1 000 MW超超临界机组发电机调试期间振动问题的分析及处理

冯坤

(国家电投集团河南电力有限公司技术信息中心，郑州 450000)

0 引言

采用大容量、高参数的火电机组是提高火电厂经济性最为有效的措施。超大功率、超超临界的百万千瓦级机组代表着目前国际的先进水平，集高效、节能和环保等技术优势，是我国21世纪初期最具有竞争力的燃煤机组。

但超超临界机组因转子跨度长、轴承数量多等特点，易发生振动故障，振动故障的处理成本高，过程也较为复杂。以某1 000 MW汽轮发电机组为例，在处理其振动故障时，每次开机所产生的直接经济损失都在100万元以上。因此，发电单位对振动故障诊断的准确度、及时度提出了更高的要求。

某电厂新建的#1机组(1 000 MW)在调试阶段分别发生了发电机低转速振动超标、带负荷轴振突跳及振幅增大等振动异常现象，通过对机组振动特征的分析及诊断，采用了相应的处理方法，成功地解决了相关振动问题，保证了机组的顺利投产。

1 设备概况

#1机组采用上海汽轮机有限公司设计制造的C1000-28/0.4/600/610型超超临界压力、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压凝汽式汽轮机，发电机型号为QFSN-1000-2。机组轴系由高压转子、中压转子、2根低压转子、发电机/励磁机转子及相应的8个支持轴承组成,其中：高压转子为双支撑结构；中压转子和低压转子是单支撑结构；发电机/励磁机转子是三支撑结构，发电机两端轴承为#6，#7轴承，励磁机轴承为#8轴承。汽轮机采用落地轴承，发电机采用端盖轴承。#1机组各轴承的临界转速见表1。

表1 #1机组临界转速Tab.1 Critical rotation speed of No.1 unit r/min

2 发电机组低转速下振动分析

该机组于2018年11月17日首次开机。机组冲转过程中，发电机两端轴振随机组转速的升高逐渐增大，当机组转速升至340 r/min时，6X，6Y，7X，7Y方向的振幅分别达到112，64，33，35 μm。调试人员为保证机组安全，打闸停机。

根据GB/T 11348.2—2007《旋转机械转轴径向振动的测量和评定》的规定，机组低转速下的振幅为转轴偏摆且振幅不宜超过22.5 μm。机组轴系偏摆值主要是由转轴偏心、弯曲、表面不圆、局部缺陷、闭合回路剩磁、材质分布不均等引起的[1]。为进一步确认低转速振动大的原因，分析6X，6Y，7X，7Y的升速过程伯德图，发现在转速上升、振动升高的过程中，工频幅值、相位稳定无明显变化，2倍频的幅值、相位变化较大。根据该发电机结构，判定该发电机存在副临界振动现象，而非转轴偏摆。

对于汽轮机这类均匀转子而言，升速过程中转子只会在系统临界转速时出现共振。发电机比较特殊，在升速过程中，不仅会出现临界转速，还会出现副临界转速。发电机转子本体上通常开有大、小齿槽，大、小齿横截面上的抗弯刚度不等。在转子旋转1周的过程中，挠度会因重力发生2次变化，导致发电机转子产生2倍频振动，其大小与2个截面面积有关，与转子本身动平衡状况无关。升速过程中，转速升到1/2转子临界转速时，由重力引起的2倍频振动频率与转子临界转速正好重合，从而会产生2倍频共振。发电机副临界对机组危害较小，可以通过提高转速的方法避开2倍频共振区[1]。第2次冲转过程中,转速到达340 r/min后直接升速至3 000 r/min，6X，6Y，7X，7Y方向的振幅分别为78，47 ，89，47 μm(如图1所示)。

3 机组在负荷700 MW异常波动

机组负荷700 MW时，6X，6Y，7X，7Y方向的轴振出现了突跳且突跳值逐渐增大，振动最大时各方向测点的振幅分别达到415，432，224，186 μm。该机组只有瓦振保护，无轴振保护，故机组未跳机。振动突跳时，机组负荷等运行参数稳定并无异常，#6，#7轴承瓦振保持不变。图2为轴振趋势图，分析发现振动突跳时工频幅值、相位稳定，只有通频值幅波动较大。该振动突跳有以下特点：(1)振动突跳瞬时出现又瞬时消失，跳变频率逐渐增大；(2)6X，6Y，7X，7Y方向振动突跳时，轴承瓦振稳定，几乎没有变化；(3)机组整个轴系除#6，#7轴承轴振动突跳外，其他测点振动正常；(4)分析发现，振动波形近似正选波，无明显的高次谐波，但有负向畸变(如图3所示)。根据以上分析，初步判断#6，#7轴承轴振异常波动为虚假值。

图2 机组负荷700 MW时的轴振趋势(截图)Fig.2 Vibration trends of bearings under 700 MW load(screenshot)

图3 机组负荷700 MW时的轴振波形(截图)Fig.3 Vibration waveform of bearings under 700 MW load(screenshot)

在以涡流传感器测量轴振的汽轮机安全监测及保护系统(TSI)中，涡流探头输出的电压与探头到被测表面间的距离、被测表面的电导率、磁导率有关，只有在被测表面的磁导率与电导率不变时，输出电压的变化才与探头到被测表面的距离变化(即轴振)有关，即只有在这种情况下TSI显示的才是真实的轴振。

6X，6Y，7X，7Y方向的轴振突跳是同时发生的，可以排除个别涡流传感器和电缆接头松动或振动信号线接地/屏蔽等问题的可能性。经排查发现,振动突跳的原因为转轴与接地碳刷接触不良，导致转轴磁化,涡流传感器磁通量叠加，进而影响TSI和振动数据采集系统的测量精度，造成振动突跳的虚假值。调整转轴与接触碳刷接触后，振动恢复正常[2]。

4 发电机转子振动处理

4.1 发电机转子振动情况

机组首次开机定速3 000 r/min空负荷时，各测点振幅稳定，但是在带负荷过程中#6,#7，#8轴承轴振逐渐爬升。当机组负荷为1 000 MW时，6X，7X方向振动最大值为143，138 μm(见表2)。

由表2可以看出，机组负荷1 000 MW时各测点振动变化较大，其中以基频振幅及相位为主，5X，6X,7X，8X方向基频幅值变化分别为31，70，69，58 μm，相位变化量分别为28°，15°，57°，51°，判断振动性质为不稳定的普通强迫振动[2]。

4.2 发电机转子振动原因分析

根据机组带负荷前、后振动幅值及相位的变化特征可以看出，发电机转子存在的热不平衡是机组带负荷过程中轴承轴振动爬升的主要原因。影响机组热平衡的因素如下。

表2 3 000 r/min时的振动数据(峰-峰值)Tab.2 Vibration data of bearings at 3 000 r/min(peak-to-peak value) μm

表3 变励磁电流试验振动数据Tab.3 Variable excitation current test vibration data

表4 发电机转子配重后满负荷振动数据Tab.4 Full load vibration data after generator rotor counterweight μm

(1)转子冷却不均。该发电机转子为氢内冷机组，转子局部通风孔堵塞或通风面积减小会导致转子在运行过程中冷却不均，使转子横截面径向上形成温差，引起热弯曲。

在机组负荷900 MW时进行氢温试，励磁电流稳定在4 544 A，氢冷器出口温度41 ℃。调整氢气温度过程中发现#6和#7轴承轴振随氢温的变化不明显，因此可以判断发电机转子冷却不均不是导致转子热不平衡的原因。

(2)转子受热不均引起热弯曲。发电机转子热弯曲可分为可逆和不可逆2种。两者引起的振动都与转子电流大小有关，前者随转子电流的增加而减少，后者振动随转子电流的增加而增大。

但该机组转子电流减小时振动并不降低，而是维持较高的水平。在机组负荷800 MW、其他运行参数保持不变时进行变发电机转子励磁电流试验，试验结果见表3。

机组负荷稳定，随着发电机转子励磁电流先增后减，#6，#7轴承轴振先升后降，振动基本恢复到原始值，该热弯曲属于可逆热弯曲，可以通过对转子进行热态平衡补偿热弯曲对转子振动的影响[3-4]。

由表2可知，机组在空负荷及满负荷工况下#6，#7轴振主要呈同向振动，发电机转子振动可能存在一阶、三阶不平衡分量，察看#6，#7轴承振幅在升速过程中的伯德图发现：机组在通过发电机一阶临界转速时振幅较小，可排除发电机转子存在一阶不平衡；发电机二阶临界转速为2 520 r/min,工作转速处于二阶临界转速和三阶临界转速之间且离二阶临界转速较远，判断转子的振型为典型的三阶振型[5]。

4.3 发电机转子平衡方法

根据现场动平衡理论，发电机转子一阶临界转速下的振动响应，只能在发电机转子两端风扇环对称加重；现场平衡发电机转子二阶临界转速下的振动响应，只能在发电机转子两端风扇环反对称加重；三阶不平衡需要3个平面加重才能把转子的不平衡消除[6-8]。发电机转子处理三阶不平衡需要在转子两端风扇环及转子中部加重，即采用模态平衡法的共振分离法，但是存在需要置换氢气、停机拆除发电端盖等，工作时间长、工作量大[7]。

从现场动平衡实践来看，采用在发电机两端联轴器加重来平衡发电机转子三阶不平衡具有较好的效果[9-15]。因此决定在发电机转子两端联轴器上加重，采用非正交加重的非常规现场动平衡法。根据该类型机组历史加重影响系数，分别在汽轮机与发电机、发电机与励磁机对轮处加550，580 g，配重后机组满负荷振动数据见表4。

由表4可见，机组配重后，满负荷时6X，7X的振幅由143 ，138 μm降低至73 ，56 μm，其他各测点振幅均小于75 μm。

5 结论

(1)机组首次开机冲转过程中，在转速为340 r/min时，#6，#7轴承轴振超过允许值的主要原因为发电机副临界转速下发生2倍频共振。发电机副临界共振对机组危害较小，可以通过提高转速的避开2倍频共振区。

(2)机组700 MW负荷时#6，#7轴承轴振突跳，经分析发现振动突跳为虚假值，而非轴系真实振动，原因为转轴与接地碳刷接触不良导致转轴磁化。调整转轴与接触碳刷接触后，振动恢复正常。

(3)当发电机转子发生可逆热弯曲时，可以通过热平衡方法降低发电机转子带负荷过程中的振幅，参考机组以往加重影响系数，通过对发电机转子两侧联轴器加重可以有效地平衡发电机转子三阶不平衡量。