某电厂1号机组汽轮机振动诊断分析及防范措施

中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司 刘晓明 刘明星

1 设备简介

该电厂 1 号汽轮机为上海汽轮机厂生产的CC330/264-16.7/1.0/537/537型亚临界、一次中间再热、高中压缸分缸、单轴、三缸两排汽、双抽可调整抽汽冲动凝汽式汽轮机，采用高中压分缸结构，高压部分有一级单列冲动式调节级和八级高压冲动级，中压部分有七级中压冲动级，低压缸对称布置六个低压反动级，由中间进汽，两端排汽。整个汽轮发电机组共有8个支持轴承支撑，其中汽轮机转子由#1～#6轴承支撑，#1～#4 为可倾瓦轴承，未设置顶轴油装置；#5、#6 轴承为 LEG 轴承，设置有顶轴油装置。发电机转子由#7～#8 轴承支撑，设置有顶轴油装置，推力轴承设在#2 轴承箱内，为自位式推力轴承，推力盘两侧的支承环内各安装 8 块可滑动的推力瓦块，如图1所示。

图1 轴承分布

2 故障描述

2023年6月8日15:02，1号机组纯凝工况启机，启机过程机组振动正常，机组负荷稳定在130MW运行，5X/5Y 振动值分别为 30.75μm/25.58μm；6X/6Y 振动值分别为 38.39μm/33.24μm。

6月9日，6:02机组开始升负荷至147MW，#5、#6轴振动开始出现较为明显的增长和波动，振动短暂出现峰值，5X/5Y 振动值分别98.31μm/24.21μm；6X/6Y 振 动 值 分 别 为34.51μm/31.47μm。机组稳定运行后，振动有一定下降，但5X、6X 平均振动值相比启动初期有一定增加。9:32，机组负荷升至160MW 稳定运行，5X/5Y 振动值分别为42.28μm/26.71μm；6X/6Y振动值分别为39.16μm/32.36μm。

12:13:33，机组负荷约机组负荷、主汽压力和温度等参数未大幅波动，但#5、#6轴振动开始快速突升（其中 5X 振动先于其他轴振动），5X 由38.64μm 升205.6μm，5Y 由 25.84μm 升至83.77μm，6X 由38.99μm 升 至123.22μm，6Y由34.37μm 升至67.85μm，爬升过程约11s,运行人员随后将机组负荷滑压降负荷至132MW 运行直至停机，期间，振动未明显下降，在之后机组维持运行37min 左右后振动第一次突升，运行40min 后，#5、#6 轴振动再次突升，触发振动大跳闸逻辑，机组跳闸后，振动开始快速下降，转速降至，机组停机惰走时间约为63min，惰走时间正常，停机过程机组振动正常。

3 现场检查及数据分析

3.1 TDM 振动数据分析

2023年6月9日9:20左右，#4、#5、#6轴 X/Y 向振动主要成分为一倍频（1X）和低倍频（0.375X），其中一倍频（1X）为主要成分。12:13:33，#4、#5、#6轴振第一次突升后，轴承振动主要成分为一倍频（1X）和低倍频（0.375X、0.75X），且以低倍频（0.375X）为主要成分，分析#4、#5、#6瓦的振动频谱图可以得出，随着1号机组运行振动的发展，#4、#5、#6轴承振动主要有以下特性。

一是机组启机过程和带负荷初期，机组振动正常，振动以基频（1X）为主，未见低倍频分量。二是振动突升前后，振动基频分量（幅值和相位）基本不变，通频的增大主要体现在低频分量的增大，低倍频分量主要为0.375X，即18.75Hz，对应的是1125r/min 的振动，与低压转子（一阶1512r/min）、发电机转子（一阶864r/min）、中压转子（一阶1849r/min）的一阶临界转速频率不一致，可能与轴承的非线性有关。查询振动案例，部分机组油膜振荡的振动频率为18.8Hz，与本机组振动频率基本一致。

综上所述，振动主要为#4、#5、#6轴承振动，振动突升前后振动基频分量（幅值和相位）基本不变，通频的增大主要体现在低频分量（0.375X）的增大，振动频率为18.75Hz，符合油膜振荡引起的振动主要特征之一。

3.2 载荷数据分析

查找3月、4月和5月各轴承温度运行数据统计，统计数据见表1。

表1 1号机组运行各轴承温度统计

对比5月19日和6月8日的两次启机数据发现，随着机组运行时间的增加，#4轴承温度均逐渐升高，平均温升约13℃，而#5轴承温度均逐渐降低，平均温降约5.39℃。说明随着低压缸热态的变化，#4轴承载荷在逐渐增加，#5轴承载荷在逐渐减轻。

对比3月、5月和6月机组轴承温度数据，发现#5、#6轴承标高抬高，#4轴承标高降低后，#4轴承载荷有一定减轻，机组启动初期，#5轴承载荷有所增加，随着运行时间增加，低压缸热态变化，#5轴承载荷进一步减轻，怀疑低压缸充分受热后，刚性进一步下降造成低压缸变形，导致轴承标高降低，#4轴承为独立落地式轴承，未发现明显沉降的迹象，#5、#6轴承为座缸式轴承，与低压缸外缸一体，轴承标高易受低压缸运行状态影响。综合2023年3月、5月和6月月机组运行状态下#4、#5轴承温度变化趋势分析，随着机组运行时间的增加，#5轴承载荷逐渐减小，#4轴承载荷逐渐增大，低压缸充分受热后，对比相邻轴承金属温度，#5轴承载荷过轻，容易诱发轴承油膜振荡。

3.3 轴瓦顶隙数据分析

1号机组部分轴承数据汇总见表2，2023年5月，机组检修期间对#5、#6轴瓦顶隙向下调整，从调整后实测数据看，#4、#5、#6轴承顶隙偏上限，而#4、#5、#6均为可倾瓦，顶隙测量误差较大。轴瓦顶隙过大是轴承润滑油油膜振荡的诱发因素之一。

表2 1号机组部分轴承数据汇总

3.4 顶轴油母管压力检查

查询历史数据发现，2023年6月9日06:33顶轴油母管压力由0MPa 缓慢开始上升，08:30 压力升至约2.0MPa，12:10压力开始下降，12:13压力降至约0.8MPa，此时#5、#6轴振动开始第一次突升。

1号机组#1～#4 轴承未设置顶轴油装置，#5～#8轴承设置有顶轴油装置。2023年6月21日，1号机启机正常运行后，现场检查就地顶轴油管压力表，各轴瓦油膜压力见表3。从运行数据分析，机组正常运行时，顶轴油母管压力与#5轴瓦左侧下瓦油膜压力基本一致，均为约2.0MPa，且顶轴油母管压力升高时未见明显高于2MPa 压力值的情况，可能是#5轴左侧下瓦顶轴油管单向阀内漏。

表3 1号机组启动及运行各轴承顶轴油管压力汇总（单位：MPa）

机组正常运行期间顶轴油母管压力存在波动，一是说明某个轴承油膜压力呈不稳定状态，二是说明某个轴承顶轴油管单向阀存在内漏问题，导致少量轴承润滑油通过顶轴油管发生漏泄，影响轴承润滑油油量和油膜压力，不利于轴承润滑油油膜的稳定。

4 故障原因分析

4.1 振动大原因分析

突发性振动常见的原因有严重的动静碰磨、轴承失稳、蒸汽汽流激振、转动部件脱落、发电机线圈膨胀受阻等。经过以上数据综合分析，本次 1 号机组振动突增的主要原因为#5 轴承润滑油油膜振荡所致，主要判断依据如下。

一是振动突增前后，#4、#5、#6轴承振动基频分量（幅值和相位）基本不变；停机后对低压缸末级叶片、次末级叶片、低压第一级叶片、末级叶片叶顶间隙等进行检查未发现异常，可排除动静碰磨、转动部件脱落等原因；二是振动主要发生在#5、#6轴承，对应低压转子支承，可排除蒸汽汽流激振、发电机线圈膨胀等原因；三是轴瓦的自激振动主要原因有轴颈扰动过大和轴瓦稳定性差。机组启机过程和带负荷运行初期各轴承振动均正常，可排除轴颈扰动过大的原因；四振动突增后，#4、#5、#6 轴承振动通频的增大主要体现在低频分量（0.375X）的增大，振动频率为18.75Hz，符合油膜振荡引起的振动主要特征之一；五是振动突增后，通过减负荷和切单阀等运行调整手段均无法有效抑制或降低轴承振动。机组跳闸后，振动随着转速下降消失，说明振动与转速有关，符合油膜振荡引起的振动主要特征之一；六是查询历史趋势可知，润滑油温下降后，#5轴承金属温度出现波动，#5轴承振动开始逐渐增大，振幅时大时小，呈不稳定状态，#6轴承振动反馈与#5轴承类似，但较#5轴承振动收敛，其他轴承振动较为稳定。从历史趋势来看，#5轴承振动优先于其他轴承，然后迅速传递至#4、#6轴承，符合油膜振荡引起的振动主要特征之一。

4.2 油膜振荡原因分析

经过长周期运行，低压缸刚性明显下降，机组启动后，低压缸由冷态逐步受热至热态过程中，因低压缸刚性降低缸体变形导致#5、#6 轴承标高降低，对比相邻轴承金属温度数据，#5 轴承承载过轻，容易诱发油膜振荡。

为抑制#4轴承温度过高问题，运行人员控制润滑油温度偏下限运行，停机前一段时间内均值约为37.8℃，最低至35.5℃，低于运行规程下限 38℃，润滑油温下降时，#5轴承温度（左）出现不稳定波动，随后5X、5Y 振动开始逐渐增大，振幅时大时小，呈不稳定状态。说明润滑油温变化时，对系统原相对平衡的状态产生了扰动，这种扰动也可能导致振动失稳。同时较低的润滑油温也是油膜振荡的诱发因素之一。

近期检修调整数据显示，机组检修期间对#5、#6轴瓦顶隙向下调整，调整后#5、#6轴瓦顶隙仍偏设计上限，对轴承润滑油油膜的稳定有一定影响。而顶隙过大是诱发油膜振荡的因素之一。

机组正常运行期间顶轴油母管压力存在波动，一是说明某个轴承油膜压力呈不稳定状态，二是说明某个轴承顶轴油管单向阀存在内漏问题，导致少量轴承润滑油通过顶轴油管发生漏泄，虽然不足以诱发油膜振荡，但对轴承润滑油油膜的稳定有一定影响，当轴承因其他问题呈现不稳定状态时，润滑油的漏泄的扰动会加剧轴承失稳。

5 处理及防范措施

一是根据机组载荷分配情况、转子扬度等参数适当抬高#5、#6轴承标高，增加其载荷，防止因热态下低压缸变形轴承标高变化引发的轴承承载过轻。二是调整#5、#6轴瓦顶隙至下限，提高轴承稳定性。三是运行期间严格按照运行规程要求控制润滑油温，防止运行过程中润滑油温度突变，并积极探索润滑油温和机组振动的关系，便于机组发生振动时合理调整润滑油温，以抑制机组振动进一步发展。四是机组正常运行期间密切关注真空变化，适当调整真空并稳定运行，避免真空过高或波动较大引起的轴承标高变化导致轴承轻载，诱发轴承失稳。五是加强各轴承顶轴油管压力、顶轴油母管压力监视，定期抄表对比，发现压力异常及时分析和处理。六是停机后对各轴承顶轴油管逆止阀进行排查，对不严密的逆止阀进行更换，防止因阀门内漏导致轴承油压波动、油量不足等问题。七是建议联系相关设计或制造单位（如汽机厂家）对低压缸刚性强度进行评估，如果热态下存在刚性不足缸体变形较大的问题，应采取措施进行加固。