发电厂汽轮机低频振动的原因及解决办法

      本文由河北国源电力工程师根据200MW汽轮机组高中压转子运行过程中出现的低频振动故障进行分析研究，总结了振动出现的原因并给出解决的办法。

      运行200MW机组，自投产已经运行多年，通过在线监测系统，该机组高中压转子都存在低频振动的现象，而且有越来越严重甚至有超过运行规程规定值的趋势，已经到了不得不停机检修的状态，通过检修，有必要对机组低频振动的现象、产生的原因以及机理进行深入的探索总结，这将对今后的工作产生积极的影响。
       振动的现象
      监测系统显示额机组振动频率数值低于50Hz，采集到的振动数值往往为几个频率或者一个频带，主频约25Hz，每次振动采集到的频率数值往往不尽相同。同时机组振动时候振幅也不是固定值，存在抖动现象。
      机组的椭圆瓦有突发振动现象，运行过程中振动突然很大，经过对该时间段振动频谱的分析，其频率为25Hz左右。
      低频振动产生的原因
      长期生产实践证明，长时间的低频振动会对汽轮机本体产生难以估计的损坏，较大的振幅甚至会对汽轮机轴瓦造成严重损坏，因此，对于汽轮机专业技术人员，研究掌握振动出现的原因并且深入研究其控制方法是有积极意义的，可以防患于未然，避免发生汽轮机损坏的严重事故。
      河北国源电力专业人员通过长期的经验总结特得出如下结论，低频振动究其本质就是轴瓦中油膜被破坏不能可靠的维持轴系运转，具体分析如下：
      从采集到的数据分析可以得出，低频振动发生时其频带较宽，但其主要频率集中在25Hz附近，这种现象与机组发生半速涡动的状态一样，为低频振动提供能量的主要来源就是转子本身转动的产生的能量。道理很简单，在汽轮机正常运行时，轴系转动搅动润滑油，润滑油也以一定的速度随着轴做圆周运动。但是润滑油转动速度并不一致，其速度和离轴心的距离有关系，越靠近轴表面的润滑油其速度基本和轴的转速保持一致，而到了轴承壁的位置，这里的润滑油基本不动，相对轴的速度就为零，因此，可简单的认为润滑油的平均速度是转子轴转速的1/2。于是润滑油的涡动就会形成主频为25Hz的一个频带，这个频率与高中压转子的第一临界速度相近，这就会产生共振而造成振动突然增大，超出允许范围很多。
      汽轮机组油膜的压力与振动的大小也有很大的关系，这是因为，在汽轮机中油膜压力的大小通常与轴承所承受的负荷大小成正比。当负荷重的情况下，油膜压力大，这时机组运行平稳。相反，负荷较轻的时候油膜压力也比较小，这时机组运行不稳定，非常容易产生低频振动，并且发生的部位往往是机组的1#轴承。这是因为，汽轮机运行状态下，凝结器为真空和灌水的状态，3#与4#轴承座会降低，此时低压转子中心前移，2号轴承形成支点，从而导致1号轴承上翘，油膜压力降低；此外高中压转子安装方式为落地式轴承，高中缸的猫爪会对轴承座进行加热，机组轴承温度会升高60-70℃左右，如果机组中心在冷态下的调整量不足，1、2号轴承负荷较轻从而发生机组低频振动。
      机组扰动的产生会破坏轴承运行中的油膜，油膜一旦被破坏就会反过来导致轴承出现低频振动现象。造成机组扰动主要有以下几项原因：转子的质量分配不平衡，以高中压转子一阶不平衡分量对其影响尤为突出，不平衡分量的频率与润滑油半速涡动的频率相同，容易产生共振；机组的中心位置达不到实际要求的精度，安装检修水平不够，就会导致中心偏差量超出允许范围，这样不仅仅要产生扰动力，同时严重的还会直接将油膜破坏而出现低频振动；汽缸内部动静间隙配合的不一致以及间隙分配的不合理都会造成来自机组的气流对转子冲击，其不平衡的作用力也会产生非常大的扰动力；同时由于机组阀门的控制方式的不同也会导致机组低频振动的产生。
      油膜震荡就是在使用滑动轴承的高速旋转机械上产生的振动现象，在震荡发生前，振动的幅度并不大，振动的频率主要与工作转速保持一致，一旦油膜震荡出现，振动的幅值迅速增大到一个最大值，并且维持振幅不变化。这个最大振幅值与运行时的转速以及转子的不平衡分量和轴承的型式有关系。油膜振荡出现时振动的频率从原来的工频为主可以直接变成接近转子转速的一种状态。
      降低机组低频振动的措施
      通过控制机组运行中干扰力的产生。主要是维持转子运行过程中速度和润滑油膜的粘度保持正比关系，避免大的扰动里将油膜破坏，从而杜绝发生低频振动。其归纳为以下几种具体措施：
      通过对机组中高低压转子动平衡测试，已经在线调整机组中心位置，保证机组旋转部分的良好转动性能，从而降低振动；增加机组对轮之间连接的刚度，避免机组负荷变化而产生的冲击，通过改进机组对轮连接时紧固的方式方法，采用长伸长量螺栓同时紧固时采用电动液压扳手进行反复转圈紧固，保证对轮连接强度，避免运行中振动导致框量的产生；遇到机组大修的情况可反复调整高中压转子动静部分的间隙，务必使其保持一致，从而可以有效的减小气流冲击作用，使气流对转子各个方向的作用效果相同，从而不会产生扰动力，保持转子的平稳运转。
     造成油膜压力小的原因可以归纳为以下几种：
      从汽轮机转子结构来说，低压转子的两端轴承座落在排汽缸上，高中压转子与低压转子相连后，由于机组运行中循环水的自重和加上低压缸内部真空度很高，导致轴承座标高降低，而低压转子的重量是高压转子的两倍，若此机组的中心差没有调整合适，就会以2号轴承为支点上翘，而使导致1#轴轴颈处的油膜压力降低；机组高中压缸两端的猫爪分别在1，2号轴承的轴承座上，由于猫爪和汽缸的产生的热量将传到轴承座，从而导致轴承座温度升高；如果1号轴颈处的油膜压力偏低，机组在运行中的振动特性与汽流的作用有很大的关系。
      不同的运行方式对机组的振动也有不同的影响，主要是1号轴颈处负荷较轻，运行不稳，容易受到各种干扰力的影响而产生振动；机组大修后安装时，高中压转子与低压转子中心都要参考汽轮机出厂数据进行调整，但是各台机组安装运行过程中产生的变化情况会不一致，因此静态下所找中心往往与运行起来的实际中心位置存在偏差，这就会导致机组运行过程中振动的产生。

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