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霍州发电厂4机振动故障诊断与治理杨建刚（东南大学火电机组振动国家工程研究中心，210096）1 前言霍州电厂4机系哈汽生产的100MW机组，轴系由高压、低压和发电机转子构成，每个转子由两个轴承支撑。其中4、5轴承共一个轴承座，该轴承座位于低压排汽缸上，机组轴系布置如图1所示。图1 霍州电厂4机轴系示意图该机在97年10月大修前的振动情况是比较好的，但大修后第一次开机时由于振动大，机组曾反复启停了18次。经过多方面处理后，机组最终开到了3000rpm，但此后振动一直很不稳定，不稳定振动突出表现在4、5瓦上。例如：97年12月8日4、5瓦垂直振动分别为22um和18um，但是10天后4、5瓦垂直振动上升到50um，一个月后4、5瓦振动又上升到60um。又如99年4月份开机定速后，4、5瓦垂直振动分别为21um和28um，但一天后4瓦垂直振动即上升到60um。不稳定振动严重影响了机组的安全、稳定运行。为了解决该机组振动问题，1999年我们对该机振动进行了全面测试，分析了故障原因，制定了故障治理方案并在机组小修中实施，取得了良好效果。2 振动测试结果分析4机振动问题突出表现在低压转子和发电机转子上，因此本次开机重点测试了37轴承瓦振。2.1 开机过程振动分析图2 升速和超速过程中35瓦振动变化图2 给出了升速和超速过程中35瓦振动变化情况。从图中可以看出，整个升速过程中35瓦振动最大不超过60um，其它瓦也比较小。机组刚到3000rpm时的振动也很小，36瓦振动分别只有29um、16um、4.6um和5.5um，这说明机组原始平衡状况比较好。2.2 定速过程振动分析 表1 定速过程中各瓦振动变化情况（单位：um）轴承刚到3000rpm定速10min后定速30min后振动变化振动变化3301072812610218301249206415181171538912215910124552463590408746115491156724373098643026287829410101154432989表1给出了刚到3000rpm和定速后机组振动变化情况。定速后各瓦振动处于爬升趋势。5瓦振动变化量最大，其次为3、4瓦。定速过程中5瓦相位从53度升高到117度，相位逆转了64度。4、5瓦振动变化具有很强的相关性，角度基本相同，只是幅值上有差别。2.3 超速过程振动分析 图2给出了机组超速过程中35瓦振动变化情况。从图中可以看出：35瓦振动在31003180rpm附近有一个明显的峰值。2.4 并网带负荷过程振动分析表2 带负荷过程中振动变化情况（单位：um）轴承原始振动10MW,0.85KA80MW,1.3KA振动变化振动变化33312739127612738120782424191271943191371851317453013436160162165115525180652892186612991621314475739221142321419817212图3 带负荷过程中各瓦振动变化情况并网前后振动没有变化。表2和图3给出了带负荷过程中37瓦振动工频幅值和相位变化情况。从这些图表中可以看出：（1）随着负荷的增加，47瓦振动逐渐增大，趋势相近，表明四者之间存在相互影响。带负荷过程中5瓦振动变化最大，其次是7瓦、4瓦和6瓦。（2）负荷变化时各瓦振动变化比较缓慢，不是随负荷的变化而突然变化。（3）带负荷过程中各瓦振动频谱没有明显变化，少量的二倍频分量一直存在。（4）与空负荷时的振动相比，5瓦振动相位增大了25度，6、7瓦的振动相位分别减小了130度和增大了130度。值得指出的是，此阶段内励磁电流也有少量变化。2.5 变励磁电流过程振动分析为了验证机组振动故障原因，本次开机专门做了改变发电机转子励磁电流试验。表3给出了95MW负荷下变励磁电流试验结果。表3 95MW负荷下励磁电流试验结果（单位：um）轴承1.6KA10:381.4KA,11:001.2KA,11:33振动变化振动变化33811037113222835120723044517942180334535184113425721566215810324441612832863611028109829320109162917221992019047315192733从表中可以看出：（1）励磁电流对振动有比较大的影响，励磁电流增大，振动增大。变励磁电流过程中，各瓦振动同步变化，变化趋势相近。此阶段内5瓦振动最敏感，振动达到72 um，其次为6、4瓦。（2）励磁电流变化过程中，各瓦振动幅值发生变化，但相位基本没有变化。5、4瓦振动变化基本同相。负荷越高，励磁电流对振动的影响越明显。（3）励磁电流变化后，振动不是突变，而是缓变，一般需要3040分钟后振动才能稳定下来，振动变化较励磁电流变化具有明显的滞后性。（4）电流改变过程中振动频谱没有太大变化，二倍频分量一直维持在较低的水平上。2.6变真空过程振动分析表4给出了负荷95MW、励磁电流1.6KA、真空从84Kpa变化到81Kpa时各瓦振动变化情况。从表中可以看出，真空变化对振动的影响比较小，远不如励磁电流的影响明显。表4 真空变化对各瓦振动的影响轴承83KPa84KPa81KPa81KPa3371133911339114401124421834218243184431835601606316165160681596301103111032107331047191991920019198191973 机组冷热态标高变化测试结果分析表5 机组冷热态标高相对变化情况（单位mm）工况1223344556抽真空1.040.690.87-0.6-0.72开机-0.120.085-0.480.1540定速-0.94-0.070.0360.269-0.38带负荷-0.19-0.780.151-0.060.663变电流0-0.04-0.020-0.128881Kpa-0.090.2060.3410.161-0.37注：正值代表前面瓦的标高相对后面瓦的标高上升。利用机组冷态开机的良机，本次试验采用连通管的原理，测试了机组从抽真空开始到带满负荷整个开机过程中16瓦冷热态标高相对变化情况。图4和表5给出了机组不同工况下轴系各瓦标高相对变化情况。从这些图、表中可以看出：（1）抽真空对各轴承标高变化的影响最大。（2）3、4瓦都座落在汽轮机低压排汽缸上，结构相同，标高变化趋势应该相近。但本次试验却发现两者相对标高变化比较大，特别是在真空改变过程中。（3）图4给出了冷、热态不同工况下各瓦标高相对变化情况。从图中可以看出，无论在哪种工况下，4瓦相对标高在整个轴系中都是最低的，5瓦其次。图4 不同工况下各轴承标高相对变化情况4 发电机转子通风试验结果分析图5 发电机转子通风孔结构示意图该发电机转子采用氢冷方式。如图5所示，圆周方向看线圈部位均匀分布着32个槽，每个槽沿轴向分布着若干个通风孔，沿转子轴向共分为五个风区，其中1、3、5区为出风区。97年10月机组大修结束后发电机转子做了通风试验。 试验数据表明 出风区各孔的风速严重不等，最大为10.7m/s，最小仅为1.35m/s。图6给出了发电机转子某出风口周向各槽口风速分布情况。从该图中可以看出周向各槽口风速分布不均匀，其它通风口的情况也差不多。我们计算了发电机转子横截面上各通风口处槽口风速矢量和。如果周向各槽口风速均匀，那么风速矢量和应为0，因此，风速矢量和反映了周向各槽口风速不均匀程度，矢量和的幅值表示风速偏大的程度，矢量和的角度表表示风速在该角度处偏大。所有角度都是把1号槽口所对应的位置作为零点，槽号增大的方向就是角度增大的方向。图5中第一出风区靠近励磁机端，第三出风区靠近汽轮机端。图6 发电机转子某通风口周向各槽口风速分布矢量图表8 发电机转子各出风口周向风速矢量和（单位：m/s）通风口第一出风区第二出风区第三出风区14.2641.337629429.08713551750310.5734.557122246.78411509.753514.5875.5489.53367.5789531664710783.749163685.4806.261136199.0883.47918341010.4748.34316681111713.7621239127.6644.5586116139.6612.4421533149.3675.559694151367/193416/178.050/123818/191067/2343合计15373815418245表8和图7分别给出了轴向各通风口风速矢量和数据和分布图。从这些图、表中可以看出：（1）沿发电机转子轴向，各通风口处风速矢量和不等，表明转子上不同轴段所受到的冷却程度不同。（2）转子轴向三个出风区中，中间出风区各通风口流速矢量和比较小，说明该区内转子冷却程度比较均匀。第一、三风区通风口风速矢量和比较大，说明发电机转子两端冷却程度不均匀，尤以汽端最为严重。（3）尽管沿轴向各风区风速矢量和的幅值不等，但三个出风区风速矢量和的角度却是基本相同，在4573度之间。这说明转子轴向冷却不均匀基本是在同一角度上。5 机组振动故障原因分析根据上述测试结果，我们对该机组存在的振动问题进行了详细分析。5.1 故障发生部位振动故障主要发生在发电机转子上，具体地说就是在发电机转子两个端部，而且基本处于同一方向上，其中靠5瓦端部处最严重。这是因为：在整个工况变化过程中，5瓦振动幅值和振动变化量都是最大。尽管6瓦振动幅值比4瓦要小，但6瓦的振动变化量却比4瓦大。图7 发电机转子轴向各通风口风速矢量和分布情况1. 励磁电流变化过程中5、6瓦振动变化最大，而且基本同相，说明故障产生的不平衡量以一阶分量为主。2. 振动与有功的关系不是非常明显，因此可以排除振动来自联轴器和汽轮机转子的可能性。3. 尽管4、5瓦振动相位基本同相，但故障发生在4、5瓦之间对轮上的可能性不是很大。因为如果故障出现在对轮上，那么振动对励磁电流不应该那么敏感。4. 故障发生在励发对轮上的可能性比较小。如果对轮出现故障，那么对轮两端轴承振动变化量应该是同相的。但本次试验中发现6、7轴承振动变化总有60100度的相位差。5.2 故障原因分析通过对机组振动数据的全面分析，可以对机组故障原因作出如下分析：1. 机组37瓦过临界时的振动都不超过60um，刚到3000rpm时的振动也不大，说明机组原始平衡状况比较好。2. 振动中主要频率成分为工频分量，其它分量很少，说明机组故障属于普通强迫振动。普通强迫振动与轴承座动刚度和激振力都有关系。在很难检查和调整轴承座动刚度情况下，振动问题的解决应该首先从降低激振力着手。3. 励磁电流改变时，振动没有突变，振动信号中二倍频分量的变化也不大，因此电磁力不是导致振动的主要因素。4. 由于3000rpm定速下机组同时进行了电气试验，因此不能完全排除定速下振动变化是由于电气试验引起的可能性。如果电气试验导致发电机转子热变形，那么振动变量的幅值应该不断增大，而角度应该是基本不变。但是由表1可知，此过程中振动变量的角度也在不断变化。因此，电气试验导致振动变化的可能性存在，但比较小。5. 密封瓦与转轴的碰摩是定速下振动爬升和机组多次振动不稳定的主要原因。摩擦导致转子局部发热，引起转子热弯曲，从而会造成不稳定振动，这种不稳定振动在幅值和相位上都有所反映。本次开机3000rpm定速下，5瓦振动幅值慢慢爬升、相位不断增大。40分钟内5瓦振动增大了42um，相位从246度360度53度117度 ，密封瓦与轴颈摩擦的可能性比较大。密封瓦与轴之间有少量密封油，这种有少量油的摩擦与干摩擦不同，振动信号仍以工频分量为主，其它分量很少。由于密封环具有一定的浮动性，摩擦程度相对较轻，波形畸变或频谱中高频分量不是很大。根据我们经验，这种摩擦引起的振动的爬升速度和幅度与转子原始平衡状况有关。原始平衡状况越好，则爬升越慢，爬升的幅度也就越小。由于密封瓦处的间隙很小，只有20多丝，因此只要能引起该间隙变小的因素均可导致摩擦。该摩擦与密封瓦的结构、安装、检修工艺、密封油的清洁程度、密封油温、转子温度、冷氢温度、密封瓦与轴的同心度、密封瓦处轴的晃度以及轴振等因素都有关。6. 热态下轴承标高分布不合理也是引起本机振动故障的原因之一。从机组冷热态下各瓦标高相对变化数据来看，4、5瓦在整个轴系中热态标高是最低的。热态下轴承标高变化一方面会改变合理的动静间隙，导致摩擦及不稳定振动。另一方面也会改变合理的轴承载荷分配，影响系统动力特性，如系统固有频率等。正常情况下机组在3000rpm附近10%范围内不允许有临界转速，但本机组35瓦在31003180rpm区间内出现了明显的振动峰值，导致振动对激振力很敏感。7. 励磁电流变化过程中振动的变化是由于发电机转子存在少量热变形所造成的。励磁电流变化过程中振动数据的重复性很好，振动变化量的角度基本在同一部位上，振动变化具有明显的滞后现象，这些都与热变形特征很相近。转子热变形主要有加热和冷却不均匀两种形式。加热不均匀指的是转子线圈局部匝间短路失去作用后，在励磁电流作用下，径向产生不对称温差，从而导致局部发热。冷却不均匀指的是由于转子通风孔堵塞等原因，使转子直径方向冷却情况不同，导致温度场不均匀。这种情况下转子上的温差随转子温度的升高而加大。空转时主要是由于转子与氢气摩擦产生转子温升。带负荷后随着无功的增加，励磁电流增加，转子温度进一步提高，冷却不均匀程度加剧，从而导致转子热变形加剧。以100MW发电转子为例来分析。该转子长达5m，直径800mm，如果外圆方向产生2度的温差，则弯曲可达0.11mm。这么大的弯曲在临界转速下可能产生150250um的振动，转子振动对温差很敏感。对于本转子而言，由于振动峰值所对应的转速距离工作转速又很近，转子振动对温差更加敏感。本机组转子冷却不均匀的可能性比较大。从振动数据上来看，95MW负荷、1.6KA下5、6瓦的振动分别为5瓦72um156，6瓦36um110，两瓦同相分量为50um141，反相分量为27um185。一阶振动分量比较明显。从转子通风试验结果来看，沿转子轴向三个出风区风速的矢量和分别为：1风区15373 、2风区8154、 3风区18245（数据详见表8）。转子两端冷却不均匀程度大，尤以3出风区最为严重，转子中间冷却程度相对好点。冷却不均匀程度发生在同一部位上，两端的角度基本相同。分析1、3出风区风速矢量和发现，两者同相分量为16358，反相分量为43168，一阶分量比较明显。比较振动数据和转子通风数据可以发现两者基本吻合，这就证实发电机转子上的确存在冷却不均匀问题。6 机组故障治理方案根据上述分析，我们制定出4机故障治理方案，主要包括以下几点：1. 严格密封瓦的安装、检修工艺，密封瓦安装后一定要复查其灵活性，检查密封瓦间隙、密封瓦与轴的同心度、消除密封瓦的椭圆度，密封瓦间隙在规程允许范围内放大到上限，保证密封油的清洁度，防止杂质进入密封瓦。2. 考虑到热态下各瓦标高分布不合理，将4、5瓦轴承座标高分别抬高100um和80um。3. 结合机组检修，检查并消除发电机转子通风孔堵塞情况。发电机转子热平衡。处理发电机转子热变形有找出热变形原因和热平衡两种方法。发电机转子存在多种热变形因素，要找出导致热变形的真正因素并消除，往往有一定难度。这时一种比较直接而又有效的方法就是对转子进行热平衡，即在综合考虑不同工况下振动情况的基础上来平衡，使转子在多种工况下能稳定运行。这种方法的优点就是平衡周期较短。7 小修开机情况由于工期较紧，本次小修仅仅实施了前面两条治理方案，发电机转子热平衡是否要做将视机组开机后的振动情况而定。机组小修后于2000年7月开机，4机振动较小修前有了明显好转。表9 超速过程37瓦振动数据转速#4#5#6#7#5