某电厂超临界汽轮发电机组轴承轴振动不稳定的原因分析及处理

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  摘要:此次分析论证的某电厂4×350MW超临界汽轮机配套的水氢氢冷发电机,在该厂#1、#2机组首次启动过程中均出现发电机5号、6号轴承轴振动在3000r/min时持续增大无法稳定的现象。通过分析论证,制定了处理措施,并进行实施。然后在#3机组安装过程中通过摸索实践、认真分析确定了产生发电机5号、6号轴承轴振动的真正原因并制定了针对性的处理措施,严格进行了实施,保证了机组各轴承振动在启动、带负荷等各阶段处于优良水平。
  关键词:发电机轴承轴振动油膜压力发电机标高
  引言:
  该厂汽轮发电机组的汽轮机为东方汽轮机集团生产的NJK350-24.2/566/566型超临界、一次中间再热、双缸双排汽、间接空冷、凝汽式汽轮机,与之配套的发电机为哈尔滨电机厂生产的QFSN-350-2型水氢氢冷发电机。汽轮机设有四副支撑轴承和一副推力轴承,依次从汽轮机前箱向后布置,分别为1号轴承、2号轴承、推力轴承、3号轴承、4号轴承。发电机设有两幅支撑轴承,机侧向励侧排序,分别为5号轴承、6号轴承。汽轮机1号、2号轴承为可倾型轴承,汽轮机3号、4号轴承及发电机5号、6号轴承为椭圆型轴承。
  一、#1機组问题发生的原因分析及处理:
  1、问题发生经过:
  1.1#1机组完成安装吹管、静态试验合格后,首次冲转过程中升速率100r/min,定速500r/min摩检合格,机组打闸。机组重新挂闸,采用中压缸、正暖投入方式启动,机组转速升至1350r/min时发电机前轴承振动大机组打闸,查看机组振动曲线及频谱此转速为发电机第一阶临界,(启动前将发电机临界区设为1100—300r/min)。将发电机临界区修改为1200—1400r/min后机组重新启动,机组转速升至1000r/min暖机2小时。机组转速升至1500r/min暖机2小时。机组1500r/min暖机轴系参数如表1所示:
  1.2在机组1500r/min暖机过程中,由于汽轮机1号轴承y向轴振动持续增大至128μm手动打闸,经检查前箱安装的Y形喷油管断开碰磨转子造成轴振增加,经确认无误后,盘车至偏心恢复至原始值23μm后汽轮机重新挂闸,采用中压缸、正暖投入方式启动。机组定速1500r/min,暖机10分钟切除正暖开始升速,转速升至2950r/min,发电机前后轴承振动突增,经现场确认为发电机励磁碳刷架与转子碰摩,手动打闸,消除发电机励磁碳刷架碰磨后,机组重新启动,定速3000r/min。机组定速3000r/min时轴系参数如表2所示:
  1.3机组定速3000r/min3分钟后,发电机5号、6号轴承轴振动突然增加,其中5号轴承X轴振最大至235um,机组打闸停机,经查看机组振动频谱特征初步判断为发电机5号、6号轴承油膜失稳。停机后将发电机空氢侧密封油温度均调至40℃,并将发电机励磁碳刷全部取下。机组重新冲转,在此期间机组多次由2950r/min升至2990r/min时发电机5号、6号轴承轴振动增大无停止趋势,机组无法定速,转速降至2900r/min后停机。此次停机后主要工作为调整降低润滑油压,在盘车状态下将润滑油压力由0.21MPa降至0.185MPa后重新冲动。机组定速3000r/min5分钟后,发电机5号、6号轴承轴振动增大,转速降至2950r/min运行,然后将发电机氢压由200KPa升至300KPa,氢温由40℃降至35℃;将机组背压由30KPa降至20KPa,将润滑油温度由40℃调整至45温度。机组再次升速3000r/min后,为确保发电机前后轴承振动在100μm下将润滑油温度维持48—52℃运行,开始进行电气并网前试验。电气并网前试验过程中轴系参数如表3所示:
  2、振动原因的初步分析
  通过对机组参数反复调整后的振动反应进行分析,造成发电机5号、6号轴承轴振动不稳定、易发散的原因可能有以下几个方面:
  2.1按制造厂家机组说明书要求机组润滑油压力应控制在0.14MPa-0.16MPa之间,现阶段机组定速后润滑油压通过润滑油调节阀最低只能调整到0.185MPa。可能存在机组润滑油压过高,造成轴瓦油膜不稳定。
  2.2顶轴油泵停止运行后,通过对表3中各轴承油膜压力的大小分析,4号轴承油膜压力为6.5MPa、5号轴承油膜压力只有1.5MPa,说明4号、5号轴承存在载荷分布不均,5号轴承存在载荷过小的现象,在机组运行过程中造成5瓦振动成发散状振动。
  2.3低压转子与发电机转子对中值与厂家说明书要求值存在偏差,造成在机组转速升高的情况下,离心力随转速的上升不断加大,造成5瓦振动升高。
  2.4发电机5号轴承顶隙过大侧隙过小,造成转子在转动过程中晃动。经查安装记录及监理签证记录,轴瓦顶隙及侧隙符合制造厂产品质量证明书要求,可排除。
  2.5经振动监测仪监测5号、6号轴瓦频谱图分析,主要振动频率呈低频特性,约为同步振动频率的50%左右。可怀疑为发电机轴承稳定性不好,在机组升速过程中出现轴承自激振动。如表4频谱图所示。
  3、停机检查原因进一步分析:
  机组停机冷却合格后,对汽轮机组低发转子联轴器对中情况进行了复查,对5、6轴承解体进行了检查,并对机组基础沉降情况进行了观测、对比。检查结果如下:
  3.1机组基础沉降数据与上一次沉降观测数据无明显变化,可排除由于基础沉降造成基础轴系发生改变而造成的振动。
  3.2对5、6轴瓦使用内经千分尺测量轴承间隙,5号轴承顶部间隙为0.67mm、侧间隙为1.35mm,6号轴承顶部间隙为0.68mm、侧间隙为1.37mm,符合轴瓦出厂设计参数要求。可排除由于轴瓦间隙超标造成轴系的振动。
  3.3复查低压转子与发电机联轴器对中情况,发现中心值为发电机转子中心低汽轮机低压转子0.39mm、左右中心偏差0.16mm,同时联轴器端面上张口0.18mm、左张口0.08mm。以上尺寸严重超出发电机转子中心高低压转子0.114mm、左右中心偏差不大于0.02mm、端面偏差不大于0.03mm的设备安装规范要求。通过所复查的中心值,已确定发电机5号轴承标高低为此次5号、6号轴承轴振动超标的主要原因。   4、振动故障的处理
  4.1针对发电机转子中心比汽轮机低压转子低0.39mm、端面上张口0.18mm的实际情况,通过对发电机定子底部加调整垫片的方式进行调整,其中发电机前端(5号轴承)抬高0.40mm、后端(6號轴承)抬高0.80mm,来消除发电机转子标高低及断面上张口的情况,实际加垫过程中采取阶梯法进行调整。
  调整后发电机转子中心高汽轮机低压转子0.115mm、左右偏差0.01mm,端面上张口0.06mm、左右偏差0.01mm。
  4.2检修结束后,机组再次进行启动调试,机组3000r/min定速后润滑油压0.16MPa、油温40℃时,各轴瓦振动值达良好要求,3、4、5、6轴承油膜压力得到了较好的改善。如表4.后机组负荷300MW时,轴系各参数无明显变化。
  二、#2机组问题发生的原因分析及处理:
  1、问题发生经过
  1.12014年3月23日08:52酒钢铝电一期工程2#机组开始启动,于当日18:19机组定速3000r/min,轴系振动参数优良,高中压胀差、低压胀差、汽缸绝对热膨胀及润滑油温均在正常范围内。2014年3月24日21:552#机组并网,轴系振动参数优良,其它相关参数均正常。
  1.22014年3月25日,2#机组在进行机械超速试验过程中,机组转速超过3170r/min时发电机轴承油膜失稳、振动剧增达到机组跳闸值,机组打闸。此后分别调整了氢压、润滑油温、密封油温、油压,并稳定在要求范围内,再次进行机械超速试验,机组转速超过3170r/min时发电机轴承再一次发生油膜失稳、振动剧增现象。
  1.3经试运指挥部决定2#机组并网带负荷80MW稳定运行,同时成立专题小组进行振动分析。3月25日18:19机组重新并网,19:52机组负荷升至80MW。在带负荷过程中发现发电机轴承振动非常不稳定,极易产生油膜失稳,20:14机组停运,21:00机组盘车投入。4月14日#2机处理完成后启动并网,轴系振动正常。
  2、问题处理过程
  2.1停机冷缸后,解开低发对轮,复查中心时发现对轮中心比原始安装数据变化较大。两次检查数据见下表:(标准数据为发电机中心高0.10-0.14mm、上张口0.01-0.04mm)
  2.2进一步检查过程中,在拆除发电机台板内侧二次灌浆模板时,发现发电机台板内侧与二次灌浆层存在宽1mm-40mm深25mm-325mm不等的缝隙。
  根据以上检查情况,召集各相关参建单位、设备供货厂家技术人员及国内有关专家共同分析讨论,确定了处理方案。
  一是对发电机中心进行重新调整;调整数据如下表:
  二是对发电机台板二次灌浆进行处理;
  三是对阶差垫片重新调整。见下表:
  2014年4月12日,2#汽轮机组轴系及油系统处理完成。4月14日,机组并网,发电机组轴系振动正常。
  3、#2机振动原因的初步分析
  3.1停机后在轴系中心调整过程中,发现发电机阶差垫片长度尺寸与设计值不符,比设计值长20~200mm不等,且层数较多,存在较大压缩量。经过实际测量发电机阶差垫片,垫片厚度为4.2mm,垫片层数为12~15层。以上原因可能导致在发电机运行过程中,发电机轴系标高下降,致使轴系振动发生变化。初步判断,发电机阶差垫片尺寸与设计值不符且存在较大压缩量可能是造成2#机组振动大的主要原因。
  3.2发电机台板二次灌浆不密实。在拆除发电机台板内侧二次灌浆模板后,发现发电机台板内侧与二次灌浆层存在宽1mm-40mm深25mm-325mm不等的缝隙;针对这种情况,对发电机台板标高进行了测量,经计算发电机台板标高符合设计及规范要求,二次灌浆无沉降。但二次灌浆不密实,易造成发电机支撑点外移,进而增加基座变形。这是造成2#机组振动大的次要原因。
  3.3发电机密封瓦磨损停机的直接原因是发电机轴承座回油室防腐层(耐油环氧漆)脱落、漆皮内粘有细沙及锈污,将密封油系统污染,造成发电机汽、励两侧密封瓦及轴颈磨损。
  三、#3机组问题发生的原因分析及处理:
  1、问题发生经过
  1.12014年08月30日发电机基础二次灌浆强度达到75%(土建试块鉴定报告)后,发电机顶丝全部松开,将发电机载荷全部转移至台板及二次灌浆层上,当时复测低-发对轮中心,数据如下:发电机中心实测高0.235mm、张口0.02m。
  1.22014年09月14日下午2点整,锅炉吹管完成后,解列低-发对轮,复查中心,数据如下:发电机中心低0.08mm、上张口0.07mm。
  1.3经过以上数据对比发现,发电机#5瓦中心下降0.315mm,上张口变化
  0.05mm,经过测算#6瓦中心相对下降近0.70mm。
  2、#3机发电机沉降原因初步分析
  经过上述数据对比偏差量分析:初步怀疑发电机二次灌浆层存在浮浆层或存在渐变收缩量(吹管期间发电机底座阶差垫片未置换),造成发电机沉降。
  3、问题处理过程
  3.1#3汽轮发电机后续工作正常进行,低-发对轮中心精找工作在机组冷却后
  进行;调整后数据见下表:
  3.2因低-发中心变化较大,发电机阶梯垫片置换工作中垫片厚度需根据变化抬高量适时进行调整计算,调整垫片示意图如下:
  3.32014年4月12日,2#汽轮机组轴系及油系统处理完成。4月14日,机组并网,发电机组轴系振动正常。
  四、结论
  1、通过上述#1、#2、#3机问题发生现象综合分析确定此次发电机组5号、6号轴承振动不稳定,主要原因是发电机二次灌浆层存在浮浆层或存在渐变收缩量,造成发电机沉降,使得5号、6号轴承标高较设计值低,造成机组在启动及运行过程中,发电机前、后轴承载荷较低,形成轴承自激振动。通过调整轴系标高后,运行效果良好。
  2、由于#3机吹管投盘车期间发电机阶差垫片未进行置换,但#3机吹管后低-发中心却发生了较大变化(发电机二次灌浆层存在浮浆层或存在渐变收缩量,造成了发电机沉降)。而且因低-发中心变化较大,发电机阶梯置换垫片厚度根据变化抬高量适时进行了调整计算,与原设计值也有了较大变化,但总启后机组各轴承振动指标优良。由此确定发电机阶差垫片尺寸与设计值不符且存在较大压缩量并不是造成机组振动大的原因。
  3、发生轴瓦振动不稳定易发散情况,可对比各轴瓦的油膜压力,初步判断各轴瓦的载荷情况,如果该轴瓦油膜压力较其他轴瓦低,且差别较大的,基本可认为该轴瓦的振动原因为轴承自激振动。
  4、发电机支撑方式对二次灌浆施工,特别是二次灌浆料选择及施工工艺提出了更高要求。发电机安装要求在二次灌浆前要将临时垫铁全部拆除,将发电机重量全部转移至底脚顶丝上,待二次灌浆完成养护7天后,发电机顶丝全部松开,将发电机载荷全部转移至基础上的二次灌浆层上。若二次灌浆层产生问题很容易造成发电机不均匀沉降,从而对低发对轮中心产生影响,使机组振动超标。
  参考文献
  [1]张学延编著.汽轮发电机组振动诊断[M].北京:中国电力出版社.2008年
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