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1、密 级 检索号 16-100356浙江省电力试验研究院科学技术文件单支撑超超临界百万机组振动技术研究报告二一年十二月单支撑超超临界百万机组振动技术研究报告报告名称：单支撑超超临界百万机组振动技术研究报告编 写 者： 审 核 者： 审 批 者：批 准 者： 工作人员：浙江省电力试验研究院：童小忠 吴文健 应光耀 李卫军浙江大学： 陈汉良 杨英武 孔详冰国电浙江北仑第一发电有限公司：陈旭伟 陈建县浙江国华浙能发电有限公司：朱江涛 冯立国第一部分转子轴承系统振动技术研究报告目 录1 前言12 上汽西门子型百万机组轴系结构以及共性振动故障23 单支撑转子轴承系统动力学特性分析54 单支撑轴系振动试验研
2、究125 单支撑轴系动平衡技术研究216 单支撑轴系汽轮机轴承座振动故障处理257 补气阀投运过程中诱发的振动故障分析518 发电机-励磁机振动问题分析629 高压转子振动问题6710 总结73参考文献751 前言12 上汽西门子型百万机组轴系结构以及共性振动故障23 转子轴承系统动力学特性分析54 单支承轴系的转子轴承试验研究125 单支撑轴系动平衡技术研究206 单支撑轴系轴承座瓦振故障处理案例257 补汽阀投运过程中诱发的振动问题498 发电机励磁机振动问题609 高压转子振动问题6510 总结71参考文献72单支撑超超临界百万机组振动技术研究报告单支撑超超临界百万机组振动技术研究报告1
3、 前言我国的一次能源以煤炭为主要一次能源的国家，煤电在电力生产中占主导地位。，截至2009年末，我国内发电设备的装机容量截至2009年末已达8.74亿千瓦，其中燃煤机组占70%以上。随着我国经济高速增长，电力需求旺盛，促使电力工业采用高参数、大高容量及等先进技术提高燃煤机组的效率，实现节能减排，减少环境污染。代表着目前国际领先水平的超大功率、超超临界百万千瓦机组由于其高效、节能和环保的技术优势，正成为我国在21世纪初期最具有竞争力的燃煤机组。超超临界参数实际上是在超临界参数的基础上向更高压力和温度提高的过程。目前，国内外超超临界二次再热机组的热效率达到45%左右，与常规的超临界机组相比较，至少
4、可节约燃料45。因此，大力发展超超临界燃煤火力发电技术以提高燃煤机组的效率，实现节能降耗，减少环境污染，已成为众多决策者和专家学者的共识1-10。并被列为国家中长期科技发展规划能源重点领域的优先发展主题。在浙江省科技强省建设与“十一五”科学技术发展规划纲要和浙江省基础研究与原始创新能力提升五年行动计划中，与此相关的“能源高效利用和可持续发展的基础理论问题”也已经作为重点内容被明确提出。近年来，超超临界百万千瓦机组已陆续在国内投产运行。，至2009年末，在运行的百万千瓦超超临界机组为21台，在建百万千瓦机组为12台。我国共引进了三种1000MW超超临界汽轮发电机组：东汽日立型、哈汽东芝型以及上汽
5、西门子型，三个主要发电设备制造厂家也只是处于对引进技术进行了的消化和模仿阶段，但其设计、制造技术尚缺少经验，后续的安装、调试、运行等方面都还不成熟，各个环节都还没有完全掌握和吸收机组的特性。现场运行人员运行经验不足，对超超临界机组的特点掌握还不够，基本上还都是根据300MW、600MW机组运行经验调整机组运行参数，所以研究1000MW超超临界机组的运行特性，进而提高机组的热经济性和安全性，对电力系统“节能减排”和“节能降耗”具有非常重要的意义。在国内已投运或在建的超超临界百万机组中，上电集团和西门子公司合作生产的N1000-26.25/600/600(TC4F)（以下简称上汽西门子型百万机组）
6、所占份额应用最大。为广泛，浙江省内已投产了浙江华能玉环电厂（以下简称玉环电厂）4台、国电浙江北仑第三发电有限公司（以下简称北仑三期）2台、神华浙江国华浙能发电有限公司B厂（以下简称宁海电厂）2台，共8台百万机组，在建的浙江嘉华发电有限公司（以下简称嘉兴三期）百万千瓦机组2台，另外有上海外高桥2台、曹泾2台、江苏的彭城2台、金陵2台，广东的平海1台、天津的北疆2台，占已投产或在建的超超临界百万机组的2/3多。本文本项目所研究的百万机组振动特性都是针对上汽西门子型单支撑百万机组而进行的，主要着眼于单支撑转子轴承系统所述的振动故障特征、动平衡处理方法以及消除方法的技术攻关。都是基于上汽西门子型百万机
7、组。上汽西门子型百万机组作为新引进、新投产的机组，国内各单位对该类型机组的振动研究都还属于起步和探索阶段，文献中有陈瑞克介绍了百万机组轴系稳定性的判据11，顾越等研究西门子百万机组滑动轴承油膜压力、油膜温度分布，并得出了油膜刚度和阻尼系数12，邵晓岩等对玉环百万机组基础进行了振动特性研究，得到未安装设备情况下基础的结构动力学特性13，陈建县对轴瓦振动问题进行了分析14，史进渊15等对超超临界汽轮机组气流激振进行了研究，但这些大都是基于对振动测试结果的阐述以及一些原因分析的简单阐述，没有从根本上上解决问题，未涉及到汽轮发电机组转子动力学特性的研究，对现场的振动故障诊断和处理不具备系统指导的意义。
8、对于一些超超临界状态的的转子振动特性的机理研究几乎未见报道。上汽西门子型百万机组其单支撑、落地式轴承完全不同其他其它类型的百万机组，或常规的300、以及600MW机组，对其振动机理产生的认识还未弄清，对这些由于百万机组投产带来的新问题，仍需要国内各有关单位去吸收、研究引进的技术，并为现场振动故障处理提供理论依据。因此，很有必要开展单支撑超超临界百万机组振动技术研究，以进一步深化单支撑超超临界百万机组振动故障诊断技术和动平衡技术、动态评估和计算汽轮发电机组基础的动力特性，并形成典型的单支撑轴承座振动故障诊断及处理案例的系统性解决方案。该项研究工作在2010年由浙江省电力省公司正式立项。2 上汽西
9、门子型百万机组轴系结构以及共性振动故障2.1 轴系结构特点上汽西门子型百万机组轴系由高压转子、中压转子、两根低压转子、发电机转子和励磁机转子组成，各转子之间均采用刚性联轴节连接，具体轴系布置如图2-1。高压转子为双支撑结构，中压转子和两根低压转子为单支撑结构，发电机与励磁机转子为三支撑结构，即励磁机也为单支撑结构。机组配有一套瑞士Vibmeter公司生产的TSI系统VM600，该系统在每个轴承座中分面135方向布置两个加速度传感器，测量轴承座振动（又称瓦振）；另外在每个轴承座中分面左、右45方向各配置一个涡流传感器，测量X和Y方向转子相对振动（又称轴振）。图2-1 轴系布置示意图（1）上汽西门
10、子型百万机组的优点上汽西门子型百万机组汽轮机采用单轴承支撑，大型落地式轴承座、专用西门子轴承等独特的技术。单轴承支撑，与其他它公司的四缸四排汽轮机相比，轴承数量少了3个，所以该型汽轮机的轴向总长仅27m，比其它机型要短8-10m。单支承方式不仅是结构比较紧凑，主要还在于可以减少基础变形对轴系对中的影响，又极大地的缩短了机组轴系长度，厂房投资相应下降，经济性较高。轴承支撑为落地式轴承座，无台板，轴承座整体灌浆，这种方式，可以减少真空变化以及汽缸变形影响机组的振动的稳定性。然而单轴承支撑的设计，使得轴承的承载载荷重、金属瓦温高，单轴承比压大、采用高粘度油，因此径向轴承支撑采用使用西门子公司特制的轴
11、承。该轴承区别于常规的椭圆轴承、圆轴承以及常用的各类汽轮发电机专用轴承（如开有各种沟槽的混合轴承），该轴瓦内表面结构十分复杂，仅下瓦内表面沿周向就由五段曲率组成,形成油膜的收敛区和发散区，且上、下瓦结构形状不对称，上瓦为周向开槽的结构。其特点为尺寸巨大、负载重，在实际运行中已显示出了优越性，除了能很好满足1000MW级机组的运行需要以外，其摩擦功耗与常规轴承相比明显较低，是一种典型的高效低能耗的大型汽轮机轴承。上汽西门子型百万机组采用了全周进汽滑压与补汽调节的组合的进气方式， 大部分工况下，采用全周进汽方式以消除部分进气不平衡影响，高压转子跨距相对同等容量机组小，一阶临界转速为2640r/mi
12、n, 临界转速相对高一些，以降低高压转子的汽气流激振发生的概率。（2）上汽西门子型百万机组在振动方面的劣势单支撑超超临界百万机组有着上述巨大的优势，但是要充分发挥单支撑轴承座的优势，还需注意以下几点事宜。首先，单支撑的落地式轴承座安装要求非常严格，该轴承的支撑刚度主要取决于轴承底部和轴承支座的瓦枕接触面的线接触情况，接触面是现场研磨安装找正的，受施工工艺水平的影响情况较大，现场工艺水平的偏差，就有可能引起轴承座振动大。其次，单支撑减少了3个轴承，转子的振动监测也减少了3个平面处的测点信息，在单支撑轴承座的测量出的振动信号仅是转子单侧信息，并不能完全反应该转子的振动特性，并不能通过测点的振动信息
13、来转子的振型，这给振动故障诊断和处理带来很大的困难。再次，汽轮机的轴承虽然为落地式轴承，理论上不受真空变化和汽缸变化的影响，但是在实际运行过程中发现，汽轮机末端轴承座（5号轴承座）在冬季、夏季的标高变化较为严重，而发电机的6号轴承座标高变化不大引起汽轮靠背轮两侧振动的不稳定波动，甚至会引起整个轴系振动的恶化。最后另外，大多数机组的补汽阀投运后，高压转子仍然会出现汽流激振的情况。2.2 可能会引发的振动问题上汽西门子型百万机组的上述缺点可能会引发以下振动问题： （1）单支撑转子瓦振严重超标问题；（2）单支撑转子轴承标高变动对振动影响问题；（3）补气阀投运后振动突变问题；（4）发电机不稳定振动问题
14、；（5）励磁机过临界振动严重超标问题。上汽西门子型百万机组轴系各转子系统除了工作于高温、高压等复杂恶劣的工况下之外，还具有独特的单轴承支撑设计和专用的径向椭圆轴承支撑结构，增加了转子动力学特性研究的难度，。有关轴承结构和单支撑结构的引进技术，国外西门子公司只是提供了加工图纸，设计准则和轴承的承载特性并没有提供，因此单支撑轴系结构的转子动力学特性不明，振动机理故障未清，转子振型判断困难。这些都给超超临界机组轴系故障的诊断和处理带来较大的困难。由于单支撑结构的存在使得整个轴系成为是一个静不定问题16-17，载荷的分布大小、转子的质量、支撑系统的刚度、系统的阻尼、轴瓦间隙等许多因素的影响，其中轴瓦间
15、隙大小对振动的影响更为明显。轴瓦间隙的大小影响着载荷的分布情况，但是一个轴承的间隙的变化主要体现在轴承的标高的变化。当某个轴承标高发生变化时，这个轴承的间隙就发生变化，因而轴承的承载变化，导致整个系统其它轴承的载荷也要重新分配，影响着整个系统承载的变化，使得轴振动和轴瓦振动的大小发生变化，并且两者的增长速度不一致，有的时候轴颈的振动值基本不变，但是轴瓦振动增加，所以设备的运行状态就不能单以轴颈的振动为判断依据了，由此而造成了机组振动特性的复杂性。在浙江省内已投产的机组中，浙江北仑电厂的6号和7号机组、浙江玉环电厂的3号机组以及浙江宁海的6号机组都是西门子1000MW机组，自调试开始就一直存在着3号和4号转子相对振动和轴承座振动问题，轴振和瓦振互相耦合，互相影响，振动一直偏大且处于不稳定状态，严重威胁着机组的安全运行。单支撑转子的3号轴承或4号轴承瓦振大已成为上汽西门子型机组比较典型和共性振动问题，并影响
