某9F燃机冷态启动振动异常的处理

陈 杰，赵卫正

（浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310003）

某9F燃机冷态启动振动异常的处理

陈 杰，赵卫正

（浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310003）

某PG9351FA型燃气轮机在高负荷下1Y轴振大，在处理过程中发现机组冷态启动定速3 000 r/min后1Y轴振幅值增大至178 μm后锐减又增大及相位角连续变化接近360°的振动异常现象。分析该机组的转子结构特征与启动过程的转子温度分布可以解释异常振动现象产生的原因，通过2次现场动平衡校正，减小了高负荷下机组1Y轴振的幅值。

燃气轮机；振动异常；拉杆转子

某发电厂11号机组是由美国通用电气生产的S109FA联合循环发电机组。该机组投产一段时间后，轴振1Y显著增大。轴振1Y通频值稳定在122 μm，接近机组报警值，以下介绍减振处理情况。

1 第一阶段振动处理

1.1 振动情况及特点

该机组为单轴布置，轴系配置形式为燃气轮机（简称燃机）-汽轮机-发电机，转子总长度为42.1 m，共4段：燃机转子、汽轮机高中压转子、汽轮机低压转子和发电机转子，每段转子均由2个轴承支撑，共8道支撑轴承，机组轴系布置示意图如图1所示。其中1—5号轴承为可倾瓦型支撑轴承，6—8号轴承为椭圆型支撑轴承。推力轴承安装在压气机端1号轴承座内，机组绝对死点位于压气机进气端、汽轮机高压缸排汽端和汽轮机低压缸垂直中分面出。转子相对死点位于1号轴承推力瓦处。

2015年1月15日机组冷态启动，除1号轴振外，其余各瓦轴振均在70 μm以下。定速3 000 r/min后，1号轴振继续爬升，轴振回落后机组带负荷，380 MW负荷下1X轴振：通频为106 μm，一倍频为102 μm，相位75°，1Y轴振：通频为123 μm，一倍频119 μm，相位351°。

图1 轴系布置示意

1.2 振动分析与处理

从现场采集的振动数据可以看到，机组冷态启动至带负荷过程中，1号轴承振动大，且1X和1Y轴振均以一倍频为主。在机组带高负荷后，振动幅值和相位基本保持稳定，可判断该振动为普通强迫振动，转子可能存在不平衡[1]。对转子进行现场动平衡，依据转子在工作转速下呈二阶振型的经验，取滞后角50°。由于现场条件限制，无法在压气机侧加重，确定加重方案为在透平侧加重：P2=300 g∠80°。

第一阶段加重后，机组于2015年5月3日冷态启动。机组带负荷时各瓦的轴振数据如表1所示。

表1 动平衡前后1—7号轴振数据

对比加重前后1号瓦轴振，1X与1Y轴振通频幅值和一倍频幅值均有小幅增大，第一次现场动平衡效果不佳。机组定速3 000 r/min后，1Y轴振的幅值变化曲线如图2所示。从1Y轴振变化曲线可以看到，机组定速3 000 r/min后，1Y振动继续爬升，通频/一倍频幅值最大达178 μm/ 175 μm；1Y轴振达到峰值后开始减小，在1Y振动幅值为99 μm/90 μm时，机组并网带负荷；此后1Y振动幅值继续减小，至14 μm/6 μm后振动幅值开始回升，振动幅值在144 μm/137 μm附近保持稳定。

图2 第一次加重冷态启动定速3 000 r/min后1Y轴振变化曲线

此外，轴振1Y的相位角在定速3 000 r/min后，由刚定速时的339°单调增加，增大至360°（即0°）后，继续增大，在机组定速3 h后，1Y相位增大至330°左右，且基本保持稳定。

此后几次温态启动，机组在高负荷下各瓦的轴振幅值、相位角与本次冷态启动高负荷下的振动数据一致，说明转子在高负荷下仍存在不平衡[5]。比较此次动平衡前后机组带负荷时1Y轴振的振幅及相位角，确定第一次加重的滞后角选取及工作转速与二阶临界转速的高低判断有误，需进行第二次动平衡。

2 第二阶段振动处理

2.1 动平衡分析及加重方案

第一次加重后冷态启动1Y轴振相位角出现接近360°变化的原因分析如下：9F燃机采用的转子为拉杆转子，这种转子通过沿周向均匀布置的拉杆螺栓利用预紧力作用将叶轮、轴头联成一体组合而成[3]，因此与传统的汽轮机转子在结构上存在差异。当燃机冷态启动时，压气机端温度接近环境温度，而透平端温度达到540℃左右，两者存在较大的温度差。靠近透平端的轮盘温度上升速率大于远离透平端的轮盘温度上升速率，这将导致各轮盘的膨胀量不一致，轮盘间产生相对位移，存在发生转子局部弯曲的可能。随着时间的推移，拉杆转子膨胀状态不断变化，使转子局部弯曲的方向及大小逐步改变。当整个转子的温度分布不再随时间变化时，转子达到完全膨胀状态，机组的振动将保持稳定。此时，机组的振动与热负荷无关，振动幅值及相位角不变，主要由质量不平衡量引起。

利用第一次动平衡前后的数据计算P2的影响系数，由此得到第二次动平衡方案：透平侧加重P2′=600 g∠320°，第一次加的平衡块不再取下。

2.2 第二次动平衡后冷态启动

利用机组调停机会，安装新平衡块。2015年6月17日，机组冷态启动。机组在341 MW负荷下各瓦的轴振数据如表1所示。与第一阶段动平衡后冷态启动的振动数据相比，1X与1Y轴振通频幅值/一倍频幅值均大幅减小，达到优秀水平。

机组定速3 000 r/min后，1Y轴振的幅值变化曲线见图3。可以看到1Y轴振通频幅值与一倍频幅值的变化趋势与第一次动平衡后冷态启动的变化趋势相同，但峰值从178 μm/175 μm减小至164 μm/157 μm。机组在高负荷下振动稳定，1Y轴振通频幅值/一倍频幅值为41 μm/38 μm。

图3 第二次加重冷态启动定速3 000 r/min后1Y轴振变化曲线

第二次加重后冷态启动，轴振1Y相位角的变化趋势与第一次加重后启动时一致。定速3 000 r/min时，轴振1Y的相位角为336°，之后缓慢增大，越过360°后继续增大至300°，并在300°保持稳定。

3 结语

GE公司9F级燃气轮机采用拉杆转子结构，工作转速下的机械滞后角与常见汽轮机转子的机械滞后角相差较大，如采用后者作为动平衡计算依据，加重效果不佳，甚至对降低振动幅值无益。针对特定机组，可采用试加重的方法确定加重大小及加重角度。

机组冷态启动定速3 000 r/min后，1号瓦轴振仍继续爬升，相位角连续变化接近360°，其原因为拉杆转子各轮盘的温升率不等，导致膨胀不均，产生局部弯曲。当转子温度场不随时间变化后，机组振动将不再受热负荷影响，此时振动主要由质量不平衡引起，仍可通过动平衡手段降低轴振幅值。

同型号机组普遍存在冷态启动时1号瓦轴振幅值偏大的情况。运行人员为防止轴振高引发跳机，通常在机组定速、1号瓦轴振幅值上升趋势结束后再进行并网操作，且升负荷速率较慢。由以上分析可知，对由拉杆转子结构及膨胀不均引起1号瓦轴振高的9F机组，可采用定速3 000 r/min后快速并网带负荷，以增加转子热负荷，使转子温度快速均匀的方法，促使1号瓦轴振在短时间内趋于稳定，机组快速带负荷也提高了机组运行经济性。

[1]张学延.汽轮发电机组振动诊断[M].北京：中国电力出版社，2008.

[2]寇胜利.汽轮发电机组的振动及现场平衡[M].北京：中国电力出版社，2007.

[3]章圣聪，王艾伦.盘式拉杆转子的振动特性研究[J].振动与冲击，2009，28（4）∶117-120.

（本文编辑：陆 莹）

Treatment on Abnormal Vibration of a 9F Gas Turbine in Cold-state Startup

CHEN Jie，ZHAO Weizheng
（Zhejiang Zheneng Technology Research Institute Co.，Ltd.，Hangzhou 310003，China）

In high load of PG9351FA gas turbine there is large 1Y shaft vibration.It is detected during treatment that in constant speed of 3 000 r/min of cold-state startup 1Y shaft vibration increases to 178 μm and then decreases sharply and decreases afterwards；besides，the phase angle constantly changes by almost 360 degrees.The paper explains the reasons of abnormal vibration in terms of rotor structure characteristics and its temperature distribution during startup.Through two filed dynamic balance calibration，amplitude value of 1Y shaft vibration in high load is reduced.

gas turbine；abnormal vibration；rod fastening rotor

TK477

B

1007-1881（2015）11-0097-03

2015-09-17

陈 杰（1986），男，从事汽轮发电机组振动处理工作。