摘要:本文阐述给出了600MW机组当前较普遍存在的振动缺陷的表现特征,分析结论认为缺陷产生的原因与汽机设计的转子支承系统刚度不足和低压缸整体结构刚度偏低有关,同时发电机制造阶段的转子热老化不充分或电气故障有直接影响;否定了关于盖振不代表瓦振并不参加考核的意见;从设计制造以及现场处理角度给出了该类机组振动处理和改进的意见和建议。
关键词:600MW机组;振动缺陷;原因分析
0前言
目前,国产600MW机组已投运和调试的有近200台,成为火力发电主力机组,这些机组的设计制造水平较之300MW、200MW机组有显著进步,但仍存在一些共性的重要缺陷,其中轴系振动问题最为突出。本文根据对数台600MW机组的现场振动测试分析和处理,给出振动缺陷的表征、分析了异常振动产生的原因、对厂家提出的振动考核标准进行了讨论,并从设计制造以及现场处理角度给出了一些意见和建议。
1600MW机组振动缺陷的表征
近年,作者对多台600MW机组进行了现场实测和处理,并对国内同型机组的振动状况做了简单调研,发现这类机组共性的振动缺陷特征如下:
(1)汽轮机低压B的5号、6号瓦和低压A的3号、4号瓦振动大;同时存在不稳定现象,随机组工况、时间呈现非定常的过大变化;
(2)发电机前瓦7号轴振大,热变量超出常规值;有些机组3000r/min定速振动大,有些定速时不大,但随负荷出现超常增大。
图1和图2是个别机组的现场记录数据。
这两种振动缺陷在600MW机组中存在的比例较高,根据不完全资料统计,2004年之后投运的44台600MW机组中,有37台振动超标,占84%;其中32台瓦振超标;15台轴振超标。
这些振动缺陷对国内多个电厂该型机组的安全投运和工期造成较大影响。业主为了配合振动测试查明问题所在,在调试阶段需要多次启机;为实施现场处理,又需要专门安排停机检查或做动平衡,耗费物力财力,延误工期。
2振动缺陷产生原因
根据对数台600MW机组数据和相关情况分析研究,得到关于振动缺陷的具体原因是:
(1)转子支承系统刚度不足、低压缸整体结构刚度偏低;
(2)低压缸瓦盖刚度偏低;厂家提出的“瓦盖振动不作为考核标准”不妥,缺少理论和技术依据;对机组安全没有保证;
(3)制造阶段发电机转子热老化不充分,转子承受电气载荷变化的能力低;数台发电机转子装配质量存在缺陷,运行后造成匝间短路。
图1某厂2号机带负荷5号、6号瓦振大、不稳定(hl206、hl209)
图2某厂1号机轴振7Y随负荷爬升现象(hl101)
这些原因主要和厂家的设计制造有关。
3汽机低压转子支承和缸体结构刚度的设计缺陷
测试数据显示较多机组汽机低压B的5号、6号瓦振和低压A的3号、4号瓦振偏大,且不稳定。有人怀疑,是否是因为该原型机来自外方,国内在引进过程中没有考虑外方机组转速3600r/min而导致的在3000r/min发生了结构共振。
经验表明,仅从现场测试判断机组在3000r/min振动过大是出自结构共振还是出自支承刚度低,有一定难度,因为表征类似,都会在3000r/min出现振峰,但这个振峰的宽度和形状是有区别的[1]。根据测试数据和分析,判断600MW汽机低压瓦振大的原因不是结构共振,而是支承系统刚度和整个缸体刚度过低。
600MW机组4个低压缸轴承座落在低压缸中部,用筋板和管材支承。根据对类似结构的200MW机组测试,轴承座的标高和空间位置很容易受到机组工况,如缸体构件温度、真空、凝汽器水位、背压、油温、负载分配变化等因素影响,进而导致瓦振出现明显波动[2]。
提高缸体刚度,从设计制造角度很容易实施。整个缸体的动力特性可以采用有限元进行较准确的计算分析,同时能够进行试验测试,在制造厂家进行较为方便,在现场机座上也可测定。对于现代大型机组,这是一项在设计阶段或样机阶段应该进行的工作,尤其对那些已经出现问题的机型,更必须做深入、细致的专项计算分析和试验研究,确定问题根源,及早修改设计。
在现场采用加筋板、支承的方法提高低压缸轴承座支承刚度,甚至采用在低压缸裙部加焊封板的方法,通常都带有盲目性,这在200MW机组上采用过,实践证明没有效果[3]。
最根本的方法是从原始设计上提高轴承座刚度。
4关于低压缸的“盖振”
国产600MW机组低压缸轴承盖的结构设计来自外方600MW机组,都是采用10mm的薄钢板做的罩壳(称之瓦盖)罩在瓦座上,与上瓦枕不接触。因而,测量瓦振的速度传感器只有安装在这个瓦盖上,它测得的是瓦盖的振动,而非轴承或与轴承硬接触部件的振动。为此,厂家给出了一个关于振动测点的新名词:“盖振”;同时他们认为,这个盖振自然比真实的瓦振大,进一步推论,盖振的振动标准理应比瓦振宽;现今测得盖振70μm、80μm,实际瓦振要小得多,可以安全运行;厂家还提出:依据外方的说法“瓦盖振动不作为考核标准”。这些观点和提法是否合理?在现场对3台机组的盖振和同一轴向截面的低缸中分面振动做了详细测试,结果见表1。
表1600MW机组盖振和中分面振动部分实测结果(一倍频振幅(μm)/相位/通频振幅(μm))
低压缸中分面振动与实际瓦振相差无几。表中数据表明,瓦盖对于瓦振没有呈现明显的放大作用。因而,“真实瓦振要远小于盖振”的认识是错误的。
众所周知,机组振动有3种衡量方式:瓦振、转轴相对振动、轴振绝对振动。80年代以前国内电力行业对中小机组振动只采用瓦振,其后逐渐增加轴振;鉴于国内绝对轴振测量不准,较多采用相对轴振。相对轴振反映的是转子相对支承或缸体的振动,仅采用这一种方式是不能完全保证设备安全的,因此,在用相对轴振的同时,必须还测取瓦振。从设备安全和振动标准角度分析,如果一个转子的相对轴振很小而瓦振很大,意味着站在固连于缸体的运动座标上看,做弓形回转的轴振振动很小,两者相对接触可以避免;但转子本身的动应力和轴承支承受到的动应力还取决于缸体本身的振动量值;缸体和支承振动大,转子和构件承受的动应力必定高。面对一个相对轴振很小而瓦振很大的机组,如何能够给出“设备安全”的评价结论?
这里,制造方强调的一点是外方如此说。外方原本说的是只考核“相对轴振”还是“绝对轴振”?如果原意是考核“绝对轴振”,是正确的;如果原意是考核“相对轴振”,外方的技术和理论依据是否提供并消化?既然只考核轴振不计瓦振,厂家是否同意将瓦振不送到监盘的DCS界面?只考核轴振,瓦振有无参考限值?或是容许任意大?本文认为,从保证机组设备安全的角度,在考核相对轴振的同时,瓦振(或盖振)的考核绝对不能缺少。
5发电机转子热老化问题
国产600MW发电机前瓦7号轴振大,随负荷出现过大增量,热变量超出常规值。
据了解,近年投运的10台同型机组,发现其中有6台存在类似振动故障:某厂3号机组7号轴振随负荷可从40μm爬升到70μm;某厂4号机组7号轴振随负荷从60μm~70μm增加到120μm;某厂2号机组存有同样的情况,振动变化量大约80μm;某厂2号机7号轴振与励磁电流有关,随电流的增加而增加,可以从并网前的58μm增加到184μm,机组600MW励磁电流大于3500A时,振动根本无法稳定;最终转子返厂,查出匝间短路,处理后振动缺陷消除。
7号轴振一倍频成分随励磁电流增大的直接原因,应该是发电机转子上存在着可变化的不平衡质量;能够产生这种不稳定质量的一个常见来源是转子本体或转动部件发生热变形。通风道不畅、匝间短路可以造成转子的热弯曲;转子/静子动静碰磨、密封瓦碰磨也会使转子热弯曲;端部线圈热变形、护环可恢复性位移同样会造成7号轴振一倍频成分随励磁电流增大的现象。
关于7号轴振的异常振动原因,根据厂家和现场多方面的情况分析,一个主要原因是转子在制造厂“热老化”过程不足,这个热老化包括转子本体锻件的时效处理,线棒、线圈组件的热老化、热疲劳等,以及转子在制造厂动平衡过程加热工艺(原外方工艺)的过分简化;另一个原因是转子可能存在线棒、槽楔随励磁电流发生径向位移等机械缺陷,或存在如匝间短路的电气故障。
对600MW发电机振动原因,应该排除下列可能:低/电对轮螺栓紧力不足。如果紧力不足,振动应该随之有功,即大轴扭矩变化;排除低/电对轮对中不良的可能;排除振动原因来自低压B的可能;排除密封瓦碰磨的可能;排除7号瓦、8号轴瓦存在缺陷或刚度不足的可能;排除发电机平衡块飞脱或移动的可能;排除基础、二次灌浆、安装的缺陷。
6关于600MW机组振动缺陷的后续处理意见
600MW机组的振动问题在数年前已经显露,从技术角度审视,它的振动缺陷不是国内前所未有的特殊疑难问题;组织力量,进行深入细致的工作完全可以在早期消除;从用户方面来看,各个集团公司、各个电厂处于分散独立状态,国内电力系统没有统一的职能部门牵头与厂家及早协调处理,以至于最终造成现今600MW机组较大范围存在振动缺陷的局面。
对调试阶段出现振动问题的600MW机组,主要采用现场动平衡的方法可以降低,动平衡效果取决于具体实施动平衡的振动专业技术人员。该型机组的动平衡规律有一些特殊之处,加重过程中需要注意。
还应该注意,并非所有振动大的600MW机组都可用动平衡的方法解决,对存在电气故障的发电机,在没有客观正确预估动平衡效果之前,不宜盲目采用动平衡;但利用振动测试可以协助准确判断是否存在电气故障。对于目前振动良好的机组,仍需要对其振动予以格外的关注,发现异常苗头,及早分析。
建议设计制造部门投入一定人力物力,拿出存在振动问题的服役机组后续处理方案,包括缸体、支撑加固方案,以从设计上消除该型机的先天不足。
7结论
国产600MW机组在较大范围存在轴系振动缺陷,主要原因是转子支承系统刚度不足、低压缸整体结构刚度偏低;低压缸瓦盖刚度低,这些均与厂家的设计与制造有关;厂家提出的“瓦盖振动不作为考核标准”不妥,对机组安全缺少保证;振动原因还来自于发电机转子热老化不充分,转子承受电气载荷变化的能力较低;数台发电机转子装配质量存在缺陷,运行后造成匝间短路。
参考文献
[1]陆颂元.汽轮发电机组振动[M].北京:中国电力出版社,2000.
[2]陆颂元.空冷200MW机组振动测试分析报告[R].西安热工所技术报告,1987.
[3]陆颂元.D29型200MW汽轮机组振动分析及振动设计有关问题[J].动力工程,1995,
