案例分析 | 汽轮发电机组半频振动的诊断及处理

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半频振动故障较多发生在新投运机组及运行多年的老机组上，常常具有形成快、发展迅速且事先无明显征兆等特点，对机组安全运行危害较大。引起这种振动的原因有多方面，其分析和处理比较复杂，难度较大。这里介绍和分析一起典型的半频振动故障及其处理，为同类机组振动故障诊断提供借鉴。

汽轮发电机组概况

某电厂1号机组为国产N25-3.43-8型单缸冲动纯凝汽式汽轮机，配QF2 -25-2型发电机，励磁机为ZLG-106-30型。其参数：额定功率25MW，额定转速3000r/min，汽轮机有1级调节级和12级压力级，主蒸汽压力3.1~3.5Mpa，温度420 ~445℃，冷却水温20℃，排汽压力5. 84kpa。汽轮机转子设计的一阶临界转速1650~1700r/min，发电机转子一阶临界转速1410r/min。机组结构如图1所示，汽轮机转子由1号、2号轴承支撑，为圆筒瓦；发电机转子由3号、4号轴承支撑。1号轴承为推力支撑的联合轴承，2号、3号轴承坐落在排汽缸上的轴承箱中，4号轴承为落地轴承。汽轮机转子与发电机转子通过刚性靠背轮连接，机组没有胀差及轴振监测系统，仅在1~4 号瓦垂直方向安装了速度传感器来监测瓦振。

图1 机组结构简图

机组振动历史及现状

该机组自20世纪90年代初投运以来，各轴瓦振动情况一直较好，2000年6月，在运行中发现2号、3号轴瓦振动开始增大，满负荷时的3号轴瓦振动达0.07mm。2003年10月机组进行计划大修，大修后历次启动机组及满负荷运行时，汽轮机轴瓦振动一直在较大范围内波动，振动存在突增现象。受测试条件限制，一直未对振动增大的成分进行跟踪分析，同时也没有对轴振进行监测。2004年以来，机组的2号、3号轴瓦振动持续恶化，为此，采用先进的测振系统进行现场测试，发现该汽轮机转子轴瓦在一些运行状况下，极易出现突发性的振动，频谱分析表明，半频成分为该振动增加的主要因素。

机组振动呈现的特点有：

  · 机组在过临界转速时振动较大，1号、2号轴瓦达0.12~0.20mm，且降速过程比升速过程振动高约50%。每次启动机组至3000r/min时，1号、2号、3号瓦振动与以往均不相同，最大差别约0.03mm，没有规律，详见表1。当不发生振动突增现象时，机组各瓦振动均以工频成分为主，且振幅值相对稳定。

表1 2004年5月17日和23日定速空转时机组各瓦振动振幅

  · 机组振动突增现象没有规律，在升速过程中会出现，加负荷过程中也会出现，带一定负荷稳定运行时也会出现，这些振动总量的突增主要是由半频振动成分增大所致，详见图2、图3。

(a) 1号瓦振动波形

(b) 1号瓦振动频谱

图2 机组1号瓦振动波形及频谱

(a) 2号瓦振动波形

(b) 2号瓦振动频谱

图3 机组2号瓦振动波形及频谱

  · 升速过程中，机组在2950r/min运行时容易诱发半频振动，它首先从汽轮机两个轴承开始，并迅速蔓延至整个轴系各瓦，振动幅值迅速增大，只有打闸降速至2940r/min以下时才消失，且随着启动次数的增多，半频振动诱发的转速呈下降趋势。

  · 机组带负荷运行时，半频振动时隐时现，规律性不强，它有时可通过增减负荷而自行消失，但并非总有效。

  · 半频振动出现的频率、强度及增长速率与很多因素有关。试验表明，润滑油温和真空的改变对它没有太大影响，而每次翻瓦检修后，半频振动会得到短暂的改善。

振动分析及处理

由现场振动测试及振动专项试验可知，该机组在经过多年运行和几次大修后，振动状况逐步恶化，轴瓦工作稳定性下降。轴系中某一参数的细微变化，都将诱发机组异常半频振动。机组振动呈现典型的强迫振动和自激振动特点。

1、工频振动大的原因
机组过临界及正常运行时工频振动大，主要是与轴承刚度和不平衡激振力有关。轴承支撑刚度低和轴系不平衡激振力过大，均会导致机组工频振动大。

2、半频振动大的原因
半频振动主要是由于机组在过大的不平衡激振力作用下，使得原本就不太稳定的轴瓦正常平稳工作状况受到破坏，轴瓦正常工作所需稳定油膜不能维持，在轴瓦内产生不稳定切向力，导致转子涡动，振动增大，振动频率为工作频率的1/2。当转子工作转速高于两倍第一阶临界转速时发生的轴瓦自激振动，则称为油膜振荡。油膜涡动和油膜振荡为轴瓦自激振动的两个过程形式，油膜振荡比油膜涡动危害更大。


机组产生半频振动的原因较多，主要有两方面：

  · 一是，轴瓦瓦面修刮没有达到弧形油楔的要求，导致轴瓦的稳定性不够；

  · 二是，汽轮机转子叶片不均匀顶隙产生的切向力和迷宫轴封的汽流切向力诱发油膜涡动。

由于本机组刚大修检查过转子中心，因此前者原因更为明显。

3、处理措施
现场处理半频振动最直接的方法有：降低机组不平衡激振力和提高轴瓦工作稳定性。降低机组不平衡激振力的简捷手段是进行现场高速动平衡，提高轴瓦稳定性则可通过对轴瓦瓦面修刮或彻底更换稳定性好的轴瓦来实现。由于无备用轴瓦，因此决定采取先对汽轮机1号、2号、3号瓦进行翻修，再进行高速动平衡试验的处理方法。

  · 翻瓦检查。结果证实了事前的振动分析，轴瓦表面本身质量差。具体为轴瓦表面有掉块，各瓦瓦顶间隙过大，上瓦中空，球面间隙过小。后将中空型上瓦填补变成实体，对轴瓦中分面进行研磨，将顶部间隙由1.5%~2%降到1.2%，并对各瓦面进行修补、研磨，使各瓦由原来的圆筒瓦变成“椭圆瓦”，提高轴瓦的稳定性。

  · 对机组进行现场高速动平衡试验，分别在汽轮机转子低压末级、汽发靠背轮及发电机两端加重，经多次调整，最终加重为低压末级1.2kg，靠背轮4kg，发电机两端各0.3kg ，大大降低机组不平衡激振力。值得一提的是，该机在900r/min存在一个支撑结构共振现象，曾一度干扰了动平衡的思路。其实，由于该共振转速较低且不在长期运行转速范围，可不理会。

经过上述修刮轴瓦及高速动平衡试验后，机组工频振动大幅下降，满负荷运行时，各轴瓦振动最大不超过0.02mm，且幅值基本稳定。在随后1个多月的长期运行中，没再发生突发半频振动现象。

      结  论      

汽轮发电机组发生半频振动，使机组承受交变应力，对机组安全运行危害大。导致机组半频振动的原因较多，不同机组需要具体分析，难度大。这里针对机组出现的半频振动，采取改善轴瓦质量与高速动平衡相结合的方法，提高了轴瓦工作稳定性，并降低了激振力大小，最终使机组振动下降，半频振动消失，确保机组安全长期运行。

来源：发电企业振动诊断微信公众号（ID：hrbhxbank_cc），原文作者：邓小文。文章略有删减。