軸振、瓦振良好，達到了國標對新裝機組振動水平的要求。
機組并網(wǎng)后，低壓缸瓦振和發(fā)電機振動逐漸增大；機組負荷450MW時，5－8瓦瓦振超過60μm，7瓦軸振也超過110μm。振動專業(yè)技術(shù)人員協(xié)助電廠對2號汽機的振動異常情況進行分析和安全評估。
二、事故經(jīng)過
從機組首次并網(wǎng)后的歷史數(shù)據(jù)來看，2號機組的振動異常現(xiàn)象主要有以下幾個特征：
1、首次定速3000r/min空載運行時，機組軸振、瓦振良好；帶負荷后，低壓缸B缸及發(fā)電機振動隨負荷升高明顯增大，其中以5－8瓦的瓦振及7Y軸振對負荷的變化Z為敏感，負荷大于450MW時，5－8瓦的瓦振、7Y軸振就超過了報警值。
2、低壓缸及發(fā)電機振動與負荷的跟隨性具有可逆性，即隨負荷升高而增大，負荷降低后，振動基本能恢復(fù)至原始水平。
3、初并網(wǎng)時刻，機組負荷33.6MW(無功27.4Mvar)，7瓦軸振/瓦振分別為33μm/13μm，8瓦軸振/瓦振分別為24μm/38μm；負荷增加至560MW時(期間調(diào)整了無功功率)，發(fā)電機振動達到峰值，7瓦軸振/瓦振分別為136μm/76μm，8瓦軸振/瓦振分別為86μm/92μm。
4、瓦振與軸振比值偏大，即瓦振大、軸振小的問題：主要表現(xiàn)在5，6，8瓦上，目前普遍認為瓦振與軸振比值的正常范圍為0.1～0.5；就2號機組來說，初定速3000r/min時，瓦振與軸振的比值不到1，而帶負荷后6瓦比值超過2.5。
5、6Y軸振經(jīng)常出現(xiàn)間歇性大幅跳變，在30μm～300μm范圍內(nèi)大幅波動。
某電廠2號機組為東方汽輪機廠設(shè)計生產(chǎn)的N660-25/600/600型超超臨界壓力、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，配套東方電機股份有限公司制造的QFSN-660-2-22B型發(fā)電機。2015年8月，首次成功沖轉(zhuǎn)，定速3000r/min時刻，軸振、瓦振良好，達到了國標對新裝機組振動水平的要求。
機組并網(wǎng)后，低壓缸瓦振和發(fā)電機振動逐漸增大；機組負荷450MW時，5－8瓦瓦振超過60μm，7瓦軸振也超過110μm。振動專業(yè)技術(shù)人員協(xié)助電廠對2號汽機的振動異常情況進行分析和安全評估。
二、事故經(jīng)過
從機組首次并網(wǎng)后的歷史數(shù)據(jù)來看，2號機組的振動異常現(xiàn)象主要有以下幾個特征：
1、首次定速3000r/min空載運行時，機組軸振、瓦振良好；帶負荷后，低壓缸B缸及發(fā)電機振動隨負荷升高明顯增大，其中以5－8瓦的瓦振及7Y軸振對負荷的變化Z為敏感，負荷大于450MW時，5－8瓦的瓦振、7Y軸振就超過了報警值。
2、低壓缸及發(fā)電機振動與負荷的跟隨性具有可逆性，即隨負荷升高而增大，負荷降低后，振動基本能恢復(fù)至原始水平。
3、初并網(wǎng)時刻，機組負荷33.6MW(無功27.4Mvar)，7瓦軸振/瓦振分別為33μm/13μm，8瓦軸振/瓦振分別為24μm/38μm；負荷增加至560MW時(期間調(diào)整了無功功率)，發(fā)電機振動達到峰值，7瓦軸振/瓦振分別為136μm/76μm，8瓦軸振/瓦振分別為86μm/92μm。
4、瓦振與軸振比值偏大，即瓦振大、軸振小的問題：主要表現(xiàn)在5，6，8瓦上，目前普遍認為瓦振與軸振比值的正常范圍為0.1～0.5；就2號機組來說，初定速3000r/min時，瓦振與軸振的比值不到1，而帶負荷后6瓦比值超過2.5。
5、6Y軸振經(jīng)常出現(xiàn)間歇性大幅跳變，在30μm～300μm范圍內(nèi)大幅波動。
三、事故原因
1、6Y軸振經(jīng)常出現(xiàn)間歇性大幅跳變，主要是10Hz以下低頻振動，且信號輸出時好時壞，信號真實性還有待證實。
2、振動表現(xiàn)異常的5－8瓦，以工頻為主，從性質(zhì)上來說，屬于普通強迫振動。從機理上來看，振動與2個因素有關(guān)，一是激振力(軸振大小可反映來自轉(zhuǎn)子上的激振力的大小)，二是動剛度；與激振力成正比，與動剛度成反比。引起機組振動大故障的原因總的來說只有2個，一是激振力過大，二是動剛度不足。
3、軸振隨負荷升高而增大，是激振力增大引起的。升負荷過程中，6－8瓦軸振增大，主要是工頻分量的增大，表明轉(zhuǎn)子上的不平衡量增加了。不平衡量包括2個部分，一是原始質(zhì)量不平衡，二是熱不平衡量。熱不平衡來源，Z常見的原因是碰摩和局部受熱不均使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生臨時熱彎曲；由于碰摩與無功無關(guān)，考慮到發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性，要注意匝間短路和冷卻系統(tǒng)局部堵塞等問題。
4、瓦振隨負荷升高而增大，與2個因素有關(guān)：一是軸振增大導(dǎo)致瓦振增大；二是熱負荷的影響使支撐動剛度降低，軸振不變的情況下仍可能使瓦振增大，具體表現(xiàn)為軸振、瓦振增大不成比例。
5、瓦振與軸振比值偏大原因分析：支撐動剛度由結(jié)構(gòu)剛度、連接剛度2個要素組成。從TDM歷史數(shù)據(jù)及現(xiàn)場軸承座振動特性測試結(jié)果來看，存在支撐動剛度不足的問題。
?。?）軸承座外部特性現(xiàn)場實測結(jié)果：沿軸向方向，從聯(lián)軸器端到轉(zhuǎn)子端(也即從外端到內(nèi)端)，5－8號軸承座中分面垂直振動逐漸增大，內(nèi)端比外端振動高出20μm左右。存在一定的差別振動，表明存在受力不均的現(xiàn)象，導(dǎo)致連接剛度變差。
?。?）從TDM記錄的超速試驗過程瓦振Bode圖上發(fā)現(xiàn)，5－8瓦軸振在3000r/min～3360r/min范圍內(nèi)均出現(xiàn)共振峰，瓦振則存在至少1個共振峰，也就是說5－8瓦軸承座在工作轉(zhuǎn)速下存在一定程度的共振，導(dǎo)致瓦振對激振力的變化比較敏感，出現(xiàn)了“軸振小、瓦振大”的現(xiàn)象。由于軸承座臨界轉(zhuǎn)速只是稍大于工作轉(zhuǎn)速，在負荷增加的影響下，軸承座結(jié)構(gòu)剛度會有一定程度的降低，導(dǎo)致軸承座臨界轉(zhuǎn)速更加接近工作轉(zhuǎn)速，對激振力的變化(也就是軸振的變化)更加敏感。從560MW與定速3000r/min時刻瓦振與軸振比值的對比情況，可以得到驗證。
6、真空嚴密性試驗過程中，真空度降低3kPa，6瓦瓦振降低20μm。6瓦軸承為坐缸式軸承，直接坐落在排汽缸上，表現(xiàn)出對真空非常敏感，也側(cè)面印證了6瓦動剛度不足的判斷。電廠技術(shù)人員反映，6號軸承箱曾因安裝困難采取過切削處理，此舉會降低軸承箱的剛度和強度，基本可以證實對6號軸承箱存在動剛度不足的判斷。
四、防范措施
根據(jù)變參數(shù)運行試驗及振動分析，認為2號機組振動異常現(xiàn)象是結(jié)構(gòu)動剛度不足和熱不平衡綜合引起的，并有如下建議：
1、由于發(fā)電機振動與勵磁電流大小表現(xiàn)出正相關(guān)性，可能的原因包括匝間短路、轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均、冷卻系統(tǒng)不對稱引發(fā)的冷卻不均等。因發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路對設(shè)備安全性的影響遠高于其他引起轉(zhuǎn)子熱不平衡的原因影響，建議首先請發(fā)電機廠家及發(fā)電機專家確診是否存在匝間短路故障，并評估對機組安全性的影響。如無匝間短路情況且其他引起熱不平衡的原因難以消除，再考慮其他手段抵消或者補償一部分熱不平衡量。
2、利用合適的機會，對5－8瓦動剛度不足的原因進行排查：檢查軸承緊力、間隙、瓦枕墊塊接觸狀況；臺板與汽缸以及臺板與軸承座之間接觸情況。尤其是6瓦，Z好能翻瓦檢查，并查看軸振探頭是否正常。
3、對于5-8瓦軸承座工作狀態(tài)下共振的問題，主要有2條解決途徑：一是提高動剛度避開共振，也是解決此問題的根本方法，但現(xiàn)場操作起來通常都比較困難；二是降低激振力。即使運行中出現(xiàn)共振，在確保連接剛度無異常后，通過精細動平衡，減小轉(zhuǎn)子上的激振力，也可以取得比較好的減振效果。
1、6Y軸振經(jīng)常出現(xiàn)間歇性大幅跳變，主要是10Hz以下低頻振動，且信號輸出時好時壞，信號真實性還有待證實。
2、振動表現(xiàn)異常的5－8瓦，以工頻為主，從性質(zhì)上來說，屬于普通強迫振動。從機理上來看，振動與2個因素有關(guān)，一是激振力(軸振大小可反映來自轉(zhuǎn)子上的激振力的大小)，二是動剛度；與激振力成正比，與動剛度成反比。引起機組振動大故障的原因總的來說只有2個，一是激振力過大，二是動剛度不足。
3、軸振隨負荷升高而增大，是激振力增大引起的。升負荷過程中，6－8瓦軸振增大，主要是工頻分量的增大，表明轉(zhuǎn)子上的不平衡量增加了。不平衡量包括2個部分，一是原始質(zhì)量不平衡，二是熱不平衡量。熱不平衡來源，Z常見的原因是碰摩和局部受熱不均使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生臨時熱彎曲；由于碰摩與無功無關(guān)，考慮到發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的特殊性，要注意匝間短路和冷卻系統(tǒng)局部堵塞等問題。
4、瓦振隨負荷升高而增大，與2個因素有關(guān)：一是軸振增大導(dǎo)致瓦振增大；二是熱負荷的影響使支撐動剛度降低，軸振不變的情況下仍可能使瓦振增大，具體表現(xiàn)為軸振、瓦振增大不成比例。
5、瓦振與軸振比值偏大原因分析：支撐動剛度由結(jié)構(gòu)剛度、連接剛度2個要素組成。從TDM歷史數(shù)據(jù)及現(xiàn)場軸承座振動特性測試結(jié)果來看，存在支撐動剛度不足的問題。
?。?）軸承座外部特性現(xiàn)場實測結(jié)果：沿軸向方向，從聯(lián)軸器端到轉(zhuǎn)子端(也即從外端到內(nèi)端)，5－8號軸承座中分面垂直振動逐漸增大，內(nèi)端比外端振動高出20μm左右。存在一定的差別振動，表明存在受力不均的現(xiàn)象，導(dǎo)致連接剛度變差。
?。?）從TDM記錄的超速試驗過程瓦振Bode圖上發(fā)現(xiàn)，5－8瓦軸振在3000r/min～3360r/min范圍內(nèi)均出現(xiàn)共振峰，瓦振則存在至少1個共振峰，也就是說5－8瓦軸承座在工作轉(zhuǎn)速下存在一定程度的共振，導(dǎo)致瓦振對激振力的變化比較敏感，出現(xiàn)了“軸振小、瓦振大”的現(xiàn)象。由于軸承座臨界轉(zhuǎn)速只是稍大于工作轉(zhuǎn)速，在負荷增加的影響下，軸承座結(jié)構(gòu)剛度會有一定程度的降低，導(dǎo)致軸承座臨界轉(zhuǎn)速更加接近工作轉(zhuǎn)速，對激振力的變化(也就是軸振的變化)更加敏感。從560MW與定速3000r/min時刻瓦振與軸振比值的對比情況，可以得到驗證。
6、真空嚴密性試驗過程中，真空度降低3kPa，6瓦瓦振降低20μm。6瓦軸承為坐缸式軸承，直接坐落在排汽缸上，表現(xiàn)出對真空非常敏感，也側(cè)面印證了6瓦動剛度不足的判斷。電廠技術(shù)人員反映，6號軸承箱曾因安裝困難采取過切削處理，此舉會降低軸承箱的剛度和強度，基本可以證實對6號軸承箱存在動剛度不足的判斷。
四、防范措施
根據(jù)變參數(shù)運行試驗及振動分析，認為2號機組振動異常現(xiàn)象是結(jié)構(gòu)動剛度不足和熱不平衡綜合引起的，并有如下建議：
1、由于發(fā)電機振動與勵磁電流大小表現(xiàn)出正相關(guān)性，可能的原因包括匝間短路、轉(zhuǎn)子材質(zhì)不均、冷卻系統(tǒng)不對稱引發(fā)的冷卻不均等。因發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組匝間短路對設(shè)備安全性的影響遠高于其他引起轉(zhuǎn)子熱不平衡的原因影響，建議首先請發(fā)電機廠家及發(fā)電機專家確診是否存在匝間短路故障，并評估對機組安全性的影響。如無匝間短路情況且其他引起熱不平衡的原因難以消除，再考慮其他手段抵消或者補償一部分熱不平衡量。
2、利用合適的機會，對5－8瓦動剛度不足的原因進行排查：檢查軸承緊力、間隙、瓦枕墊塊接觸狀況；臺板與汽缸以及臺板與軸承座之間接觸情況。尤其是6瓦，Z好能翻瓦檢查，并查看軸振探頭是否正常。
3、對于5-8瓦軸承座工作狀態(tài)下共振的問題，主要有2條解決途徑：一是提高動剛度避開共振，也是解決此問題的根本方法，但現(xiàn)場操作起來通常都比較困難；二是降低激振力。即使運行中出現(xiàn)共振，在確保連接剛度無異常后，通過精細動平衡，減小轉(zhuǎn)子上的激振力，也可以取得比較好的減振效果。
（來源：靖煤集團白銀熱電有限公司）
