650MW汽轮发电机组轴承异常分析与处理

李松伟

（国家能源费县发电有限公司，山东 临沂 273400）

0 前言

国家能源费县发电有限公司#1、#2机组系上海电气集团生产的650MW超临界汽轮发电机组。在#1、#2机组的正常运行过程中，存在高中压转子振动波动剧烈、励磁小轴振动偏大的问题。现场通过轴承调整、现场动平衡试验，有效消除了异常振动故障，使机组轴系振动均处于优良水平运行。

1 机组简介

该文中机组系上海汽轮机有限公司生产的N650-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、凝汽式汽轮机，发电机为西门子西屋公司和上海汽轮发电机有限公司联合制造的THDF 118/56型三相交流隐极式同步汽轮发电机，采用水氢氢冷却方式，励磁方式采用机端变静止励磁。

汽轮发电机组轴系由高中压转子、低压1转子、低压2转子、发电机转子、励磁小轴以及9个支持轴承组成。汽轮机转子和发电机转子均采用双支撑结构，励磁小轴端部有一个稳定轴承。

机组的轴系结构示意如图1所示。

图1 轴系结构简图

2 测试系统

机组配备了菲利浦MMS-6000型汽轮机安全保护系统（TSI），监测各轴承、方向相对轴振动及轴承座振动。现场振动测试时，从TSI系统的缓冲输出端子（BUF）将轴振动信号及键相信号接入西安热工研究院有限公司开发研制的 “NTP3000”型振动数据采集仪（编号：VDAS8-02-011），即可实现振动峰峰值的实时采集、频谱分析及存储。

3 1号机组轴承异常诊断和治理

1号机组轴系振动故障主要表现在两方面，一是高中压转子振动波动；二是励磁小轴振动偏大，其中9X轴振超过110µm。

3.1 高中压转子振动波动问题

1号机组高中压转子振动波动十分剧烈，查询历史数据也发现2号轴振在大负荷工况下常常波动至130µm。

为此，2020年04月03日~04日进行振动测试，尽管最大负荷仅在500MW附近，但高中压转子仍会波动到120µm，爬升幅度超过60µm。

考虑到1号机组高中压转子振动波动主要以半频振动为主，且与负荷或高调门开度关联十分明显，据此分析振动原因为高中压转子的汽流激振。

对汽轮机来说，其汽流激振力主要包括以下三方面。1）密封激振力：由于转子在汽缸中存在偏心，使汽封腔室中的蒸汽由于周向流动而产生不同的周向压力分布（即在圆周方向上，蒸汽在汽封间隙小处压力大、在汽封间隙大处压力小），进而合成了密封激振力，促使转子产生自激振动。2）叶顶间隙激振力：当转子处在汽缸的偏心位置时，其圆周方向的叶顶间隙不同，使工质在不同位置处的间隙泄漏量也不同，即在圆周方向上，蒸汽在叶顶间隙大处，泄漏大，对该处叶轮的圆周切向推力小，做功也小；反之，蒸汽在叶顶间隙小处，泄漏小，对该处叶轮的圆周切向推力大，做功也大。这就引发了转子叶轮所承受的圆周切向力不对称，形成了一个作用于叶轮中心的横向合力，促使转子产生自激振动。3）不平衡汽流力：高、中压缸非均匀进汽时，使高、中压转子承受着较大的不平衡汽流力，这一方面其可影响轴颈在轴承中的位置，改变了支承轴承的载荷，使轴承的动力学特性发生了变化而引发振动失稳；另一方面使转子在汽缸中的径向位置发生变化，引起通流部分间隙的变化，进而影响密封激振力和叶顶间隙激振力。

针对1号机组的高中压转子汽流激振故障，检修中主要通过调整通流间隙、 提高轴承稳定性等手段对其进行控制，考虑到机组实际，决定对轴承的安装间隙、紧力进行调整，从而提高轴承的稳定性。1）把1、2号轴承间隙按照汽轮机轴承安装标准值（0.51mm~0.59mm）的下限进行安装；2）把1、2号轴承瓦盖紧力按照汽轮机轴承安装标准值（0.02mm~0.08mm）的上限进行安装。3）修复瓦块支点的柱销接触状况，并增大了瓦块与油档卡槽间隙。

2020年06月10日，1号机组检修后再次启动、并网，发现高中压转子振动十分平稳，汽流激振故障消失。

3.2 励磁小轴振动偏大问题

在1号机组的正常运行过程中，励磁小轴振动偏大，其中9X轴振超过110µm。分析振动原因为该型机组发励对轮的下张口标准不适应实际轴系安装状况，现场一般需要采用更大的下张口，来增大9号轴承载荷。

随后，在检修中对9号轴承标高进行调整后，大幅降低了励磁小轴振动，9X和9Y轴振分别降至40µm和25µm。

4 二号机组轴承异常诊断和治理

4.1 高中压转子振动波动问题

2020年1月18 日，2号机组调停检修，并于2020年3月21日并网，3月22日进行了单阀切至顺序阀，在切换过程中，1号和2号轴承振动均偏高，其中1X和2X轴振最大均达到140μm，在当日17：05，1号和2号高调门全开，3号高调门全关，4号高调门开度在3.5%~24%时，#1X轴振最大波动超过150μm，2X轴振最大波动达195μm。

基于以上振动特征，分析2号机组高中压转子振动原因为汽流激振引发了1号和2号轴振的大幅波动，主要表现为基频振动波动，但相比于2号轴振，1号轴振还有更丰富的高频振动成分。

汽流激振力主要包括密封激振力、叶顶间隙激振力和不平衡汽流力，考虑到2号机组高中压转子主要是基频成分在大幅波动，这说明油膜刚度变化明显，因此该机组主要是不平衡汽流力引发的汽流激振。

针对2号机组高中压转子振动故障，先后进行了如下振动处理。二号机组高中压转子加重示意如图2所示。1）通过加装平衡块的方式，抵消部分不平衡汽流力，具体方案为在高中压转子两端各加重260g，即以键相槽的前沿作为基准，逆转子转向旋转116°作为中心线，在高中压转子1号轴承侧的末级叶轮上加重260g；然后，逆转子转向旋转296°（或顺转64°）作为中心线，在高中压转子2号轴承侧的末级叶轮上加重260g。2）提高轴承稳定性，把1号和2号轴承顶部间隙按汽轮机轴承安装标准值（0.51mm~0.59mm）的下限调整、瓦盖紧力按轮机轴承安装标准值（0.02mm~0.08mm）的上限调整。

图2 二号机组高中压转子加重示意

2020年11月06日，2号机组检修后再次启动、并网，发现高中压转子振动十分平稳，汽流激振故障消失。

5 振动评价

5.1 稳态振动及评价

汽轮发电机组相对轴振的现行国家标准（GB/T11348.2-2012）规定，在每个轴承处测得的最大轴振数据，参照表1对汽轮发电机组进行轴振评价。

表1 各区域相对轴振位移界限值

汽轮发电机组瓦振的现行国家标准（GB/T6075.2-2012）规定，在每个轴承处测得的最大瓦振数据，参照表2对汽轮发电机组进行瓦振评价。

表2 各区域瓦振速度界限值

图3、图4分别给出了1号和2号机组轴系振动数据，2台汽轮发电机组轴系各相对轴振均在70μm以内、各瓦振均在25μm以内，按照现行国标规定（GB/T 11348.2-2012、GB/T 6075.2-2012），1号和2号机组轴系振动均处于振动A区运行（即通常所说的优良水平）。

图3 在420MW工况下，1号机组轴系振动数据

图4 在500MW工况下，2号机组轴系振动数据

5.2 瞬态振动及其评价

按照汽轮机发电机组径向振动国家标准GB/T 11348.2-2012，其4.2.4.3节规定，在1号机组在启停机过程中，高中压转子过临界转速区域的最大轴振不超过50µm；低压1转子过临界转速区域的最大轴振不超过40µm；低压2转子过临界转速区域的最大轴振不超过50µm；发电机转子过临界转速区域的最大轴振不超过80µm。2号机组在启停机过程中，高中压转子过临界转速区域的最大轴振不超过80µm；低压1转子过临界转速区域的最大轴振不超过50µm；低压2转子过临界转速区域的最大轴振不超过50µm；发电机转子过临界转速区域的最大轴振不超过60µm。综上所述，1、2号机组轴系各测点过临界转速区域的振动均十分平稳，处于现行国标（GB/T 11348.2-2012、GB/T 6075.2-2012）规定的合格水平。

6 结语

1、2号机组因汽流激振，引发了高中压转子振动的大幅波动；1号机组因9号轴承载荷轻，引发了励磁小轴振动偏大；2号机组因轴承自位不佳引发的偏载，导致了2号瓦温超标。通过轴承安装调整、现场动平衡试验，有效消除了1号和2号汽轮发电机组轴承异常振动和瓦温问题。目前，1、2号机组轴系振动均处于A区运行（即通常所说的优良水平）。