摘要:本文闡述給出了600MW機組當前較普遍存在的振動缺陷的表現特征,分析結論認為缺陷產生的原因與汽機設計的轉子支承系統剛度不足和低壓缸整體結構剛度偏低有關,同時發電機制造階段的轉子熱老化不充分或電氣故障有直接影響;否定了關于蓋振不代表瓦振并不參加考核的意見;從設計制造以及現場處理角度給出了該類機組振動處理和改進的意見和建議。
　　關鍵詞:600MW機組;振動缺陷;原因分析
　　0前言
　　目前,國產600MW機組已投運和調試的有近200臺,成為火力發電主力機組,這些機組的設計制造水平較之300MW、200MW機組有顯著進步,但仍存在一些共性的重要缺陷,其中軸系振動問題最為突出。本文根據對數臺600MW機組的現場振動測試分析和處理,給出振動缺陷的表征、分析了異常振動產生的原因、對廠家提出的振動考核標準進行了討論,并從設計制造以及現場處理角度給出了一些意見和建議。
　　1600MW機組振動缺陷的表征
　　近年,作者對多臺600MW機組進行了現場實測和處理,并對國內同型機組的振動狀況做了簡單調研,發現這類機組共性的振動缺陷特征如下:
　　(1)汽輪機低壓B的5號、6號瓦和低壓A的3號、4號瓦振動大;同時存在不穩定現象,隨機組工況、時間呈現非定常的過大變化;
　　(2)發電機前瓦7號軸振大,熱變量超出常規值;有些機組3000r/min定速振動大,有些定速時不大,但隨負荷出現超常增大。
　　圖1和圖2是個別機組的現場記錄數據。
　　這兩種振動缺陷在600MW機組中存在的比例較高,根據不完全資料統計,2004年之后投運的44臺600MW機組中,有37臺振動超標,占84%;其中32臺瓦振超標;15臺軸振超標。
　　這些振動缺陷對國內多個電廠該型機組的安全投運和工期造成較大影響。業主為了配合振動測試查明問題所在,在調試階段需要多次啟機;為實施現場處理,又需要專門安排停機檢查或做動平衡,耗費物力財力,延誤工期。
　　2振動缺陷產生原因
　　根據對數臺600MW機組數據和相關情況分析研究,得到關于振動缺陷的具體原因是:
　　(1)轉子支承系統剛度不足、低壓缸整體結構剛度偏低;
　　(2)低壓缸瓦蓋剛度偏低;廠家提出的“瓦蓋振動不作為考核標準”不妥,缺少理論和技術依據;對機組安全沒有保證;
　　(3)制造階段發電機轉子熱老化不充分,轉子承受電氣載荷變化的能力低;數臺發電機轉子裝配質量存在缺陷,運行后造成匝間短路。
　　

                                                 
　　
　                                             　圖1某廠2號機帶負荷5號、6號瓦振大、不穩定(hl206、hl209)
　　                                     

                                                
　　                                                                                圖2某廠1號機軸振7Y隨負荷爬升現象(hl101)
　　這些原因主要和廠家的設計制造有關。
　　3汽機低壓轉子支承和缸體結構剛度的設計缺陷
　　測試數據顯示較多機組汽機低壓B的5號、6號瓦振和低壓A的3號、4號瓦振偏大,且不穩定。有人懷疑,是否是因為該原型機來自外方,國內在引進過程中沒有考慮外方機組轉速3600r/min而導致的在3000r/min發生了結構共振。
　　經驗表明,僅從現場測試判斷機組在3000r/min振動過大是出自結構共振還是出自支承剛度低,有一定難度,因為表征類似,都會在3000r/min出現振峰,但這個振峰的寬度和形狀是有區別的[1]。根據測試數據和分析,判斷600MW汽機低壓瓦振大的原因不是結構共振,而是支承系統剛度和整個缸體剛度過低。
　　600MW機組4個低壓缸軸承座落在低壓缸中部,用筋板和管材支承。根據對類似結構的200MW機組測試,軸承座的標高和空間位置很容易受到機組工況,如缸體構件溫度、真空、凝汽器水位、背壓、油溫、負載分配變化等因素影響,進而導致瓦振出現明顯波動[2]。
　　提高缸體剛度,從設計制造角度很容易實施。整個缸體的動力特性可以采用有限元進行較準確的計算分析,同時能夠進行試驗測試,在制造廠家進行較為方便,在現場機座上也可測定。對于現代大型機組,這是一項在設計階段或樣機階段應該進行的工作,尤其對那些已經出現問題的機型,更必須做深入、細致的專項計算分析和試驗研究,確定問題根源,及早修改設計。
　　在現場采用加筋板、支承的方法提高低壓缸軸承座支承剛度,甚至采用在低壓缸裙部加焊封板的方法,通常都帶有盲目性,這在200MW機組上采用過,實踐證明沒有效果[3]。
　　最根本的方法是從原始設計上提高軸承座剛度。
　　4關于低壓缸的“蓋振”
　　國產600MW機組低壓缸軸承蓋的結構設計來自外方600MW機組,都是采用10mm的薄鋼板做的罩殼(稱之瓦蓋)罩在瓦座上,與上瓦枕不接觸。因而,測量瓦振的速度傳感器只有安裝在這個瓦蓋上,它測得的是瓦蓋的振動,而非軸承或與軸承硬接觸部件的振動。為此,廠家給出了一個關于振動測點的新名詞:“蓋振”;同時他們認為,這個蓋振自然比真實的瓦振大,進一步推論,蓋振的振動標準理應比瓦振寬;現今測得蓋振70μm、80μm,實際瓦振要小得多,可以安全運行;廠家還提出:依據外方的說法“瓦蓋振動不作為考核標準”。這些觀點和提法是否合理?在現場對3臺機組的蓋振和同一軸向截面的低缸中分面振動做了詳細測試,結果見表1。
　　                  
　　表1600MW機組蓋振和中分面振動部分實測結果(一倍頻振幅(μm)/相位/通頻振幅(μm))
　　低壓缸中分面振動與實際瓦振相差無幾。表中數據表明,瓦蓋對于瓦振沒有呈現明顯的放大作用。因而,“真實瓦振要遠小于蓋振”的認識是錯誤的。
　　眾所周知,機組振動有3種衡量方式:瓦振、轉軸相對振動、軸振絕對振動。80年代以前國內電力行業對中小機組振動只采用瓦振,其后逐漸增加軸振;鑒于國內絕對軸振測量不準,較多采用相對軸振。相對軸振反映的是轉子相對支承或缸體的振動,僅采用這一種方式是不能完全保證設備安全的,因此,在用相對軸振的同時,必須還測取瓦振。從設備安全和振動標準角度分析,如果一個轉子的相對軸振很小而瓦振很大,意味著站在固連于缸體的運動座標上看,做弓形回轉的軸振振動很小,兩者相對接觸可以避免;但轉子本身的動應力和軸承支承受到的動應力還取決于缸體本身的振動量值;缸體和支承振動大,轉子和構件承受的動應力必定高。面對一個相對軸振很小而瓦振很大的機組,如何能夠給出“設備安全”的評價結論?
　　這里,制造方強調的一點是外方如此說。外方原本說的是只考核“相對軸振”還是“絕對軸振”?如果原意是考核“絕對軸振”,是正確的;如果原意是考核“相對軸振”,外方的技術和理論依據是否提供并消化?既然只考核軸振不計瓦振,廠家是否同意將瓦振不送到監盤的DCS界面?只考核軸振,瓦振有無參考限值?或是容許任意大?本文認為,從保證機組設備安全的角度,在考核相對軸振的同時,瓦振(或蓋振)的考核絕對不能缺少。
　　5發電機轉子熱老化問題
　　國產600MW發電機前瓦7號軸振大,隨負荷出現過大增量,熱變量超出常規值。
　　據了解,近年投運的10臺同型機組,發現其中有6臺存在類似振動故障:某廠3號機組7號軸振隨負荷可從40μm爬升到70μm;某廠4號機組7號軸振隨負荷從60μm~70μm增加到120μm;某廠2號機組存有同樣的情況,振動變化量大約80μm;某廠2號機7號軸振與勵磁電流有關,隨電流的增加而增加,可以從并網前的58μm增加到184μm,機組600MW勵磁電流大于3500A時,振動根本無法穩定;最終轉子返廠,查出匝間短路,處理后振動缺陷消除。
　　7號軸振一倍頻成分隨勵磁電流增大的直接原因,應該是發電機轉子上存在著可變化的不平衡質量;能夠產生這種不穩定質量的一個常見來源是轉子本體或轉動部件發生熱變形。通風道不暢、匝間短路可以造成轉子的熱彎曲;轉子/靜子動靜碰磨、密封瓦碰磨也會使轉子熱彎曲;端部線圈熱變形、護環可恢復性位移同樣會造成7號軸振一倍頻成分隨勵磁電流增大的現象。
　　關于7號軸振的異常振動原因,根據廠家和現場多方面的情況分析,一個主要原因是轉子在制造廠“熱老化”過程不足,這個熱老化包括轉子本體鍛件的時效處理,線棒、線圈組件的熱老化、熱疲勞等,以及轉子在制造廠動平衡過程加熱工藝(原外方工藝)的過分簡化;另一個原因是轉子可能存在線棒、槽楔隨勵磁電流發生徑向位移等機械缺陷,或存在如匝間短路的電氣故障。
　　對600MW發電機振動原因,應該排除下列可能:低/電對輪螺栓緊力不足。如果緊力不足,振動應該隨之有功,即大軸扭矩變化;排除低/電對輪對中不良的可能;排除振動原因來自低壓B的可能;排除密封瓦碰磨的可能;排除7號瓦、8號軸瓦存在缺陷或剛度不足的可能;排除發電機平衡塊飛脫或移動的可能;排除基礎、二次灌漿、安裝的缺陷。
　　6關于600MW機組振動缺陷的后續處理意見
　　600MW機組的振動問題在數年前已經顯露,從技術角度審視,它的振動缺陷不是國內前所未有的特殊疑難問題;組織力量,進行深入細致的工作完全可以在早期消除;從用戶方面來看,各個集團公司、各個電廠處于分散獨立狀態,國內電力系統沒有統一的職能部門牽頭與廠家及早協調處理,以至于最終造成現今600MW機組較大范圍存在振動缺陷的局面。
　　對調試階段出現振動問題的600MW機組,主要采用現場動平衡的方法可以降低,動平衡效果取決于具體實施動平衡的振動專業技術人員。該型機組的動平衡規律有一些特殊之處,加重過程中需要注意。
　　還應該注意,并非所有振動大的600MW機組都可用動平衡的方法解決,對存在電氣故障的發電機,在沒有客觀正確預估動平衡效果之前,不宜盲目采用動平衡;但利用振動測試可以協助準確判斷是否存在電氣故障。對于目前振動良好的機組,仍需要對其振動予以格外的關注,發現異常苗頭,及早分析。
　　建議設計制造部門投入一定人力物力,拿出存在振動問題的服役機組后續處理方案,包括缸體、支撐加固方案,以從設計上消除該型機的先天不足。
　　7結論
　　國產600MW機組在較大范圍存在軸系振動缺陷,主要原因是轉子支承系統剛度不足、低壓缸整體結構剛度偏低;低壓缸瓦蓋剛度低,這些均與廠家的設計與制造有關;廠家提出的“瓦蓋振動不作為考核標準”不妥,對機組安全缺少保證;振動原因還來自于發電機轉子熱老化不充分,轉子承受電氣載荷變化的能力較低;數臺發電機轉子裝配質量存在缺陷,運行后造成匝間短路。
　　參考文獻
　　[1]陸頌元.汽輪發電機組振動[M].北京:中國電力出版社,2000.
　　[2]陸頌元.空冷200MW機組振動測試分析報告[R].西安熱工所技術報告,1987.
　　[3]陸頌元.D29型200MW汽輪機組振動分析及振動設計有關問題[J].動力工程,1995,