1 000 MW二次再热汽轮机超长单支撑轴系振动问题分析与处理

李明成，鲁希振，李立波

(1.大唐东营发电有限公司，山东 东营 257000;2.大唐东北电力试验研究院有限公司，吉林 长春 130012)

0 引言

火电机组的大型化以及转子的长轴化是时下发展的趋势，同时随着新能源的不断并入，给大功率火电机组的安全稳定性带来了新的挑战[1]。其中转子轴系稳定是机组运行稳定的关键。对于长轴系而言，在安装过程中，由于自重作用存在静挠度使得转子支撑点的两端会产生一定扬度，转子本身也会产生一个光滑的扬度曲线[2]；同时，转子在高速运转过程中，其对运行环境的参数变化极为敏感，所以极容易出现转子振动超限问题，影响机组正常运行稳定性。

我国新百万机组汽轮发电机组的轴承支撑形式大多为单支撑。相比于双支撑形式，由于只有一端支撑，另一端通过联轴器支撑在相邻的转子上，这导致单支撑轴系汽轮机组的振动特性比传统双支撑机组更复杂[3]，无法直接套用双支撑转子的处理方案。同时由于超长的单支撑轴承会增加振动分析和重新配重的难度，国内对于百万二次再热汽轮机的轴系振动问题都还处于起步和探索阶段，鲜有成熟且成套的技术方案可供参考。

对此，本文针对某百万二次再热汽轮机59.5 m超长轴系间出现的热态振动问题，进行了故障诊断及相应处理。最后通过现场动平衡配重，使发电机各个轴瓦振动达到优良水平。

1 机组概况

某发电厂2号机组为上海电气生产的单轴六缸六排汽超超临界中间二次再热凝汽式汽轮发电机组，轴系全长约59.5m。该机型为上海汽轮机厂引进西门子技术生产的百万新型机组。该机组轴系为单支撑轴系，为国内百万等级机组最长。

1.1 轴系构成

该汽轮发电机组汽轮机部分由一根高压转子(HP)、一根超高压转子(VHP)、一根中压转子(IP)及三根低压转子(LP1、LP2、LP3)组成；发电机部分则由水氢氢发电机(GEN)及静态励磁机(EXC)转子组成。发电机转子为双支撑结构，励磁机转子励端由一个四块可倾瓦轴承与发电机形成三支承结构，具体轴系布置如图1所示。

图1 轴系简图

1.2 发电机振动

2020年9月25日1号机组首次冲转，定速后轴系各瓦轴振幅值均在优秀范围内，随着负荷的升高，发电机转子两侧轴瓦振动开始升高，特别是负荷达到450 MW以上时，发电机轴承振动升高较快，最终振动幅值达到140 μm，当负荷下降至400 MW以下时，振动开始回落，查看振动频谱，8瓦和9瓦振动均以一倍频为主，振动变化过程中，相位变化约为10°。机组首次定速时振动幅值如表1所示。

表1 首次定速时振动数据

2 单支撑轴系振动异常分析

根据振动现象，判断发电机转子存在热不平衡故障，具体分析如下：

2.1 冷却故障

通风孔是发电机转子冷却的主要风路通道，如果由于某种原因导致通风孔变形，就会引起通风孔通流面积减小，导致发电机转子局部冷却不均，转子横截面温度场不对称，进而引起热弯曲故障[4]。发生冷却故障时，随着冷氢温度的升高，发电机转子不对称冷却程度相对减小，冷却故障导致的热态不平衡振动也随之减小。

为了进行验证，在运行过程中将冷氢温度进行改变，随着温度的变化，发电机8瓦和9瓦的振动幅值几乎没有变化，试验结果证明发电机轴承振动与冷氢温度没有相关性，进而可以排除发电机冷却故障。

2.2 匝间短路

匝间短路也是汽轮发电机转子经常会发生的故障之一，其产生原因主要有以下两点：一是在机组启停过程中绕组受到巨大离心力作用，导致匝间绝缘产生位移、变形和局部损坏[5]；二是由于制造工艺原因导致绕组固定不牢，导条的加工质量较差，匝间绝缘偏出等，导致绝缘损坏。

匝间短路故障的诊断方法较多，通常应用交流阻抗法、重复脉冲法、两极电压平衡法[6]等方法进行综合诊断。最终，通过动态测试，排除了该机组存在匝间短路的可能性。

2.3 线圈膨胀不畅

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加热线圈，线圈受热后向两端膨胀[7]。发电机转子部件由于离心力作用而挤压在一起，由于各部件材料、温度不同，膨胀系数亦不同，存在相对膨胀，导致在接触面出现摩擦力。如果摩擦力不对称，就会产生弯矩，使转子弯曲[8]。通常在线圈和槽楔之间、端部线圈和护环内表面之间都会产生这种摩擦效应，如线圈受热后膨胀受阻时将产生不对称的轴向力[9]。内摩擦引起的热不平衡振动有如下特点：振动也是随励磁电流的增加而增大，即使减小励磁电流，振动也不是立即恢复，往往存在一定的滞后。

根据该机组的振动特征，发电机的振动与励磁电流有一定的对应关系。由于励磁电流与负荷趋势基本对应，当负荷增加到某一定值时，线圈膨胀受阻，引起热态弯曲，负荷下降时，线圈收缩，但是热量的损失会有一个过程，导致振动恢复会有一定的滞后。因此可以初步判定线圈膨胀不畅是引发发电机转子振动的主要原因。

3 振动处理

根据振动故障产生的原因，为了消除发电机转子的振动，需要对发电机-励磁机系统的振型进行分析，确定采取何种振动处理方式。

3.1 发电机振型分析

该机组的发电机转子是典型的柔性转子，柔性转子的现场平衡通常采取模态平衡法，根据振型的正交性原理，柔性转子的每阶振动分量只能由相应阶的不平衡引起，如果转子各阶振型不平衡分量都进行了校正，那么转子的振动就会处于较好的状态。

根据图2发电机-励磁机轴系在3 000 r/min时的全息谱图，可以初步判断发电机的振型，发电机振动受三阶振型影响较明显。

图2 发励系统全息谱图

通常，在平衡二阶振型响应时，在发电机转子两端风扇环位置加反对称重量即可[10]，而对于工作转速下的三阶振型，由于现场不具备在发电机转子中部加重的条件，因此也只能在发电机两侧风扇环或对轮位置加对称重量[11]，由于拆卸密封瓦周期较长，严重影响机组的调试进度，最终决定在发电机两侧对轮位置进行动平衡配重工作。

首次定速时，发电机8瓦和9瓦振动伯德图如图3和图4所示。

图3 8瓦升速伯德图

图4 9瓦升速伯德图

3.2 加重平面的选取

根据发电机的三阶振型型式[12]，风扇环和中间位置加重虽然能有效降低发电机的三阶振动，但是现场实施起来非常困难，在低发对轮和发励对轮处施加配重也可以有效降低发电机转子振动。但同时还应考虑配重后对低压转子和励磁机转子振动的影响。

图5 发电机三阶振型图

低压转子所在的7瓦和励磁机转子所在的10瓦，其相位与邻近发电机转子相位相差45°以内，基本属于同向，因此对轮的配重在降低发电机振动的同时也会对相邻轴瓦的振动有积极作用，不会恶化现有的振动水平。如果想要短时间内通过现场动平衡手段来消除发电机转子振动，最佳方案只能是在发电机两侧对轮进行动平衡加重。

3.3 动平衡效果

表2 450 MW时振动数据(动平衡前)

根据百万单支撑轴系现场动平衡经验，确定动平衡方案为：发电机低压侧对轮加重900 g，发电机励磁侧对轮加重1 000 g。

配重后机组再次启动，发电机一阶临界转速下振动幅值较首次启动增大约30 μm，但最大仍未超过120 μm。带450 MW负荷后，发电机振动幅值最大未超过90 μm，与之相邻的低压转子7瓦和励磁机10瓦振动幅值分别降低了10 μm和8 μm。根据GB/T11348.2的相关要求，该机组的轴系振动处于优良水平，带负荷后振动如表3所示。

表3 455 MW时振动数据(动平衡后)

4 结论

本文针对国内某百万级二次再热汽轮机发电机组出现的振动问题，进行了分析及相应处理，得出的结论如下：

(1)本文通过排除法及试验验证，找到了发电机振动的根本原因是热态不平衡。在热态不平衡问题处理时，可根据振动的现象予以确认；

(2)对于单支撑轴系而言，对轮两侧轴瓦振动相位应基本为同向。若想规避振动增大问题，需要保证相位相差不应超过45°。

(3)本文通过实际案例解决了百万等级机组最长单支撑轴系的振动问题，填补了相应空缺，可为今后类似故障的处理提供参考和借鉴。