1000MW火电机组汽轮机主轴系统振动特性分析.pdf

电力系统2023.6 电力系统装备丨25Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment（3）屋顶面积一定，当采用“自发自用，余电上网”的电价模式时，随着“自发自用比例”及“自发自用电价”提高，降低组件安装倾角，增大总装机规模从而提高总发电量的设计方案逐渐表现出更好的经济性优势。以上结论为屋顶光伏项目的优化设计提供了参考思路和数据支撑。参考文献1 王文豪.计及多因素的分布式光伏发电经济性模型研究D.武汉：华中科技大学，2020.2 李春松.某 6 MW 屋顶光伏发电站建设实践研究 J.机电信息，2020（23）：110-111.3 常建国，付梦菲.基于 PVsyst 软件的屋顶光伏发电系统发电量的研究 J.太阳能，2022（11）：81-87.4 王晓兴.分布式光伏项目的设计优化及实践J.机电信息，2022（17）：27-30.5 杨庆蔚，王晓涛，罗国三.建设项目经济评价方法与参数（第三版）M.北京：中国计划出版社，2006.1 概述由于汽轮发电机组容量的大型化、高参数化，使得机组轴系结构越来越复杂，汽轮发电机组出现的振动故障越来越多，振动机理比较复杂且涉及面比较广，其中突发性故障是大型汽轮发电机组在运行中危害较大的振动故障，极其容易引发机组跳机甚至导致设备损坏等重大恶性事件。典型的突发性振动故障有转动部件（叶片、围带、靠背轮螺栓档板等）飞脱故障、靠背轮错位、油膜振荡（油膜涡动）、汽流激振等，而突发性振动故障发生时又经常表现出几种典型振动故障的耦合，使得振动故障的治理难度也越来越大。2 基于振动变化特征的ALSTOM超（超）临界机组振动故障诊断方法针对 ALSTOM 超（超）临界机组轴系常见的振动故障，文章提供了一种基于振动变化特征的汽轮发电机组振动故障诊断方法。该方法基于振动变化特征实现了摘 要通过对某火电机组轴系振动的测试和分析，结合汽轮发电机组轴系振动治理的通用技术，总结了该类型机组的振动特征和故障机理，形成了基于振动变化特征的现场故障诊断方法。通过对振动故障的处理，编制和总结 ALSTOM 生产的1 000 MW 超超临界火电机组振动故障诊断和处理方法，以此来指导振动专业技术人员开展旋转机械振动故障诊断和治理工作，确保了汽轮发电机组的长期安全稳定运行。关键词汽轮发电机组；振动测试；故障诊断；振动处理中图分类号TM621 文献标志码A 文章编号1001523X（2023）06002503Analysis of Vibration Characteristics of the Steam Turbine Spindle System of a 1000 MW Thermal Power UnitFENG WenxiuAbstractThrough the vibration test and analysis of the unit shafting of a company,combined with the General technology of turbine generator unit shafting vibration treatment,the vibration characteristics and fault mechanism of this type of unit are summarized,and a field fault diagnosis method based on the vibration variation characteristics is formed.By handling vibration faults,compiling and summarizing vibration fault diagnosis and treatment methods for the 1000 MW ultra supercritical thermal power unit produced by ALSTOM,this guides vibration professionals to carry out vibration fault diagnosis and treatment work for rotating machinery,ensuring the long-term safe and stable operation of steam turbine generator units.Keywordssteam turbine generator set;vibration testing;fault diagnosis;vibration treatment1 000MW火电机组汽轮机主轴系统振动特性分析冯文秀（中电神头发电有限责任公司，山西朔州036011）电力系统26丨电力系统装备 2023.6Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment汽轮发电机组振动故障的诊断，具有优异的实时性和高效性。（1）获取汽轮发电机组轴系的振动信息，当汽轮发电机组轴系的相对轴振超过120165 m、瓦振超过5068 m、相对轴振的变化幅度超过30 m 或者瓦振的变化幅度超过15 m 时，表明汽轮发电机组轴系存在振动故障。（2）汽轮发电机组轴系振动的波动幅值A20%，即：（AmaxAmin）/A平均100%20%，表明转子存在不平衡，该不平衡激发的异常振动来源于转子质量的不平衡、永久弯曲、不对中、部件连接松动或者结构共振等，需要进行现场动平衡试验、对轮检修调整或者动刚度优化等以消除转子的不平衡。（3）当仅有一个测点存在振动波动或者轴振与瓦振趋势不一致时，表明该振动波动属于测量偏差所造成的信号失真，工作人员需对该测点解除保护逻辑，进行检修或者更换。（4）记录汽轮发电机组轴系振动波动的开始时刻。（5）汽轮发电机组轴系发生自激振动时（包括汽流激振及油膜涡动），振动跳变时存在门槛负荷且发生在高中压转子上时，则表明该自激振动为汽流激振。（6）比较最近两天不同时刻、相同运行工况下，汽轮发电机组轴系振动的差别。（7）利用 TSI 系统获取最近一个月以上汽轮发电机组轴系连续运行的振动数据，并做趋势分析。（8）保持现场主蒸汽参数、励磁电流、无功、发电机冷却介质温度、润滑油温及密封油温处于稳定状态。（9）当振动随转子温度升高而增大，且振动随转子温度变化滞后一定时间后，表明转子存在热弯曲。3 ALSTOM超（超）临界机组动静碰摩故障诊断及 处理汽轮发电机组动静摩擦是指转子在旋转过程中由于转动部件与静止部件之间的间隙消失发生接触、碰撞的现象，动静摩擦是机组在启动和运行中最为常见的振动故障。发生动静摩擦后转子将出现剧烈振动，严重时可能使转轴发生弯曲甚至发生轴系破坏等设备故障。通过某发电厂 ALSTOM 超临界1000 MW 等级#3机组轴系振动波动的测试结果，并查询了相关运行参数，总结振动波动过程如下。振动特征，通过趋势图分析，在2021年11月25日17时22分某发电#3机组#1瓦、#2瓦轴振开始出现波动，17时47分振动幅值变化达到最高点，18时20分左右恢复正常，持续时间约1 h。18时50分振动再次出现波动，19时2分振动幅值变化达到最高点，19时42分左右恢复到正常水平，持续时间约50 min。在振动幅值变化过程中，振动相位也随之发生变化，具体见表1。表1 振动变化数据（通频/一倍频/相位）时间1X1Y2X2Y备注17:2251.8/45.6/18635.6/30.6/32781.1/67.1/33843.5/32.4/961X/1Y/2X/2Y幅值变化最大30 m，相位最大变化 1017:4782.8/72.2/19249.2/42.2/316119.9/100.9/34971.6/58.3/9718:2054.2/48.6/18436.8/30.4/31981.8/67.9/34048.2/35.2/9918：5059.8/49.2/18236.4/32.2/31284.3/70.7/34247.1/36.9/1021X/1Y/2X/2Y幅值变化最大16 m，相位最大变化 719：0270.5/63.7/18843.5/39.7/319100.3/85.9/34758.5/48.6/10119：4259.1/47.2/18436.1/30.3/32375.9/62.6/34044.5/31.3/99从振动特征看，转子振动发生异常波动时振动以1倍频分量为主，2倍频和1/2倍频的分量很小，可以排除汽流激振和轴承失稳等故障。#1瓦和#2瓦轴振增大，经过一段时间后能够自行恢复到正常水平，有明显的上升和下降阶段。数据表现为无规律性和非线性，没有呈周期性变化。对历史数据进行分析后发现，振动波动与机组运行参数无关，在振幅波动期间机组膨胀、缸温等重要参数无变化。通过上述特征分析判断该机组高压部分可能存在动静摩擦，从趋势上分析属于一种轻摩擦，这种摩擦往往是有发生摩擦部位的材料特性所决定，如汽封、油档等退让性材料，因此振动幅值上升较缓慢，且有时会自行回落，不易导致振动发散。由于该振动现象的非间歇性和不稳定性，摩擦原因可能是油档积碳或轴封间隙变化等因素导致。鉴于该机组的结构型式，分析认为油档积碳存在的可能性非常大。4 ALSTOM超（超）临界机组现场动平衡试验处理4.1 质量不平衡的振动机理及特征质量不平衡是指转子质量中心围绕其形心旋转所产生的离心力，并以振动或激振力的方式作用于支撑轴承的状态，振动特征如下。（1）转子质量不平衡故障时域波形为类似于简谐振动的标准正弦波；（2）由于转子在各方向上刚度有一定差异，转子轴心轨迹通常为椭圆型，且为同步正向进动；（3）质量不平衡往往反映出很大的基频（1X）振动，转速一定时其振动幅值和相位通常处于稳定状态；（4）由于转子激振力的大小既与转速的平方成正比，也与转子质量中心与回转轴线的距离成正比，因此，振动的大小不仅与转速有关，也与转子的挠曲有关；（5）由转子不平衡引起的径向振动通常比轴向振动大。但是，在外伸转子或悬臂转子不平衡情况下可能会电力系统2023.6 电力系统装备丨27Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment产生较大的轴向和径向振动，这时轴向振动或者与径向振动同量级，或者比径向振动还大。4.2 质量不平衡的原因分析通常情况下，转子的转动中心与其质量中心并不完全重合，因此都存在一定程度的质量不平衡。导致机组轴系产生质量不平衡的主要原因有：（1）制造过程中机械加工不精确或材质不均匀，使得转子上各部件的横截面相对于转动中心轴线不对称，或转子在机械加工及热处理过程中存在残留变形。（2）运行过程中转子上动叶片的不均匀磨损、结垢和灰尘的不均匀沉积、转动部件的断裂（如动叶或拉金等）和脱落（如中心孔堵头、平衡块等）。（3）发电机转子绕组或汽轮机套装转子上的部件存在不对称情况。（4）由于转子变形、热套紧力不足、汽动力引起的转动部件移位，以及运行时转子的热变形。（5）机组在安装和检修时进行过可能破坏转子质量平衡的技术操作。如拆装或更换叶轮、叶片、发电机护环时，产生联轴器连接偏差等。4.3 案例分析某发电厂#3汽轮发电机组大修后于2021年11月15日启动，启动后机组顺利升至额定转速。定速时各轴瓦的振动数据见表2。表2 机组定速至3 000 r/min各轴瓦振动数据通道名称通频幅值（m）1X 分量（m/）1/2X 分量（m）2X 分量（m）1X83.370.1/17804.221Y51.745.3/30106.322X57.250.5/34306.192Y32.221.4/11605.393X10.23.67/002.113Y17.610.3/105004X35.231.9/18103.704Y13.610.8/30902.665X45.240.7/412.686.525Y27.622.9/151006X50.948.3/9802.536Y20.315.3/20602.18机组整体振动水平良好，除#1瓦外其余各轴瓦振动均在优良范围之内；在机组启动过程中，#3瓦和#4瓦端部汽封出现了轻微的摩擦现象，通过“磨合”后通流部分间隙趋于合理，振动恢复正常水平；从定速后高压转子振动数据分析，1X 与2X 振动相位处于反向，1Y与2Y 振动相位处于反向，高压转子存在一定的二阶质量不平衡，是一种典型的二阶质量不平衡，通过现场高速动平衡的方式处理了高压转子振动超标问题。处理方案：高压转子动平衡。经 折 衷 计 算，高 压 转 子 试 加 重 方 案 建 议 为：P1=120g 180，P2=120g 0。即，以前箱内用作键相信号的键槽为零点，#1瓦侧逆转向转动180 加重120 g，#2瓦侧逆转向0 加重120 g。5 社会效益和经济效益5.1 社会效益该研究为该型设备的安装、运行和检修提供了参考，能够有效指导现场运行、检修人员和振动专业技术人员开展该类型设备的振动故障诊断和治理工作。同时，该项目的研究为保障电厂安全生产、电网支撑电源稳定运行发挥了重要作用，也显著提升了电厂相关专业人员的技术水平，社会效益显著。5.2 经济效益某发电机组在振动治理过程中，通过现场治理，机组振动水平均达到了预期效果，没有因为振动治理耽误机组运行。以某发电厂4台机组为例，目前的上网电价为0.333元/kWh，边际成本0.246元/kWh，按照70%的负荷率计算，1 000 MW 机组运行一天可节省利润约为：1 000 000kWh70%24h/d1d5.94%（0.333-0.246）元/kWh=8.7万元；因此，单日4台机组可节约28.7=17.4万元，每年可节约发电成本6 351万元，产生了显著的经济效益，同时为机组在日益激烈的竞争中增强了竞争力，所产生的隐形经济效益更加可观。6 结束语汽轮发电机组出现的复杂的、突发性振动故障，易引起机组跳闸事故发生，甚至导致发生灾难性的设备损坏事故。通过对振动异常问题及时进行分析处理，提高机组设备的可靠性，对机组设备的安全稳定运行有着非常重要的意义。参考文献1 张学延.汽轮发电机组振动诊断 M.北京：中国电力出版社，2008.2 张学延，张卫军，何国安.火电厂旋转机械振动诊断及治理技术 M.北京：中国电力出版社，2019.3 何国安，张学延，张卫军.汽轮发电机组轴系振动研究进展及趋势 J.热力发电，2016（11）：1-4.4 赵勇，孙克彬.国产 600 MW 级汽轮发电机关键结构特点分析 J.热力发电，2009（12）：5-11.5 朱洪波，张俊杰.沙角 C 厂 660 MW 汽轮发电机组振动故障分析及处理 J.中国电力，1997（2）：7-10.