某電廠發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障診斷及處理
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劉樹(shù)鵬，葛祥
（西安熱工研究院有限公司，西安710032）
[摘要] 某電廠4號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組帶負(fù)荷時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)不斷爬升并達(dá)到跳機(jī)值，導(dǎo)致調(diào)試進(jìn)程無(wú)法順利完成。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)、全面的測(cè)試，診斷其故障原因?yàn)椋簾釕B(tài)下轉(zhuǎn)子線圈出現(xiàn)動(dòng)態(tài)匝間短路現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部受熱而發(fā)生暫態(tài)彎曲。這一診斷結(jié)論得到了電氣專業(yè)動(dòng)態(tài)匝間短路試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。更換發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子后，振動(dòng)爬升現(xiàn)象徹底消除。機(jī)組帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，軸系振動(dòng)達(dá)到優(yōu)良水平。
[關(guān)鍵詞] 汽輪發(fā)電機(jī)組；發(fā)電機(jī)；振動(dòng)；匝間短路；熱彎曲
[中圖分類號(hào)] TM301.4.+2[文章編號(hào)]1000-3983(2016)03-0015-04
0 引言
某電廠4號(hào)機(jī)組是由東方汽輪機(jī)廠和東方電機(jī)廠生產(chǎn)的超超臨界、凝汽式660MW汽輪發(fā)電機(jī)組。其中汽輪機(jī)為N660-25/600/600型超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓凝汽式汽輪機(jī)，配以QFSN-660-2-22型全封閉、自通風(fēng)、強(qiáng)制潤(rùn)滑、水／氫／氫冷卻方式的發(fā)電機(jī)，采用自并勵(lì)靜止勵(lì)磁。
機(jī)組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子（HIP）、低壓轉(zhuǎn)子(LP)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子( GEN)、勵(lì)磁滑環(huán)小軸(EXC)以及8個(gè)支持軸承組成，各個(gè)轉(zhuǎn)子之間均采用剛性聯(lián)軸器連接，其中高中壓轉(zhuǎn)子的兩個(gè)支承軸承均為可傾瓦軸承，低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為橢圓瓦軸承，各轉(zhuǎn)子均采用雙支撐型式。機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
1機(jī)組振動(dòng)概況
4號(hào)機(jī)組于2014年6月底進(jìn)入整套起動(dòng)調(diào)試階段，升速過(guò)程振動(dòng)尚可，初定速時(shí)軸系振動(dòng)也不大，7X軸振動(dòng)在70μm左右。定速初期一段時(shí)間，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)尤其是7X軸振動(dòng)爬升速度較快，半個(gè)小時(shí)左右7X軸振動(dòng)增大到120μm左右。并網(wǎng)后，低負(fù)荷區(qū)間，7X
軸振動(dòng)仍然不斷爬升，只是速度有所放緩，高負(fù)荷區(qū)間，尤其是從400MW繼續(xù)升負(fù)荷時(shí)，7X軸振動(dòng)爬升的速度突然加陜，超過(guò)250μm，達(dá)到跳機(jī)值。停機(jī)惰走過(guò)程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)臨界轉(zhuǎn)速振動(dòng)比升速過(guò)程時(shí)顯著增大。圖2和圖3分別給出其中兩次定速帶負(fù)荷過(guò)程7X軸振動(dòng)及其相位變化趨勢(shì)圖。
2振動(dòng)故障分析診斷及處理
2.1 相關(guān)振動(dòng)試驗(yàn)
該機(jī)組振動(dòng)故障的初步印象就是振動(dòng)跟負(fù)荷有關(guān)，即升負(fù)荷過(guò)程發(fā)電機(jī)振動(dòng)逐步增大。為進(jìn)一步查明根本原因，調(diào)試過(guò)程中穿插著對(duì)機(jī)組進(jìn)行了變勵(lì)磁電流、變冷卻氫溫以及變密封瓦油溫試驗(yàn)。下面分別介紹各個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)電機(jī)振動(dòng)的變化趨勢(shì)。
(1)變勵(lì)磁電流試驗(yàn)
7月21日13：10始，保持負(fù)荷為330MW，將勵(lì)磁電流從2650A逐步增加到3020A，7X軸振動(dòng)從110μm增大到125μm左右，振動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)比較明顯，為避免振動(dòng)發(fā)散控制不住，未將勵(lì)磁電流繼續(xù)增大到額定值，試驗(yàn)結(jié)束。
實(shí)際上，7月19日調(diào)試方試圖進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)，過(guò)程也相當(dāng)于進(jìn)行了一次變勵(lì)磁電流電壓試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流從3969A升高至4445A左右，7X軸振動(dòng)從190μm突然增大到接近250μm，試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行下去。隨即降低勵(lì)磁電流，振動(dòng)值也不降低，又采取措施降負(fù)荷至300MW以下，振動(dòng)雖有下降趨勢(shì)，但是降速非常緩慢。試驗(yàn)中振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。
(2)變冷卻氫溫試驗(yàn)
變勵(lì)磁電流試驗(yàn)完成后隨即進(jìn)行變冷卻氫溫試驗(yàn)，試驗(yàn)中將氫冷器冷風(fēng)溫度從38℃提高到48℃，7X軸振動(dòng)從130μm增大到145μm左右，8號(hào)軸振動(dòng)變化不大。停止試驗(yàn)，恢復(fù)氫溫到原始值后，振動(dòng)卻不降低，無(wú)法恢復(fù)原始值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。
(3)變密封油溫試驗(yàn)
變密封油溫試驗(yàn)由調(diào)試方在調(diào)試中自行完成。試驗(yàn)中振動(dòng)基本保持穩(wěn)定，結(jié)果表明改變密封油溫對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)基本沒(méi)有影響。
(4)動(dòng)平衡配重試驗(yàn)
由于工期較緊，現(xiàn)場(chǎng)嘗試對(duì)發(fā)電機(jī)軸系進(jìn)行了一次動(dòng)平衡配重工作，試圖補(bǔ)償熱態(tài)下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)變化。動(dòng)平衡后，在空載及低負(fù)荷區(qū)間取得一定效果，振動(dòng)降低至合格水平，但是大負(fù)荷后仍然出現(xiàn)較大的振動(dòng)變化，振動(dòng)仍然超標(biāo)。另外，后來(lái)廠家提供的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出廠前的動(dòng)平衡試驗(yàn)報(bào)告也表明，該轉(zhuǎn)子冷態(tài)下平衡狀態(tài)尚可，但熱態(tài)下平衡狀態(tài)較差，廠內(nèi)動(dòng)平衡配重也未取得預(yù)期效果，說(shuō)明問(wèn)題的根源不在于平衡等機(jī)械方面的缺陷。
3 振動(dòng)故障分析診斷及處理
3.1 相關(guān)振動(dòng)試驗(yàn)
對(duì)該機(jī)組振動(dòng)故障的初步判斷就是振動(dòng)跟負(fù)荷有關(guān)，即升負(fù)荷過(guò)程發(fā)電機(jī)振動(dòng)逐步增大。為進(jìn)一步查明根本原因，調(diào)試過(guò)程中穿插著對(duì)機(jī)組進(jìn)行了變勵(lì)磁電流、變冷卻氫溫以及變密封瓦油溫試驗(yàn)。下面分別介紹各個(gè)式驗(yàn)過(guò)程中發(fā)電機(jī)振動(dòng)的變化趨勢(shì)。
(1)變勵(lì)磁電流試驗(yàn)
7月21日13:10始，保持負(fù)荷為330MW，將勵(lì)磁電流從2650A逐步增加到3020A，7X軸振動(dòng)從110μm增大到125μm左右，振動(dòng)增長(zhǎng)的趨勢(shì)比較明顯，為避免振動(dòng)發(fā)散控制不住，未將勵(lì)磁電流繼續(xù)增大到額定值，試驗(yàn)結(jié)束。
實(shí)際上，7月19日調(diào)試方試圖進(jìn)行進(jìn)相試驗(yàn)時(shí)，過(guò)程也相當(dāng)于進(jìn)行了一次變勵(lì)磁電流電壓試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流從3969A升高至4445A左右，7X軸振動(dòng)從190μm突然增大到接近250μm，試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行下去。隨即降低勵(lì)磁電流，振動(dòng)值也不降低，又采取措施降負(fù)荷至300MW以下，振動(dòng)雖有下降趨勢(shì)，但是降速非常緩慢。試驗(yàn)中振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所列。
(2)變冷卻氫溫試驗(yàn)
變勵(lì)磁電流試驗(yàn)完成后隨即進(jìn)行變冷卻氫溫試驗(yàn)，試驗(yàn)中將氫冷器冷風(fēng)溫度從38℃，提高到48℃，7X軸振動(dòng)從130μm增大到145μm左右，8號(hào)軸振動(dòng)變化不大。停止試驗(yàn)，恢復(fù)氫溫到原始值后，振動(dòng)卻不降低，無(wú)法恢復(fù)原始值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。
(3)變密封油溫試驗(yàn)
變密封油溫試驗(yàn)由調(diào)試方在調(diào)試中自行完成。試驗(yàn)中振動(dòng)基本保持穩(wěn)定，結(jié)果表明改變密封油溫對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)基本沒(méi)有影響。
(4)動(dòng)平衡配重試驗(yàn)
由于工期較緊，現(xiàn)場(chǎng)嘗試對(duì)發(fā)電機(jī)軸系進(jìn)行了一次動(dòng)平衡配重工作，試圖補(bǔ)償熱態(tài)下轉(zhuǎn)子的振動(dòng)變化。動(dòng)平衡后，在空載及低負(fù)荷區(qū)間取得一定效果，振動(dòng)降低至合格水平，但是大負(fù)荷后仍然出現(xiàn)較大的振動(dòng)變化，振動(dòng)仍然超標(biāo)。另外，后來(lái)廠家提供的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出廠前的動(dòng)平衡試驗(yàn)報(bào)告也表明，該轉(zhuǎn)子冷態(tài)下平衡狀態(tài)尚可，但熱態(tài)下平衡狀態(tài)較差，廠內(nèi)動(dòng)平衡配重也未取得預(yù)期效果，說(shuō)明問(wèn)題的根源不在于平衡等機(jī)械方面的缺陷。
3.2振動(dòng)故障分析診斷及處理
根據(jù)以上試驗(yàn)及數(shù)據(jù)，4號(hào)發(fā)電機(jī)振動(dòng)存在以下特征：
(1)空載時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)不大，隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)及并網(wǎng)后負(fù)荷增加，發(fā)電機(jī)振動(dòng)尤其是7號(hào)軸振動(dòng)穩(wěn)步增長(zhǎng)。
(2)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)增長(zhǎng)主要與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流有關(guān)，隨勵(lì)磁電流增大，轉(zhuǎn)子振動(dòng)也穩(wěn)步增大。振動(dòng)增大后，降低電流及負(fù)荷，振動(dòng)很難恢復(fù)到低位。
(3)振動(dòng)幅值增長(zhǎng)時(shí)，振動(dòng)相位也變化較大，最終穩(wěn)定的角度區(qū)域趨同。
(4)振動(dòng)成分主要以1倍頻分量為主，其余雜波成分很少。
綜合以上特征分析，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)異常增長(zhǎng)屬于轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲而引起的不穩(wěn)定強(qiáng)迫振動(dòng)。結(jié)合本機(jī)振動(dòng)變化的引發(fā)因素以及振動(dòng)變化趨勢(shì)，可以排除冷卻系統(tǒng)缺陷、線圈膨脹受阻以及出現(xiàn)動(dòng)靜碰磨等故障，鑒于振動(dòng)變化與勵(lì)磁電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子熱彎曲的根源在于轉(zhuǎn)子線圈存在匝間短路故障，而且該故障在轉(zhuǎn)子受熱后，較大的勵(lì)磁電流和電壓下才表現(xiàn)比較明顯。這一結(jié)論后來(lái)得到電氣專業(yè)動(dòng)態(tài)匝間短路試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，試驗(yàn)表明，只有在大負(fù)荷尤其是400MW以上時(shí)，發(fā)電機(jī)第7、第8道線圈的動(dòng)態(tài)氣隙波形不合格。
考慮到對(duì)發(fā)電機(jī)匝間短路故障處理的技術(shù)及環(huán)境要求較高，廠家要求返廠處理，由于現(xiàn)場(chǎng)工期緊張，電廠和廠家協(xié)調(diào)的結(jié)果是更換一根新的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子。
3.3 振動(dòng)故障處理效果
更換新發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子后，4號(hào)機(jī)組于8月16日首次起動(dòng)，升速過(guò)程軸系振動(dòng)最大未超過(guò)100μm，額定轉(zhuǎn)速下，軸系振動(dòng)均小于70μm，振動(dòng)處于優(yōu)良水平。該機(jī)組于8月19日12:45并網(wǎng)帶負(fù)荷，并網(wǎng)前后軸系振動(dòng)變化不大，升負(fù)荷過(guò)程各軸瓦振動(dòng)也比較穩(wěn)定，至機(jī)組帶滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，軸系中最大振動(dòng)7X為61μm左右，其余均小于60μm，振動(dòng)水平達(dá)到優(yōu)良水平。表5列出若干負(fù)荷工況下軸系振動(dòng)數(shù)據(jù)。
帶負(fù)荷過(guò)程中，低壓轉(zhuǎn)子瓦振動(dòng)波動(dòng)較大，尤其是3、4號(hào)軸承瓦振動(dòng)，帶負(fù)荷初期瓦振動(dòng)均小于50μm，但是隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，瓦振動(dòng)大幅波動(dòng)，最大時(shí)超過(guò)80μm，最終穩(wěn)定在45μm左右，期間3、4號(hào)軸振動(dòng)卻比較穩(wěn)定，說(shuō)明瓦振動(dòng)變化主要是由軸瓦結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度差引起的，這是該機(jī)型的通病。低壓軸承座坐落在缸體上，軸承座動(dòng)剛度受缸體的膨脹變形影響較大，實(shí)際的振動(dòng)情況需等機(jī)組大負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間、缸體膨脹到位后的瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。
4結(jié)論
(1)4號(hào)機(jī)組調(diào)試過(guò)程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)爬升故障原因在于熱態(tài)下轉(zhuǎn)子線圈出現(xiàn)動(dòng)態(tài)匝間短路現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子局部受熱變形而發(fā)生暫態(tài)熱彎曲。更換轉(zhuǎn)子后，徹底消除了振動(dòng)爬升現(xiàn)象。
(2)目前，4號(hào)機(jī)組帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)軸系振動(dòng)均小于70μm，達(dá)到GB11348.2-2012標(biāo)準(zhǔn)及火電工程調(diào)整試運(yùn)質(zhì)量檢驗(yàn)及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)良水平，機(jī)組可以安全運(yùn)行。
