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    • 上汽1000MW二次再热超超临界机组轴系振动问题研究

        摘    要:

        讨论了上汽1000MW二次再热超超临界机组的轴系结构特点及出现的振动问题,包括转子质量不平衡、动静摩擦、发电机热不平衡振动,总结分析了其振动故障特征,并对其进行原因分析,提出相应的处理措施,为其他该类型机组的振动故障诊断及处理提供参考。

        提高机组的循环效率,降低煤耗和污染物排放,是火力发电机组的重点研究内容。超超临界二次再热机组采用二次再热循环技术,在现有超超临界技术的水平上进一步降低煤耗,提高了机组经济性,取得了良好的经济效益和社会效益。目前国内投运的超超临界二次再热机组有华能安源电厂两台超超临界二次再热660 MW机组、国电泰州电厂两台超超临界二次再热1000 MW机组、华能莱芜电厂两台超超临界二次再热1000 MW机组、国电蚌埠电厂两台超超临界二次再热660 MW机组和国电宿迁电厂两台超超临界二次再热660 MW机组,其中部分机组运行中轴系振动未能达到优秀水平,甚至个别机组振动超标,影响机组的安全稳定运行。本文将以国电泰州电厂超超临界二次再热1000 MW机组为例,研究上汽1000 MW二次再热超超临界机组轴系振动问题,为该型机组的故障分析处理和设计优化提供指导。

        1 二次再热超超临界机组轴系结构特点

        国电泰州电厂二期工程#3、#4机组为超超临界二次再热1000MW机组。汽轮机为上海汽轮机有限公司制造的超超临界二次再热凝汽式、单轴、五缸四排汽汽轮机,型号为N1000-31/600/610/610。发电机由上海汽轮发电机有限公司设计制造,型号为THDF125/67,发电机冷却方式为水氢氢冷却。励磁机为上海汽轮发电机有限公司制造,主励磁机型号为ELR70/90-30/6-20N,副励磁机型号为ELP50/42 -30/16。汽轮机由六只落地式轴承支撑,发电机和励磁机为三支承,发电机由两只端盖轴承支撑,励磁机由一个落地式轴承支撑。

        该型机组轴系特点是除超高压转子为双支承结构外,汽轮机其余各转子均为单支承结构,即每个转子只有1个轴承支撑。汽缸不承受转子重量,变形小,容易保持动静间隙。超高压缸、高压缸和中压缸静子件由猫爪支撑在汽缸前后的轴承上,低压外缸座落在凝汽器上,不支撑在基础上,低压内缸通过前后猫爪支撑在前后轴承上,低压内外缸无支撑关系。这样的结构方式可以减少基础变形对轴承负载、弯矩和机组运行的影响。超高压缸、高压缸及中压缸第1级静叶均是斜置设计,进汽调门水平布置在汽缸两侧,切向进汽,理论上消除了喷嘴调节进汽可能产生的汽流激振源。

        2 机组振动问题分析及治理

        国电泰州电厂二期工程#3、#4机组调试阶段及投产后主要出现了转子质量不平衡、动静摩擦、发电机热不平衡等振动问题。

        2.1 质量不平衡

        该厂#3号机组整套启动以来,2/3号轴承相对轴振就偏大,2017年5月C修期间针对2/3号轴承轴振偏大问题,对2/3号轴承进行了翻瓦检查,未发现异常情况。5月11日启动后900 MW工况下,2和3号轴承相对轴振2X、2Y、3X和3Y分别达到了114μm、94μm、141μm和99μm。

        该机型轴系结构为西门子公司特有的N+1轴承支撑方式,轴系相邻各转子振动特性相互耦合,转子间相互影响较传统的转子双支承结构的机组显著增大,增大了现场轴系振动问题的故障诊断和处理的难度。现场轴系动平衡试验过程中,不平衡型式、不平衡位置的确定以及加重对相邻转子的影响都是需要重点考虑的问题。

        由表1可知:刚定速3000 r/min时2/3号轴承相对轴振2X、2Y、3X和3Y分别达到了120μm、96μm、124μm和75μm,主要以工频振动为主,定速后和带负荷过程中幅值和相位较为稳定,故可判定为普通强迫振动。瓦振均较小,可排除轴承支撑刚度不足和轴瓦松动故障,故判定为转子质量不平衡振动。超高压转子一阶临界在2080 r/min左右,临界转速下轴瓦振动较小,说明超高压转子一阶临界平衡良好;高压转子和中压转子一阶临界在1650 r/min左右,临界转速下轴瓦振动较小,说明高压转子和中压转子一阶临界平衡良好。由图2可知,2号和3号轴承相对轴振在2500 r/min以后随着转速上升而不断增大,而1/4轴承轴振无相关特性,且定速后1/4轴承振动较小,故可判定2和3轴承相对轴振偏大主要由高压转子初始质量不平衡偏大造成的。且由3000 r/min时2/3号轴承相对轴振相位以反相为主,可判断定速和带负荷过程中2/3号轴承轴振偏大是由于高压转子二阶不平衡量引起的。

        在高压转子调端加重1100克∠35°,高压转子电端加重1100克∠215°后反对称加重后轴系振动得到明显改善。

        2.2 动静摩擦

        运行过程中,转子与汽封、油挡等静止部件的间隙消失,导致动、静部件的接触,由此引起的振动称为摩擦振动。大型汽轮机转子、缸体的体积和质量较大,因而柔度较大。出于经济性的考虑,汽封间隙又控制得比较小,使得摩擦振动在这类机组上较为频繁地发生。

        摩擦故障会引起力冲击效应和热冲击效应,对于大型汽轮发电机组这类重达十几吨到几十吨的转子而言,摩擦力相对于转子质量较小,力冲击效应一般不明显,主要是热冲击效应引起转子振动变化。摩擦时会产生高温,重摩擦侧的温度高于轻摩擦侧,摩擦不均匀将会导致转子表面温度分布不均匀,引起转子热变形,这就是摩擦故障引起的热冲击效应。摩擦热冲击效应的直接后果就是转子热变形,因此其振动特征与转子不平衡很类似,振动信号的主频为工频分量。

        超超临界二次再热机组为保证机组热效率,通流间隙设计得较小,现场安装检修也可能存在偏差,这使得动静部件发生摩擦的可能性比较大。新机组启动调试和大修后开机时,经常会发生摩擦振动。国电泰州电厂#3机组首次启动定速后进行电气试验期间,#1、#2和#3振动均出现爬升现象,振动主要以工频为主,并且相位角有20°左右变化。由于该机组轴系振动只是缓慢上涨,振幅在一定范围内波动,现场判定该机组发生了连续的、轻微的摩擦故障。通过密切监视(包括幅值和相位)波动、严格控制振动不发散的方式让动静部件磨合一段时间后,动静间隙满足正常运行要求的水平,机组振动趋于稳定。

        #4机组在首次启动后定速3000 r/min进行其他相关试验时,轴系除了7号和8号轴承轴振外均较为稳定,7号轴承轴振趋势图见图3;8号轴承轴振也缓慢上涨,幅度较7号轴承轴振小。现场为保证机组安全,打闸停机,暖机4 h后再冲转,定速3000 r/min后,情况与第一次类似,振动缓慢上涨直至发散状态。

        定速3000 r/min后,7号和8号轴承轴振缓慢上涨,其中7X由135μm上涨至189μm,8X由109μm上涨至136μm;瓦振也有所反应,说明该振动变化是真实的;7号和8号轴承轴振和瓦振变化均以工频变化为主,幅值和相位均是缓慢变化,判定为不稳定的强迫振动。由于7号和8号轴承轴振和瓦振变化有一缓慢变化过程,故可排除联轴器不对中、部件飞脱和转子进冷汽(冷水)引起的转子质量不平衡变化。此时机组还未带负荷,可排除发电机带负荷和励磁电流的影响。结合降速过程同转速下振动明显大于升速过程的振动,判定机组发电机转子发生了动静摩擦,现场决定停机检查。检查发现7号轴承上油挡密封齿被严重磨损,现场对7号轴承处上油挡密封齿进行修刮,并将该油挡顶部间隙调整为 500μm。机组再次启动后,轴系振动良好且较为稳定。表明#4机组前两次冲转振动大是由于发电机转子在7号轴承处与油挡发生了摩擦,引起发电机热弯曲,进而导致发电机振动上涨。

        2.3 发电机热不平衡振动

        国电泰州电厂#4机组带负荷前#7、#9轴承相对轴振7X、7Y、9X和9Y分别为85μm、45μm、90μm和57μm,并网带负荷后,#7、#9轴承相对轴振逐渐增大,满负荷时7X、7Y、9X和9Y分别达到了128μm、69μm、152μm和167μm。#7、#9轴承相对轴振以工频振动变化为主,判定为不稳定的普通强迫振动。#7、#9轴承相对轴振随负荷变化明显,准确的说是与励磁电流相关性明显,励磁电流越大,振动越大,且存在一定滞后性,判定为发电机发了热弯曲,由于发电机质量比励磁机质量大很多,同时这种发电机与励磁机三支撑结构导致励磁机转子对不平衡响应较为敏感,故发电机热弯曲后9号轴承轴振变化明显。

        引起发电机热弯曲的主要原因有:①材质问题;②冷却系统故障;③转子线圈膨胀受阻;④匝间短路。以工频振动变化为主,说明机组带负荷后发电机转子和励磁机产生热不平衡。

        现场进行了变氢温试验。发现氢温变化后,7号和9号振动变化不明显,故可排除冷却不均匀的情况。机组静态过程、3000 r/min空载工况下均进行了交流阻抗试验,试验合格,故可排除匝间短路问题。由以上分析可推测该发电机转子可能存在材质不均和线圈膨胀受阻问题,进而引起发电机转子带负荷后发生受热不均匀,引起热弯曲振动。

        上汽超超临界机组发电机转子多台机组存在类似现象,如国电北仑电厂#6机组和国电谏壁电厂#14机组。主要由于发电机的超大型化设计使得转子更易出现材质不均匀及受热不均匀等缺陷,引发转子发生热弯曲。主要特征有:随负荷增大,发电机转子振动逐步爬升;当升至一定负荷运行时,发电机转子振动继续上涨,直至几个小时后稳定;振动波动以工频成分为主,各工况下振动重复性较好。现场出现热不平衡振动,如果返厂检修,处理工期厂且费用高,一般都通过现场热平衡进行振动处理。热平衡试验中,根据空载工况及各负荷工况下的振动情况,保证机组正常带负荷运行工况下的振动,同时也兼顾空载下的振动状况。

        泰州电厂#4机组带满负荷后振动稳定在一定值,且各负荷区域轴系振动相对稳定,最终综合考虑空载和带负荷工况的振动,通过在低发对轮及励磁机风扇处加重,改善了#7、#9轴承相对轴振,为机组的安全稳定运行提供了保障。

        3 结论

        (1) 目前尽管大型汽轮发电机组转子在出厂前均进行了高速动平衡,但由于现场支撑特性及转子两端约束不一样,引起轴系动力特性变化,现场安装启动后往往还需要进行现场动平衡试验,以改善轴系振动水平。

        (2) 超超临界二次再热机组动静间隙较小,容易发生动静摩擦。现场发生动静摩擦故障后,通常是密切监视轴系振动变化,通过控制振动,磨合动静间隙的方式来消除该类故障。如果摩擦程度较为严重,只能通过现场调整动静间隙来保证机组安全。

        (3) 大型机组发电机转子由于自身结构特点,易出现材质不均匀及受热不均匀等缺陷,引发转子发生热弯曲,当热不平衡量较小时,现场一般可以考虑通过热不平衡试验进行解决。

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