某钢厂1#汽轮发电机组振动故障诊断分析

刘 健，贾维龙

（马鞍山马钢华阳设备诊断有限公司，安徽马鞍山 243000）

0 引言

汽轮机在运行中承受较大的离心力，工作环境恶劣，经常会发生叶片断裂和脱落等故障，汽轮机叶片损伤及导致二次损坏严重影响着发电机的安全稳定运行[1-2]。目前利用多种振动分析方法、结合汽轮机力学特性和监控诊断经验等，仍是判断汽轮机叶片断裂的主要方法。

中国宝武马钢集团某钢铁厂1#汽轮发电机组，在运行过程中机组振动多次突然增大，特别是汽轮机驱动侧瓦。通过一个多月的跟踪测试诊断，判断机组状态由“注意”发展到“危险”状态，主要故障为汽轮机转子动平衡不良（检修发现叶片断裂）、发电机瓦存在缺陷。通过及时安排检修，防止了故障继续扩大，确保机组安全。

1 设备传动结构简图与机组参数

设备由汽轮机和发电机组成，图1 中1#、2#、3#和4#为瓦的编号。

图1 汽轮发电机组传动结构

设备生产厂家为南京汽轮电机（集团）有限责任公司，制造时间为2013 年，相关工作参数为：额定功率35 MW，转速3000 r/min，额定电压10.5 kV，额定电流2405 A，额定容量43.75 MV·A。

2 机组诊断分析

2.1 汽轮机与发电机瓦的振动偏大

2020 年5 月12 日20：39，机组1#～4#瓦出现了明显的振动上升。随即将负荷降至5 MW，各瓦振动有一定程度下降并保持基本稳定。5 月13 日3：09，将负荷升至7 MW，6：23，将负荷升至10 MW，此过程各瓦振动基本稳定；7：17，将负荷升至15 MW，振动有所上升，稳定负荷后，观察振动变化情况。当日上午，马钢华阳设备诊断公司技术人员到达现场，对机组1#～4#瓦以及基础部位进行振动测试，发现在各种负荷下汽轮机与发电机瓦的振动均偏大（表1）。

表1 5 月13 日机组振动速度有效值（2～1000 Hz）

从图2 可以看出，汽轮机振动以50 Hz 为主，发电机振动以50 Hz、100 Hz 为主。根据以上信息结合诊断经验初步判断：①汽轮机转子平衡精度差；②发电机前后瓦存在瓦间隙不良；③轴承座地脚螺栓振动分布不均匀，某些地脚螺算紧力不足。

图2 5 月13 日机组振动频谱

现场考虑到机组振动值始终偏高，认为满负荷运行存在安全隐患，于17:35 机组停机。

2.2 对机组进行检查和检修

5 月14—17 日对机组进行检查和检修，主要内容有：对瓦面进行修刮；汽轮机与发电机中心复测；紧固发电机地脚螺栓、3#、4#瓦轴承座进。5 月19 日开机后，测试振动值见表2。将表1、表2 进行对比，发现机组振动无明显改善迹象，说明隐患没有真正消除。

表2 5 月19 日机组振动速度有效值（2～1000 Hz）

需要注意的是，5 月19 日汽轮机振动频谱和波形没有明显变化，但是发电机频谱除了50 Hz、100 Hz 振动较大，出现了间隔为12.5 Hz 的分频振动，振动波形也与之前不同，出现了对应转频以及12.5 Hz 的冲击（图3、图4）。这说明发电机振动状态出现了变化，推测可能是发电机瓦间隙不良或瓦损伤等。汽轮机瓦振动也可见分频振动的特点，但是其强度弱于发电机瓦，说明振动的变化主要来源于发动机一侧。

图3 5 月19 日机组振动频谱

图4 发电机驱动侧瓦水平（3H）振动波形

2.3 对机组进行全面振动测试

5 月31 日，机组因发电机二极管故障停机处理。6 月1 日再次开机运行，开机后机组振动逐步变大。6 月3 日上午，对机组进行了全面的振动测试（表3）。6 月18 日晚，在线监控显示2#瓦、4#瓦振动突然增大，随后降低机组负荷，振动略有下降。6 月19 日上午对机组进行了全面的振动测试（表4）。

表3 6 月3 日机组振动速度有效值（2～1000 Hz）

表4 6 月19 日机组振动速度有效值（2～1000 Hz）

对比表1～表4 可知，进入6 月份以后，整机振动明显增大，说明机组状态存在持续恶化的趋势，振动逐步发展到严重超标。汽轮机1#、2#瓦振动超过8 mm/s，发电机4#瓦轴向振动超过12 mm/s，机组处于“危险”运行状态。

根据测试可知，5 月中旬机组振动增大后到6 月下旬一个多月来，整机振动出现逐步增大的趋势；调整负荷，振动会发生变化；振动以50 Hz、100 Hz 为主，属于普通强迫振动。5 月19日，发电机瓦振出现突然变化，冲击振动明显，存在大量分频振动。特别是6 月18 日晚，汽轮机驱动侧瓦振再次突然变大，同时发电机4#瓦振动也突然增大，机组振动波动大、无法满负荷工作，最多只能上升到33 MW。

综合分析认为机组处于危险状态（“红区”），存在重大隐患，判断存在以下故障：

（1）汽轮机：①转子动平衡精度差，叶片可能有损伤或存在动静摩擦；②轴瓦间隙不良，或瓦与瓦座配合不良。

（2）发电机：①两端轴瓦间隙不良，或瓦与瓦座配合不良；②非驱动侧瓦基础部位振动大，部分地脚螺栓紧力不足。

2.4 对机组从启动至满负荷进行监测

6 月23 日，某电科院对机组从启动至满负荷进行了监测，主要对机组启动过程的轴振、瓦振数据进行测试分析。此次停机时间较短，为热态启机，最后负荷稳定在30 MW。

根据测试数据，在转速3000 r/min 时发动机4#瓦轴振达到295 μm。负荷在30 MW 稳定后，各瓦振动值均较大，3#和4#瓦振动值分别为180 μm、440 μm，振动严重超标。因此，6 月24—25 日机组负荷只能维持在20 MW 以下。

2.5 测试结论

综合以上多种情况下的测试和一个月来的跟踪诊断分析，认为应该尽快安排检修，建议：

（1）检查汽轮机末级叶片状况，校正汽轮机转子平衡。

（2）检查汽轮机轴瓦以及发电机轴瓦情况。

（3）检查发电机非驱动侧基础螺栓紧力。

另外，6 月19 日至停机前，汽轮机瓦温有升高现象。6 月26 日机组停机，因电气需要进行匝间短路试验，再次启动时，升速至3000 r/min 时振动严重超标，已经超过轴振动探头测量范围，机组打闸停机，转入检修状态。

3 检修情况

（1）汽轮机第16 级有142 根叶片，检查发现有5 根断裂，其中约7 点钟位置断裂两根、11 点钟位置断裂3 根（图5）。根据端口、成分等数据判断，某叶片出现疲劳和突然断裂后，撞击其他叶片并导致发生脆性断裂故障。

图5 汽轮机第16 级叶片断裂

（2）汽轮机1#、2#瓦垫铁脱空（仅20%接触），2#瓦局部脱落、瓦面有擦伤，1#瓦基本正常。

（3）发电机3#、4#瓦严重剥落损坏（图6）。

图6 发电机瓦损坏

4 结论

叶片断裂、脱落的典型特征是振动趋势呈阶跃式、无过渡过程，断裂后的转子动平衡精度破坏，振动特征表现为不平衡特征。通过在线振动趋势并结合离线振动测试，可以看出振动突变基本是工频能量的变化，叶片断裂后继而发生撞击其他叶片，扩大事故程度。通过故障分析判断，准确定位故障原因，避免事故继续扩大，缩短检修工期。