某1000MW发电机转子振动故障的诊断及治理

谢 江，吴华盛

(广东惠州平海发电厂有限公司，广东 惠州 516363)

0 引言

某电厂2 号机组系上海电气集团引进德国西门子公司技术生产的超超临界、1 000 MW 汽轮发电机组，汽轮机型号为N1000-26.25/600/600(TC4F)，配备THDF125/6 型、水/氢/氢冷却方式的发电机，采用机端自并励磁方式。

该机组于2011年4月投入商业运行。自试运行开始，就发现发电机的振动会随负荷的增长而快速攀升，至额定负荷工况下最大轴振超过200 μm，已接近或达到西门子公司规定的轴系振动停机值，因而急需采取相关措施保证机组安全运行。现根据机组振动特点，分析振动故障的原因，制定现场热态动平衡方案。

1 轴系简介和振动概况

机组轴系由高压(HP)转子、中压(IP)转子、低压(LP1，LP2)转子、发电机(GEN)转子、励端(EXC)小轴以及8 个支持轴承构成。除高压转子为双支撑外，中压转子和2 根低压转子是单支撑，发电机转子和励端小轴是3 支撑结构。机组轴系结构如图1 所示。

图1 机组轴系结构

2011年1月，2 号机组首次并网试运行期间，在定子出线盒内发生出线端三相短路故障。受三相短路故障影响，转子绕组出现接地故障，经制造厂处理后于2011-04-21 开始168 h 试运行。在试运行期间，7 号轴振就达到了振动报警值。在随后的运行中，7 号轴振又有一定的攀升。机组部分轴承的具体振动特征如下。

(1)定速、空载时，7，8 号轴承的最大轴振约为70 μm。随着负荷的增大，7，8 号轴振均有大幅攀升；至额定负荷工况下，7，8 号轴承最大轴振分别达200 μm 和130 μm。

(2)7，8 号轴振存在明显的热变量。在某一负荷工况稳定运行后，振动还会逐步攀升，直至几个小时后才恢复稳定；且振动还具有较好的重复性。

(3)与7，8 号轴振相似，6 号轴振也存在明显的热变量。但由于其在不同工况下的振动相位变化较大，使空载及各负荷工况下其振动幅值均处于较低的水平。

(4)6 ～8 号轴振及其振动波动成分均以基频分量为主。

2 振动原因分析

由振动特征可以看出：6～8 号轴振均存在较大热变量，且该振动热变量以基频成分为主，另外考虑到发电机接地故障前，8 号轴振良好，说明励端小轴本身平衡状况良好。因此，引起6～8 号轴振热变量大的主要原因可能为发电机转子本身的热弯曲或大负荷工况下发励对轮连接状况不良。

2.1 发电机转子热弯曲的原因分析

引起发电机转子热弯曲的原因有: 转子材质问题、冷却系统故障、转子线圈膨胀受阻和匝间短路。

2.1.1 转子材质问题

考虑到2 号发电机转子绕组曾出现接地故障，转子局部位置曾经历了短路引起的高温作用，有可能引起发电机转子的材质不均。

另外，根据转子出厂动平衡试验的结果(见表1)，2 号发电机转子受热后存在明显的热弯曲，其中测点D 的振幅变化量达到77 μm；如果计及振动相位的影响，其振动热变量将更大。这也反映了2 号发电机转子存在材质不均的状况。

表1 2 号发电机转子出厂动平衡试验数据(通频) μ m

2.1.2 冷却系统故障

对于氢内冷的发电机而言，通风孔是转子热交换的主要风路通道。如果发生通风孔变形、被杂物堵塞等引起通流面积减小的情况，将破坏转子冷却的对称性，使转子横截面的温度不对称，进而引起热弯曲。

该故障的最大特点是：随着氢温的升高，发电机转子的冷却效果变差，转子不对称冷却程度相对减小，最终使得振动减小。但从振动特征可判断：2 号发电机转子振动波动与氢温变化无关。

2.1.3 转子线圈膨胀受阻

发电机的磁场是由转子绕组的励磁电流建立的，励磁电流通过绕组并使线圈发热，线圈发热后向两端膨胀。在旋转过程中，线槽中的线圈在巨大的离心力作用下紧贴在槽楔和护环的内壁，导致结合面存在较大摩擦力，阻碍线圈膨胀。膨胀受阻的线圈将产生一个反作用力，并通过槽楔和护环作用在转子上，使得转子发生弯曲。

由于转子电流越大，线圈膨胀量就越大，因此这种振动总体上与电流大小有关。但由于摩擦力的存在，线圈受热和冷却后的变形都会受到阻碍，都可引起转子的弯曲。因此，当转子电流增加后，振动上升；当电流恢复到初始状态时，振动往往更高。但实际2 号发电机转子的振动重复性较好，这显然与转子线圈膨胀受阻造成的振动特征不相符。

2.1.4 匝间短路

发电机匝间短路时，转子局部温度可达到1 000 ℃以上，这将破坏转子温度分布的对称性，引起转子的热弯曲。该故障的主要特征是：在机组负荷不变的情况下，随着励磁电流的增加，转子线圈发热量增大，其温度上升的不对称性也增大，使得转子热弯曲也越明显，进而引起更大振动。

相关电气试验结果表明该发电机转子可能存在匝间短路，但从2 号发电机转子励磁电流的试验结果(见表2)来看，其振动随励磁电流的增大而变化的幅度有限。

表2 2 号发电机轴振随励磁电流变化数据

2.2 发励对轮连接状况不良的原因分析

对轮是连接2 根转子的部件，依靠对轮螺栓或对轮结合面的摩擦力将一根转子的扭矩传递给另一根转子，因此安装时要求螺栓具有一定的紧固力矩。如果对轮连接状况不良，将使对轮传递的扭矩不均匀，进而产生扰动力引发振动。该故障最大的特点就是振动随负荷而变化，且没有时滞。这与7 号轴振波动特征相符。另外，如果发电机转子存在明显的热弯曲，将使联轴器在热态工况下的端面瓢偏增大，最终也会导致发励对轮连接状况不佳。

综上所述，2 号发电机转子振动故障的原因为转子材质不均和发励对轮连接状况不良。

3 现场热态动平衡治理

该发电机转子热变量很大(见表3 序3)，尽管现场动平衡实现难度较大，但由于工期限制，2 号机组暂时没有长时间的停机检修机会；以及在空载及各负荷工况下，7，8 号轴振均以基频分量为主，因此，决定对2 号发电机转子进行现场热态动平衡治理，并在动平衡治理方案的计算中，综合考虑空载及额定负荷工况下的振动情况，重点是把定速、空载工况下的振动幅值适当增大、相位拉反，以补偿大负荷工况下的振动热变量。

2013年9月，在2 号发电机组停机消除锅炉缺陷期间，实施了热态动平衡治理方案。现场在发励对轮及励端小轴上分别加重2 980 g和1 130 g后，7，8 号轴振大幅降低，较好地兼顾了空载及额定负荷工况下振动的分配，使各负荷工况下的振动均达到相对理想的状况，具体如下。

(1)在定速、空载工况下，将7 号轴振幅值适当放大，振动相位与加重前额定负荷工况下的振动相位相反(见表3 序4)，完全达到预期计划，也为补偿大负荷工况下的振动热变量打下良好基础。

表3 2 号发电机振动热变量数据(基频∠相位)μm∠°

(2)由于该机组所处地域供电紧张，机组通常带大负荷运行，因此在治理方案的加重计算中优先考虑降低大负荷工况下的振动。7 号轴振治理前的热变量约为180 μm，现场加重后空载及额定负荷工况下的振动约为110 μm 和70 μm，使各负荷工况下的振动均达到相对理想状况(见表4)。

表4 加重后2 号发电机振动数据(通频)μm

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3 张学延，张卫军，葛 祥，等．西门子技术1 000 MW 超 超临界机组轴系振动问题[J]．中国电力，2012(5).

4 何国安，陈 强，甘文亮，等．1 000 MW 机组振动特性 及案例分析[J]．中国电力，2013(10).

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