电厂MW汽轮机带负荷过程振动增大原因分析

某电厂660MW汽轮机带负荷过程振动增大原因【简述】某电厂2号机组为东方汽轮机厂生产的N660-25/600/600型超超临界压力、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、双背压、凝汽式汽轮机，配套东方电机股份有限公司制造的QFSN-660-2-22B型发电机。2015年8月，首次成功冲转，定速3000r/min时刻，轴振、瓦振良好，达到了国标对新装机组振动水平的。机组并网后，低压缸瓦振和发电机振动逐渐增大；机组负荷450MW时，5－8瓦瓦振超过60μm，7瓦轴振也超过110μm。振动专业技术人员协助电厂对2号汽机的振动异常情况进行分析和安全评估。【事故经过】从机组首次并网后的历史数据来看，2号机组的振动异常现象主要有以下几个特征：（1）首次定速3000r/min空载运行时，机组轴振、瓦振良好；带负荷后，低压缸B缸及发电机振动随负荷升高明显增大，其中以5－8瓦的瓦振及7Y轴振对负荷的变化最为敏感，负荷大于450MW时，5－8瓦的瓦振、7Y轴振就超过了报警值。（2）低压缸及发电机振动与负荷的跟随性具有可逆性，即随负荷升高而增大，负荷降低后，振动基本能恢复至原始水平。（3）初并网时刻，机组负荷33.6MW(无功27.4Mvar)，7瓦轴振/瓦振分别为33μm/13μm，8瓦轴振/瓦振分别为24μm/38μm；负荷增加至560MW时(期间调整了无功功率)，发电机振动达到峰值，7瓦轴振/瓦振分别为136μm/76μm，8瓦轴振/瓦振分别为86μm/92μm。（4）瓦振与轴振比值偏大，即瓦振大、轴振小的问题：主要现在5，6，8瓦上，目前普遍认为瓦振与轴振比值的正常范围为0.1～0.5；就2号机组来说，初定速3000r/min时，瓦振与轴振的比值不到1，而带负荷后6瓦比值超过2.5。（5）6Y轴振经常出现间歇性大幅跳变，在30μm～300μm范围内大幅波动。【事故原因】（1）6Y轴振经常出现间歇性大幅跳变，主要是10Hz以下低频振动，且信号输出时好时坏，信号真实性还有待证实。（2）振动表现异常的5－8瓦，以工频为主，从性质上来说，属于普通强迫振动。从机理上来看，振动与2个因素有关，一是激振力(轴振大小可反映来自转子上的激振力的大小)，二是动刚度；与激振力成正比，与动刚度成反比。引起机组振动大故障的原因总的来说只有2个，一是激振力过大，二是动刚度不足。（3）轴振随负荷升高而增大，是激振力增大引起的。升负荷过程中，6－8瓦轴振增大，主要是工频分量的增大，表明转子上的不平衡量增加了。不平衡量包括2个部分，一是原始质量不平衡，二是热不平衡量。热不平衡来源，最常见的原因是碰摩和局部受热不均使转子产生临时热弯曲；由于碰摩与无功无关，考虑到发电机转子结构的特殊性，要注意匝间短路和冷却系统局部堵塞等问题。（4）瓦振随负荷升高而增大，与2个因素有关：一是轴振增大导致瓦振增大；二是热负荷的影响使支撑动刚度降低，轴振不变的情况下仍可能使瓦振增大，具体表现为轴振、瓦振增大不成比例，如表1所示。（5）瓦振与轴振比值偏大原因分析：支撑动刚度由结构刚度、连接刚度2个要素组成。从TDM历史数据及现场轴承座振动特性测试结果来看，存在支撑动刚度不足的问题。1）轴承座外部特性现场实测结果：沿轴向方向，从联轴器端到转子端(也即从外端到内端)，5－8号轴承座中分面垂直振动逐渐增大，内端比外端振动高出20μm左右。存在一定的差别振动，表明存在受力不均的现象，导致连接刚度变差。2）从TDM的超速试验过程瓦振Bode图上发现，5－8瓦轴振在3000r/min～3360r/min范围内均出现共振峰，瓦振则存在至少1个共振峰，也就是说5－8瓦轴承座在工作转速下存在一定程度的共振，导致瓦振对激振力的变化比较敏感，出现了“轴振小、瓦振大”的现象。由于轴承座临界转速只是稍大于工作转速，在负荷增加的影响下，轴承座结构刚度会有一定程度的降低，导致轴承座临界转速更加接近工作转速，对激振力的变化(也就是轴振的变化)更加敏感。从560MW与定速3000r/min时刻瓦振与轴振比值的对比情况，可以得到验证。（6）真空严密性试验过程中，真空度降低3kPa，6瓦瓦振降低20μm。6瓦轴承为坐缸式轴承，直接坐落在排汽缸上，表现出对真空非常敏感，也侧面印证了6瓦动刚度不足的判断。电厂技术人员反映，6号轴承箱曾因安装困难采取过切削处理，此举会降低轴承箱的刚度和强度，基本可以证实对6号轴承箱存在动刚度不足的判断。【防范措施】根据变参数运行试验及振动分析，认为2号机组振动异常现象是结构动刚度不足和热不平衡综合引起的，并有如下建议：（1）由于发电机振动与励磁电流大小表现出正相关性，可能的原因包括匝间短路、转子材质不均、冷却系统不对称引发的冷却不均等。因发电机转子绕组匝间短路对设备安全性的影响远高于其他引起转子热不平衡的原因影响，建议首先请发电机厂家及发电机专家确诊是否存在匝间短路故障，并评估对机组安全性的影响。如无匝间短路情况且其他引起热不平衡的原因难以消除，再考虑其他手段抵消或者补偿一部分热不平衡量。（2）利用合适的机会，对5－8瓦动刚度不足的原因进行排查：检查轴承紧力、间隙、瓦枕垫块接触状况；台板与汽缸以及台板与轴承座之间接触情况。尤其是6瓦，最好能翻瓦检查，并查看轴振探头是否正常。（3）对于5-8瓦轴承座工作状态下共振的问题，主要有2条解决途径：一是提高动刚度避开共振，也是解决此问题的根本方法，但现场操作起来通常都比较困难；二是降低激振力。即使运行中出现共振，在确保连接刚度无异常后，通过精细动平衡，减小转子上的激振力，也可以取得比较好的减振效果。