300MW汽轮发电机组的振动分析与处理

杨新华 ，张丽娟,，陈冬冬，王宝玉

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，兰州 730050； 2.山西昆明烟草有限责任公司，太原 030012； 3.甘肃电力科学研究院，兰州 730050）

前言

甘肃某电厂3号机组工程设备采用哈尔滨汽轮机厂生产的N300-16.7/538/538型亚临界、一次中间再热、单轴、双缸、双排汽、凝汽式汽轮机及其辅助设备，配以哈尔滨电机厂生产的QFSN-300-2型发电机，采用静止励磁系统。每个转子跨度使用两个轴承，#1～#3轴承为可倾瓦，#4轴承为短圆瓦，#5～#6轴承为椭圆瓦。机组轴系设计临界转速高压转子为1530r/min，低压转子为1500r/min，发电机转子为1000r/min。

该机组于2008年5月10日首次冲转，5月14日并网发电，6月8日结束168试运。机组在起动及带负荷运行过程中出现了振动异常现象。针对上述情况，在机组起动、升速、定速、超速、并网带负荷等各种工况下，对振动信号进行实时监测和记录，找出了产生振动异常的原因，采取了相应的消振措施，使机组的振动达到优良标准。

1 振动测点布置、监测内容

振动监测分两部分：一是轴振动信号，这是目前大型发电机组主要监测信号，也是大机组振动的主要评判标准信号；二是轴承座的振动信号。本机组主要以轴振动信号为监测重点，轴承座振动只是在轴振动出现振动故障时做参考分析数据。轴振动信号测量，采用美国本特利的108数据采集器，直接从3500系统的输出端接出轴振动的输出信号，用数据分析软件，对数据进行各种分析和处理。

测量布置如图1所示。

图1 测量布置示意图

2 振动监测情况

2.1 首次起动后机组振动异常

机组首次冲转，转速升至460 r/min时，#5轴承振动达102μm，打闸检查后继续升速，当转速达到1000 r/min后，振动值迅速爬升，在1151 r/min时，#5轴承X向、Y向振动值分别达到 157μm、155μm；转速接近1200r/min时，随时间的增加，振动值由175μm 、173μm 升至 193μm、191μm；降速过程中，在转速为1021 r/min时，其值达到237μm、240μm，而实测的发电机轴系的临界转速为1000 r/min。

2.1.1 振动原因分析及处理

从以上数据分析，#5轴承振动有如下特点：

（1）升速过程中，随着转速的升高，振动的增长率较快；降速过程中，降至一阶临界转速时振动值很大。

（2）保持一定转速不变，随时间的延长，振动虽波动不大但却逐渐增大。

（3）#5轴承X向、Y向振动幅值差别很小。

（4）转子产生了热弯曲。

根据振动特征和相关参数综合分析，振动的主要原因是转子在一阶临界转速下发生转轴碰磨，导致转子产生热弯曲，使振动显著增加。于是决定揭缸消除碰磨源，此后经试验验证转子并未发生永久性弯曲，可以重新开机。

2.2 低压转子初次动平衡

#5轴承振动故障消除后重新开机，由于#3和#4轴承振动过大造成前4次冲转均未达到3000 r/min。其中，第4次冲转时#3、 #4轴承升速波得图见图2。

根据几次起动过程中采集的升降速数据分析，在2700 r/min以后，#3轴承X向、#4轴承X向振动相位相差较大（相位差接近140°），振动的分量主要是工频，振动幅值和相位重复性好，充分表明低压转子存在一个二阶不平衡分量，可通过动平衡降低振动幅值。首次平衡时的转速为2820 r/min，在低压转子两侧平衡面各加一个螺栓，即#3轴承：458g/340°；#4轴承：458g/160°。加重后起机，通过数据对比发现加重效果显著，振动幅值降幅都在60μm以上，其中#3轴承X向和#4轴承座振动降幅都在80μm，相位角也变化较大。在转速升至2888 r/min时，由于#4轴承座振动达198μm，手动打闸停机。

通过对加重后数据分析，用谐分量法计算表明二阶不平衡分量很大，上次加重的位置是正确的，只是加重量不够。决定在保留原加重的基础上进行第二次加重。加重后再次起机，振动幅值进一步降低，#4轴承座振动由 110μm 降至 51μm，机组顺利升速至3000r/min。

图2 第四次冲转#3、#4轴承升速波得图

2.3 中压转子动平衡

对低压转子实施两次动平衡后，机组转速升至3000 r/min，稳定运行半小时后，由于#1、#2轴承振动较大（见表1）停机。

从数据看，振动的分量主要是工频，1X和2X的相位差为 183°，振动幅值和相位稳定，说明高中压转子也存在较大的二阶不平衡分量。通过在#1、#2轴承加一个反对称立偶来降低振动幅值。平衡转速为3000 r/min，加重位置和重量为：#1：294g/330° ；#2：295g/150°。从2925 r/min数据看，加重取得明显效果，#1X和#2X的降幅达103μm、92μm。

表1 定速3000 r/min时各轴承振动数据表

2.4 #3、#4轴承振动探头故障分析

当转速再次升至3000 r/min后振动数据极不稳定，在11s内#4X振幅值从170μm上升至306μm；#3X在转速接近3000 r/min时，振动有明显峰值。根据制造厂提供的数据，该区域为非临界区，振动的分量主要是工频。从几次冲转的瀑布图分析，#3轴X向支架涡流探头的固有频率为50.2Hz，与工作转速重合，说明其值不是转子的真实振动值，而是由于支架共振造成的。停机后，对#3、#4轴承的涡流探头X向和Y向重新安装且互换，以后的运行中这一故障消除。

2.5 低压转子二次动平衡

由表 1可以看出，在 3000r/min定速运行时，#4轴承振动值仍较大，#3X、#4X振动相位相差 43°，基本同相，是一阶振型。因此分别对#3、#4轴承加重，用最小二乘法进行数据处理，求出影响系数，进一步降低振动幅值。结合第三次高中压转子动平衡的数据，第四次加重的平衡转速为2925r/min，加重位置和重量为：#3轴承：455g/140°。由振动数据看，#3轴承加重使#2轴承X向相位角变化了90°，幅值变化不大，并使#3、#4轴承Y向的幅值增加不到30μm，角度基本无变化，说明在#3轴承加重影响系数小。

拆掉#3轴承加重后，对#4轴承进行加重，平衡转速为2920 r/min，加重重量和位置为455g/140°。加重后起机，机组转速升至3000 r/min，在排除了#3轴承X向振动支架共振的影响因素后，定速运行数据稳定，相位角变化不大，幅值下降，其中#4轴承 Y向降了52μm。

并网带负荷后，#4轴承X向、#3轴承Y向振动幅值上升较大，空载时#3、#4轴承X向的选频量分别为：22μm/250°、119/315°，它们幅值相差较大，相位角相差不大，说明激振力主要在#4轴承侧，为一阶不平衡分量，需再次通过在#4轴承加平衡重量来减小振幅值。利用第四次加重数据，求出3000r/min时影响系数，计算应在#4轴承加重 906g/185°，考虑到 185°位置上已有平衡块，实际加重位置为：910g/150°。加重后起机，空载和带负荷时振动幅值都有下降，其中#3轴承Y向在3000 r/min时由96μm降到46μm；带100MW负荷时，#4轴承X向、#3轴承Y向的通频值分别为128μm、74μm；本次动平衡取得成效，但#4轴承振动仍偏大。

通过对动平衡数据分析，在#4轴承加重时对#1、#2轴承振动影响不大，#3、#4轴承的相位角变化不大，只是幅值下降，表明低压转子残余不平衡量很大，加重量不够，在#4轴承的加重对本身的影响较小。因为在#4轴承已加重 1833g，考虑到机组轴系安全，及临界转速1500 r/min和工作转速3000 r/min，经综合计算和制造厂同意，利用消缺机会进行了最后一次加重，#4轴承加重位置和重量为 469.8g/127°。这次动平衡取得较好效果，6月4日数据为：#3轴承X向：85μm ，Y 向：83μm ；#4 轴承 X 向：78μm ，Y 向：72μm。至此，动平衡试验比较圆满完成。

表2 机组并网带负荷各轴瓦振动数据表通频：μm； 选频 ：μm/°

3 结论

（1）综合分析3号机组在起动及带负荷运行中测得的各种振动数据和波形，分析并确诊了产生振动异常的主要原因是转子动平衡精度较差，经过6次现场高速动平衡处理, 转子轴系振动大幅下降，各轴振值都在85μm以内，基本符合要求。

（2）随着我国机组制造和工艺水平的提高，大多数异常振动发生在工作转速，新机开机未升至 3000 r/min时出现异常振动的情况比较少。高中压和低压转子本身残余不平衡质量太大给现场动平衡增加了难度，需要一次次通过现场高速动平衡来提高转子的平衡精度，减小振动幅值。

（3）此次动平衡，尽可能在最短时间内处理好了机组的振动问题，确保了机组及时、安全投运；与此同时，也为了解机组振动的特性，积累了分析处理振动的经验，对于今后同类振动问题的解决具有一定的参考价值。

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