[摘 要] 鉴于振动研究在电力工业生产中的重要地位,总结了国内外汽轮发电机组轴系振动近期研究进展,并对轴系振动研究的方法和发展趋势进行了分析和预测。分析认为：最近几年来,国内外对汽轮发电机组轴系振动的研究主要集中在转子预平衡、渐进式弯曲振动治理、机网耦合扭振、防旋汽封、弹簧隔振、转子裂纹、碳化摩擦等方面；未来,汽轮发电机组轴系振动研究的热点将集中在汽流激振源的精确定位、弹簧基础的动力优化、复杂结构的振动治理、次同步谐振等方面。
[关 键 词] 汽轮发电机组；轴系振动；转子预平衡；转子裂纹；汽流激振源；次同步谐振；研究进展；发展趋势
在汽轮发电机组的各种故障中,振动是对机组检修和运行均产生较大影响的故障之一。一方面,振动故障的早期诊断比较复杂,部分故障的处理周期较长;另一方面,振动故障如果未能及时消除,有可能会酿成事故,所造成的影响和后果十分严重。因此,应积极推进汽轮发电机组轴系振动研究的发展,针对我国汽轮发电机组运行过程中出现的振动问题进行治理或优化研究,对激振源进行准确分离与精确定位,从而为制造厂提供设计及制造改进意见,为机组检修提供针对性的安装、检修指导意见,以逐步提高我国汽轮发电机组运行的安全性和经济性[1-2]。
近年来,我国电力向大机组、大电网、高参数的方向发展,采用了单机亚临界、超临界、超超临界600 MW、1 000 MW的机组,极大地促进了汽轮发电机组轴系振动的研究。为此,本文系统地归纳和总结了近年来的相关研究成果,并指出今后汽轮发电机组轴系振动研究的重点和发展方向,同时也针对如何进一步开展研究进行了初步探讨。
1 研究进展
1.1 对传统处理方法的改进或完善
在大量试验数据的基础上,对传统的振动处理方法或技术进行改进和完善。
1)为了提高现场动平衡试验的效率、减少机组启动次数,提出了预平衡方法[3-4],即基于对机组振动历史和特征的分析,并结合现场检修或安装工作对轴系平衡状况的影响,通过对轴系振动状况的预评估,实现在机组启动前对轴系的预加配重,以提高现场动平衡效率、减少机组启动次数。该预平衡方法尤其适用于临界转速区域的动平衡、弯曲转子的动平衡、转子发生叶片或围带断裂后的动平衡等;同时,对于早期投运的未预留现场加重孔以及在检修中未发现轴系存在明显问题的部分转子,也可以考虑对其进行预平衡。
2)近年来,国产300 MW、600 MW等级机组的高中压转子因材质缺陷引发了转子渐进式弯曲事故[5-7],针对该故障中转子的弯曲量会逐步发展,且转子渐进式弯曲呈现不规则空间曲线的特点,特设计了转子渐进式弯曲的故障识别及治理方法。该方法由转子弯曲状态的识别及评估、弯曲振型的分解、校正方案的正反问题求解3个步骤组成。
3)在机网耦合作用引起的扭振研究及工程应用中取得新的进展[8-9]。随着电网结构的复杂化以及串补、高压直流输电等设备和技术的应用,次同步谐振等引发的汽轮发电机组轴系扭振情况时有发生,促使对机网耦合作用下扭振及其控制开展深入研究。其中包括:数值模拟计算和在线测量分析机组轴系扭振特性;评估关键截面扭振疲劳寿命损耗;研制和改进抑制次同步谐振装置等。一些电厂加装了轴系扭振保护装置(TSR)和附加阻尼控制器(SEDC)、静止无功补偿器(SVC)等抑制次同步谐振装置,以消除或减小次同步谐振对机组和电网安全稳定性的影响。
1.2 新技术及新方法
在理论计算和实践基础上,提出了一些振动处理的新技术和新方法。
1)大量的理论计算和试验结果均表明,汽封进汽的入口预旋速度和转子本身的旋转均会使汽封中出现蒸汽的周向流动;但由于蒸汽的黏性较小,转子旋转只能使得贴近转子表面的蒸汽形成周向流,而入口预旋会使得整个汽封中的蒸汽形成与预旋速度相当的周向速度;所以蒸汽预旋对密封间隙激振的影响较大,特别是与转子转向相同的正预旋会产生较大的密封激振力,引发汽流激振故障[10-13]。为此,东方汽轮机厂设计了一种防旋汽封(图1),使得汽封进汽的预旋方向与转子转向相反,避免或减少了汽封腔内蒸汽的周向流动,进而了减小密封激振力。
图1 防旋汽封
Fig.1 The anti rotary steam sealing
2)对目前核电机组普遍采用的、越来越多大型火电机组选用的弹簧基础平台的设计选型、安装工艺、隔振效果等进行研究,并采用模态试验分析弹簧基础的动力学特性,包括频率、振型、阻尼比等,同时对现场出现的弹簧基础振动问题进行探索、处理,取得一定效果[14-15]。
1.3 对振动处理误区的辨识
在对振动故障机理进行深入研究的基础上,结合丰富的现场实践经验,纠正了一些振动故障认识的误区。
1)众多理论和实验的研究成果均表明转子裂纹故障的主要振动特征是呈现二倍频振动分量;但现场实践总结均表明汽轮发电机组的转子出现裂纹后,主要呈现不稳定的同步振动,只有当裂纹发展到相当严重程度时,才会出现表征转子裂纹的典型二倍频振动分量。同时,由于机组有功负荷增大,转子及其联轴器承受的扭矩增加,裂纹转子的裂纹会扩展,引发不平衡振动增大,因此裂纹转子的振动还与负荷密切相关[16-17]。
2)针对碳化摩擦振动,众多专家和学者提出的加强汽缸及管道保温、隔热等处理措施其实是一个误区。事实上,油档密封齿上的碳化颗粒主要是由于油垢混合物与转子反复摩擦、挤压,造成局部高温碳化而产生的,并非主要由环境温度高引起的油垢碳化[18-19]。据此,提出了运行中可采取加大润滑油压力,以冲刷油档上粉尘颗粒,或调整阀序改变轴颈在轴承中的位置,以减少动静接触;检修中可适当增大油挡泄油孔孔径或增加油挡泄油孔个数,以保证油垢混合物能及时、顺利地通过泄油孔排出;或在油挡适当位置,增加一路压缩空气,既可以减少粉尘吸入量,又可以对油挡进行降温,并对油垢混合物进行吹扫,以加速其排出。
2 发展趋势
1)随着汽轮发电机组向着高参数、大容量方向发展,特别是超(超)临界汽轮机的大量投运,汽流激振引发的转子失稳问题也日益突出。尽管国内外专家和学者对汽流激振的故障机理与控制方法进行了广泛、深入的研究,但仍有许多在役机组频繁发生汽流激振,且有些无法解决。这主要是因为汽流激振的具体扰动因素难以精确定位,制造厂也缺乏汽流激振因子等基础试验数据,使得轴系设计的稳定性裕量不足,再加上现场可采取的手段十分有限;因此,汽流激振的激振源分离与定位技术以及汽流激振基础试验数据获取等将成为该领域研究的热点。
2)随着汽轮发电机组单机容量越来越大,目前核电机组普遍采用了弹簧隔振基础平台,并且越来越多的火电机组也选用了弹簧隔振基础平台,以隔离振动传递、补偿基础沉降,同时减小基础立柱尺寸,增加设备安装空间。但汽轮发电机组配用弹簧机组所带来的最大问题为支撑动刚度(包括刚度和阻尼等)的变化,即传统混凝土基础的机组轴系动力学分析可以将基础进行刚性处理,而配用弹簧基础的机组轴系动力学分析则必须考虑基础刚度和阻尼的影响;因此,建立弹簧基础-轴承-转子的动力学模型,并研制一个计入弹簧基础的轴系动力学分析计算平台,以指导配用弹簧基础的机组轴系动力学特性优化和建立基础弹簧的调整方法,具有十分重要的理论意义和实践价值。
3)近年来,大型发电机在现场屡屡出现结构振动故障,并引发了发电机定子、轴承座、台板、二次灌浆及基础等部件的剧烈振动。这一方面会导致励磁滑环和电刷磨损加剧,甚至危及发电机出线的绝缘;另一方面也会损坏氢冷器的密封系统,并加速轴承支座的绝缘垫老化,甚至还会在焊缝等部位产生疲劳裂纹等[20-21]。尽管现场采取调整发电机定子地脚螺栓的紧力、在定子顶部增加重物、优化定子安装工艺及参数以及动平衡试验等措施减缓或控制大型汽轮发电机结构振动,但若从根本上解决,可能需要引入复杂结构的振动模态分析及试验技术,包括复杂结构的建模及振动分折,振动参数识别的频域、时域方法及结构修改技术,以及结构的动态优化设计等。
4)随着大批采用高电压、大容量输电模式实现的“西电东送”和大型坑口电站机组投运,次同步谐振等机网耦合引发的扭振问题仍很突出,且已造成某些机组的严重损坏。因此,仍需继续深入开展次同步谐振引起的轴系扭振特性分析及控制策略的研究。
3 创新发展分析与建议
1)在汽轮发电机组轴系振动研究过程中,应始终将有限的或不完整的振动信息与故障机理相对应,使激振源得以精确定位,并在实践中探索总结现场可行、便捷、有效的振动治理方法。
2)汽轮发电机组轴系振动研究应借助于当前科学技术的发展成果,即积极借鉴新的数学理论和方法、测试技术以及数据库技术等强有力手段;特别是近年来,电力行业掀起了电力大数据的研究热潮,如“智能电网”即为大数据研究的工业应用;同样,汽轮发电机组在全寿命周期内也会产生海量的设备状态数据,这些数据蕴含着机组轴系振动特性,通过对这些数据进行挖掘,分析其中的规律,将对机组轴系振动研究提供新的思路。
