汽輪機(jī)軸系安裝中的振動(dòng)及故障處理

1水機(jī)機(jī)組增容改造廣東新豐江電裝配廠位于廣東省東江支流新豐江。配備了四臺(tái)混流式發(fā)電站。經(jīng)過改進(jìn)，目前總安裝時(shí)間為35.5m。這是廣東省最大的傳統(tǒng)電力廠。在系統(tǒng)中，它主要起到了調(diào)節(jié)針頭、頻率和事故等待的作用。#2機(jī)組于1961年投產(chǎn),水輪機(jī)型號(hào)為HL662-LJ-410,至改造前已運(yùn)行42年,超過了30年的設(shè)計(jì)使用壽命。限于當(dāng)時(shí)的制造水平,該水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片制造質(zhì)量差、葉片型線誤差大、表面光潔度不高,加上長期遭到空蝕嚴(yán)重破壞,檢修中大面積補(bǔ)焊又導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片變形,水機(jī)效率嚴(yán)重降低,同時(shí)發(fā)電機(jī)絕緣老化現(xiàn)象嚴(yán)重,定子鐵心松動(dòng)、銹蝕,槽楔松動(dòng)。為解決上述設(shè)備問題,提高機(jī)組效率、出力及運(yùn)行安全穩(wěn)定性,于2010年6月對(duì)#2機(jī)組做了增容改造,改造后水輪機(jī)型號(hào)為HLA724a-LJ-410,額定水頭73m,額定出力93.6MW,最大水頭84.3m,最大出力107MW,最小水頭57.8m,額定轉(zhuǎn)速150r/min。機(jī)組為懸吊式結(jié)構(gòu),有上導(dǎo)軸承,無下導(dǎo)軸承。#2機(jī)組增容改造完成后,存在機(jī)組振動(dòng)擺度嚴(yán)重超標(biāo)、某一方向上導(dǎo)瓦溫高及機(jī)組軸線曲折等問題,根據(jù)現(xiàn)場動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)配重后消除了機(jī)組軸系存在的機(jī)械及電磁不平衡力。同時(shí)通過調(diào)整發(fā)電機(jī)空氣間隙,上機(jī)架水平及機(jī)組旋轉(zhuǎn)水平、重新盤車調(diào)整機(jī)組軸線等針對(duì)性的檢修,大大提高了機(jī)組軸系穩(wěn)定性,保證了機(jī)組的長期安全運(yùn)行。2旋轉(zhuǎn)中心和軸線問題目前,大中型反擊式水輪發(fā)電機(jī)組均為立式機(jī)組,立式機(jī)組的布置決定了水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)以及機(jī)組軸系運(yùn)行的基本狀態(tài)和要求。機(jī)組軸系穩(wěn)定性是運(yùn)行穩(wěn)定性的基礎(chǔ),而軸系穩(wěn)定性的先決條件取決于三個(gè)中心,即機(jī)組中心、旋轉(zhuǎn)中心及軸線。機(jī)組中心是指水輪發(fā)電機(jī)各個(gè)固定部件(即發(fā)電機(jī)定子、機(jī)組上下機(jī)架、水輪機(jī)頂蓋及上下止漏環(huán)等部件)的中心連線,稱之為機(jī)組設(shè)備安裝中心;旋轉(zhuǎn)中心是指機(jī)組運(yùn)行時(shí),推力軸承的鏡板平面的中心垂線;軸線是指機(jī)組水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)主軸中心的連線,稱之為機(jī)組主軸軸線。機(jī)組軸系三個(gè)中心既相互依存又相互作用,任何一個(gè)中心的偏差或存在問題,都會(huì)影響機(jī)組軸系運(yùn)行的穩(wěn)定性。水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性受多種因素影響,振動(dòng)原因、形式、條件各異,但主要體現(xiàn)在水力因素、機(jī)械因素和電磁力因素干擾三個(gè)方面。目前國內(nèi)水電機(jī)組設(shè)計(jì)及制造加工工藝均已相當(dāng)成熟,除水電機(jī)組一些固有特性(如非設(shè)計(jì)工況下的水力不穩(wěn)定因素及尾水管渦帶)導(dǎo)致的振動(dòng)外,影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定的因素多與機(jī)組的安裝工藝及安裝質(zhì)量有關(guān),尤其是新投產(chǎn)機(jī)組及增容改造后的機(jī)組。為保證立式水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性,應(yīng)滿足以下三個(gè)基本條件:(1)機(jī)組設(shè)備安裝時(shí),應(yīng)確保機(jī)組中心準(zhǔn)確可靠,使機(jī)組各固定部件中心在同一垂線上,保證旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)組中心重合,保證機(jī)組各部位間隙及發(fā)電機(jī)氣隙均勻,以減少水輪機(jī)水力干擾和發(fā)電機(jī)電磁力干擾。(2)機(jī)組盤車時(shí),需準(zhǔn)確定位機(jī)組的旋轉(zhuǎn)中心,確定軸系運(yùn)行的最大擺度值方位,確保軸系運(yùn)行的垂直度和直線度,以減少機(jī)械不平衡力的干擾。(3)軸線質(zhì)量好,表明旋轉(zhuǎn)體自身達(dá)標(biāo),但機(jī)組軸系運(yùn)行時(shí),除了旋轉(zhuǎn)體本身外,還要與機(jī)組的各部位導(dǎo)軸承保持同心。3機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果由于#2機(jī)組可能存在質(zhì)量不平衡及電磁力不平衡,因此在增容改造后的啟動(dòng)過程中對(duì)機(jī)組各部位的振動(dòng)擺度進(jìn)行了全面監(jiān)測,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。在額定轉(zhuǎn)速下,機(jī)組各部位振動(dòng)偏大,機(jī)組上機(jī)架水平振動(dòng)通頻峰峰值最大達(dá)到99.2μm,上導(dǎo)擺度最大達(dá)到347.5μm,兩者的轉(zhuǎn)頻峰峰值均占通頻峰峰值的比例達(dá)70%~80%,表明機(jī)組存在明顯的機(jī)械不平衡。譜分析結(jié)果表明,機(jī)組上導(dǎo)擺度及上機(jī)架水平振動(dòng)信號(hào)中均存在明顯的二倍轉(zhuǎn)頻分量,并且-X+Y方向二倍轉(zhuǎn)頻分量明顯比-X-Y方向大,表明機(jī)組上導(dǎo)、水導(dǎo)不同心或機(jī)組軸線有曲折。從機(jī)組升壓后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,到0.5Ue時(shí),機(jī)組上機(jī)架水平振動(dòng)及上導(dǎo)擺度已經(jīng)嚴(yán)重超出了國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定≤90μm的要求。上導(dǎo)擺度及上機(jī)架水平振動(dòng)通頻峰峰值及轉(zhuǎn)頻峰峰值均隨著勵(lì)磁電流的增大而明顯增大,同時(shí)二倍頻分量也明顯增大,而轉(zhuǎn)頻相位角基本不變,說明機(jī)組同時(shí)存在機(jī)械不平衡力及由于機(jī)械原因?qū)е碌碾姶挪黄胶饬?且兩個(gè)不平衡力的相位角基本一致,同時(shí)機(jī)組存在上導(dǎo)、水導(dǎo)不同心或機(jī)組軸線曲折程度進(jìn)一步加劇的問題。在0.5Ue工況下進(jìn)行機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn),動(dòng)平衡采用影響系數(shù)法,通過兩次配重,最終在機(jī)組發(fā)電機(jī)#4、#5輪臂上共加配重88.5kg,圖1為機(jī)組配重示意圖,配重后機(jī)組帶負(fù)荷時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。從配重后的試驗(yàn)結(jié)果來看,機(jī)組運(yùn)行非常平穩(wěn),各部位振動(dòng)擺度均滿足要求。譜分析結(jié)果表明,機(jī)組上導(dǎo)擺度、水導(dǎo)擺度及上機(jī)架水平振動(dòng)中仍存在二倍頻分量,但幅值已經(jīng)大幅下降。4機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間穩(wěn)定后的上導(dǎo)軸承瓦溫度機(jī)組改造后的運(yùn)行過程中,上導(dǎo)軸承#4、#5、#6、#7瓦瓦溫偏高,其中#6瓦瓦溫最高,接近報(bào)警值60℃,且上導(dǎo)軸瓦最高瓦溫與最低瓦溫相差11.1℃,機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間穩(wěn)定后的上導(dǎo)軸承瓦溫度見表2。另外,機(jī)組各部位擺度、振動(dòng),包括定子基座水平振動(dòng)信號(hào)中均含有明顯的二倍轉(zhuǎn)頻分量,其中上導(dǎo)擺度信號(hào)中二倍轉(zhuǎn)頻分量非常大,水導(dǎo)擺度次之,并且水導(dǎo)擺度信號(hào)中除二倍轉(zhuǎn)頻以外,還包含三倍轉(zhuǎn)頻、四倍轉(zhuǎn)頻等高倍轉(zhuǎn)頻分量,表明機(jī)組除存在上導(dǎo)、水導(dǎo)不同心或機(jī)組軸線有曲折等問題外,水導(dǎo)軸瓦處還有輕微碰磨現(xiàn)象。4.1振動(dòng)信號(hào)分析為查明原因,對(duì)機(jī)組檢修記錄及相關(guān)部位進(jìn)行了詳細(xì)檢查,發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)問題:(1)機(jī)組在增容改造過程中的盤車數(shù)據(jù)記錄顯示,機(jī)組法蘭處盤車凈擺度達(dá)到160~170μm,明顯偏大,而水導(dǎo)處盤車凈擺度只有30μm左右。這兩組數(shù)據(jù)表明機(jī)組軸線存在彎曲,并且在法蘭處存在一個(gè)明顯的折線,機(jī)組在運(yùn)行過程中,就會(huì)產(chǎn)生“蹺蹺板”現(xiàn)象,導(dǎo)致各振動(dòng)擺度信號(hào)中存在二倍頻分量,而機(jī)組定子基座水平振動(dòng)信號(hào)中也存在明顯的二倍頻分量,表明機(jī)組由于軸線曲折而產(chǎn)生的不平衡力矩通過上機(jī)架傳遞到了定子基座上,并對(duì)定子基座產(chǎn)生了較大影響,說明整個(gè)軸系的不平衡力矩較大。同時(shí),由于軸線傾斜及曲折,導(dǎo)致機(jī)組大軸運(yùn)行姿態(tài)發(fā)生改變,使得大軸在上導(dǎo)軸承及水導(dǎo)軸承處產(chǎn)生偏靠現(xiàn)象,機(jī)組上導(dǎo)軸瓦為鎢金瓦,而水導(dǎo)軸瓦為橡膠瓦(橡膠瓦無溫度顯示),因此出現(xiàn)上導(dǎo)軸瓦一側(cè)瓦溫高,另一側(cè)瓦溫低,且水導(dǎo)軸承處出現(xiàn)輕微碰磨的現(xiàn)象。(2)測量機(jī)組在運(yùn)行狀態(tài)下的上機(jī)架下沉量結(jié)果表明,#4、#5、#6上導(dǎo)軸瓦方位(即溫度較高的導(dǎo)瓦所在方位)的上機(jī)架各支腿下沉量較大,最大相差0.03mm/m,說明在運(yùn)行狀態(tài)下上機(jī)架水平度較差,大軸可能會(huì)向#4、#5、#6上導(dǎo)軸瓦處偏靠。(3)發(fā)電機(jī)空氣間隙測量結(jié)果表明,上部空氣間隙數(shù)據(jù)均在國標(biāo)允許范圍內(nèi),下部空氣間隙有5個(gè)磁極數(shù)據(jù)超標(biāo),有1/3磁極上、下部空氣間隙偏差比較大,但#4、#5、#6上導(dǎo)軸瓦方位處(即溫度較高的導(dǎo)瓦所在方位)的空氣間隙較小。在振動(dòng)故障分析與處理中發(fā)現(xiàn),機(jī)組主要的振源為電磁力不平衡,因此空氣間隙小的地方必然受力大,從而導(dǎo)致此處的軸瓦承載負(fù)荷大,瓦溫高。#2機(jī)組軸線曲折,上機(jī)架水平度差及發(fā)電機(jī)空氣間隙不均勻是引起軸系振動(dòng)及上導(dǎo)軸承瓦溫高的主要原因,三者并不是孤立的,而是相互影響、相互促進(jìn)的。4.2重新調(diào)整機(jī)組各部位振動(dòng)、擺度頻率2011年3~5月,對(duì)#2機(jī)組進(jìn)行了B級(jí)檢修,在檢修中采取措施為:(1)分解大軸法蘭,對(duì)法蘭面進(jìn)行徹底清理,改善軸線曲折狀況。重新聯(lián)軸后,盤車數(shù)據(jù)顯示軸線曲折形態(tài)比檢修前有所改善。(2)重新調(diào)整空氣間隙,有效減小空氣間隙的偏差。(3)重新調(diào)整機(jī)組上機(jī)架水平及機(jī)組旋轉(zhuǎn)水平。(4)處理部分磁極下沉、磁極楔塊松動(dòng)的問題。(5)對(duì)上導(dǎo)軸瓦進(jìn)行研磨修刮,去除表面一層鎢金,消除瓦面軟硬不一的現(xiàn)象,保證上導(dǎo)軸瓦接觸點(diǎn)、接觸面積符合國標(biāo)規(guī)定。B級(jí)檢修后,機(jī)組運(yùn)行過程中上導(dǎo)軸瓦局部瓦溫偏高的問題得到了解決(表2)。從機(jī)組各部位振動(dòng)、擺度頻譜分析結(jié)果來看,各信號(hào)中仍然存在二倍轉(zhuǎn)頻分量,但二倍轉(zhuǎn)頻分量明顯降低,尤其是上機(jī)架水平振動(dòng)中的二倍轉(zhuǎn)頻分量已經(jīng)非常小,說明通過對(duì)軸系重新調(diào)整后,軸線曲折現(xiàn)象有了很大改善。同時(shí)機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性得到了提高,B級(jí)檢修后機(jī)組帶負(fù)荷時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。5解決機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性重a.針對(duì)新豐江水電廠#2機(jī)組啟動(dòng)過程中出現(xiàn)的振動(dòng)故障,通過試驗(yàn)準(zhǔn)確判斷機(jī)組軸系存在機(jī)械不平衡及電磁力不平衡,分析了產(chǎn)生