汽轮发电机组油膜失稳故障研究_陈松平.doc

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1、第 卷 第 期 年 月 热 力 发 电 汽轮发电机组油膜失稳故障研究 陈松平 ， 浦燕明 苏州热工研究 院有限公司 ， 江苏 苏州 摘 要 通过对近年来汽轮发电机组油膜失稳事故案例的整理总结 ， 分析 了油膜失稳的原因 及其振动特征 ， 认为轴承标高 不当 、 对 中不良等引起的轴承扰动及轴瓦型式不当是 引起油膜失稳的主要原因 。 对此 ， 提 出了提高润滑油温 ， 更 换稳定性更高的轴承型 式 ， 调整轴瓦顶隙及轴承座标高等处理措施 ， 可进一步提高轴瓦 稳定性 ， 减 少油膜失 稳事故 。 关 键 词 汽轮发电机组 ； 油膜失稳 ； 轴承 ； 标高 ； 对中 ； 振动特 征 中图分类 号

2、文献标识 码 文 章 编 号 （ ） 编 号 ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ： ； ； ； ； ； 油膜失稳故障及其原因 表 为典 型 油膜失稳案 例 。 分析发 现 ， 引 起油膜失稳的原因主要为机组的轴承稳定性差和轴 颈扰动 。 轴瓦稳定性差 轴承稳定性下降将使系统阻尼减小 ， 降 低激发 低频失稳的门槛 ， 造成振动突发 ， 是引发低频失稳最 重要的原因 。 轴承稳定性差的主要原因有 ： （ ） 轴瓦型式 不同轴承的稳定性裕度不同 ， 如 可倾瓦高于椭圆瓦 ， 椭圆瓦高于圆筒瓦 ， 稳定性最差 为三油楔瓦 。 因轴承自身稳定性差导致低频振动的 有湘潭电厂 、 清镇电厂等

3、 。 （ ） 轴瓦顶隙过 大 顶隙过大会减小轴瓦的偏 心率 ， 使轴瓦稳定 性降低 ， 如 海门电厂 号机组 、 姚 孟电厂 、 秦岭电厂 号机组等 。 （ ） 轴承座标高 变化 机组运行过程中由于机 组热态中心变化以及真空度 、 氢压 、 地基不均匀沉降 等因素影响 ， 容 易导致标高变化 。 标高变化会影响 轴承载荷分 配 ， 使 某 些 轴 承 轻 载 而 导 致 失 稳 发 生 。 如某厂 机组 由 于调整中心 号轴承中 心标高变低引起轴承承载较轻 ， 在 定速工况一阶负 荷工况下 号轴承轴振多次出现大范围突变 。 收稿日 期 ： 基金项目 ： 苏州热工研究院科研开发项目 （ ） 作者

4、简介 ： 陈松平 （ ）， 男 ， 江 西东乡人 ， 工 学硕士 ， 主要从事电站设备状态监测与故障诊断的研究 。 ： ： ： 振荡 。 重复发生 。 转子失稳 。 消失 。 热 力 发 电 年 表 汽轮发电机组油膜失稳案例分析 机组 失稳类型 故障部位 故障原因 故障特征 湘潭某电厂 油膜涡动 、 号轴承 扰动过大 ， 轴 瓦顶隙大 ， 稳 定性裕度低 含不稳定低频振动 ， 升 速时产生 ， 转 速升 高不消失 ， 受润滑油温影响 。 湘钢电厂 油膜涡动 汽轮机轴瓦 转子对轮连接偏差 运行中振动突 变 ， 为 成 分 ， 调 低 润 滑油温振动消除 。 海门电厂 油膜涡动 、 号轴承 轴承安

5、装与设计缺陷 升速中或定速后突发 ， 波动分量为低频 。 定速后出现低频波动 ， 远 超工频分量 ， 重 杭州半山电厂 油膜涡动 、 振 荡 、 号 轴承 润滑油温低 ， 油 量少 ， 轴 瓦长径比大 复性 较 好 ， 振 荡 时 主 频 率 为 一 阶 临 界 转频 。 望亭电厂 油膜振荡 、 号轴承 轴承座标高变化 机组进汽后突发 ， 为 一阶临界转频分量 ， 某电厂 油膜振荡 、 号 轴承 轴瓦损伤 ， 号 瓦承载轻 升速或变工况下多次发生 低 频 牡二电厂 油膜振荡 发电机轴承 低发对轮中心变化 高负荷下突 发 低 频 波 动 ， 接 近 一 阶 临 界 转速 ， 受润滑油温影响 。

6、攀钢电厂 号机组 油膜涡动 、 振 荡 号轴承 润滑油温低 运行中突发 半 频 涡 动 ， 降 负 荷 过 程 达 最 大 ， 停机降速后消失 。 某厂 油膜涡动 号轴承 碰摩热弯曲造成不平衡扰动增大 升速时多次突发大幅波动 ， 为 半频成分 ， 随转速有增大趋势 。 某电厂 油膜涡动 号轴承 号瓦碰摩干扰 ， 润 滑油温低 升速到工作转速突发大 幅 低 频 波 动 ， 调 整润滑油温后消除 。 姚孟电厂 油膜涡动 、 号轴承 轴瓦顶隙超标 ， 轴承座标高偏低 高负荷出现大幅半频波动 ， 停 机 降 速 后 消失 ， 有 异常声音 。 某电厂 油膜涡动 号轴承 扰动大 ， 轴 承座标高低 转

7、子冷却水温变化引起 半 频 大 幅 波 动 ， 通辽电厂 油膜振荡 、 号轴承 低发对轮偏心 ， 联轴器连接松动 升速或运行 中 多 次 发 生 ， 为 一 阶 临 界 转 频 ， 降速后振动消失 。 后石电厂 油膜振荡 号轴承 轴承负载偏低 运行中突发 试运中多次发生 ， 受 油温及工况影响 ， 低 徐州电厂 油膜振荡 、 号 轴承 扰动大 ， 对 轮瓢偏 焦作电厂 号 机组 油膜 振荡 、 号 轴承 轴承座标高低 频接 近 临 界 转 速 ， 有 时 需 停 机 降 速 后 消失 。 超速试验时突发剧烈振动 ， 频 率 接 近 一 阶临界转频 。 朝阳电厂 油膜振荡 发电机轴承 轴瓦长径比

8、大 升速时突发低频紊乱振动 ， 不 随 转 速 升 高变化 ， 发 出异常声音 。 升速时已含一阶临界转 速 低 频 ， 超 速 试 验时突增 ， 波 及相邻轴承 ， 降 速到一定值 后振动下降 。 变工况时突增 ， 迅 速波及相 邻轴承 ， 降 负 荷或停机降 速 时 正 常 ， 低 频 接 近 一 阶 固 有频率 。 高负荷和工作转速下突 发 低 频 振 动 ， 减 负荷消失 ， 波 及相邻轴承 。 多次突发振动跳机事故 运行中多次突发 ， 发 出异常声音 ， 打 闸至 一定转速后低频消失 。 升速或超速试验时突发 大 幅 低 频 振 荡 ， 轴心轨迹变为双椭圆 ， 打 闸降速后正常 ，

9、受润滑油温影响 ， 多 次发生 。 阳泉二电厂 油膜振荡 、 号轴承 轴瓦损伤 ， 稳 定性裕度低 ， 轴 系中心偏 差太大 ， 扰 动大 振动突 发 ， 振 幅 急 剧 上 升 ， 波 及 相 邻 轴 承 ， 发 出异音 ， 打 闸 后 下 降 迅 速 ， 检 查 无 异常 。 金竹山电厂 油膜涡动 、 号 轴承 轴系不对中 升速时 突 发 ， 含 较 大 半 频 分 量 ， 降 速 后 某电 厂 德州电 厂 号机 组 油膜振 荡 油膜振 荡 、 号轴 承 号轴 承 轴瓦稳定性裕度 低 相邻轴 承热态标高变 化 某电 厂 某电 厂 油膜振 荡 油膜振 荡 号轴 承 、 号轴 承 对轮中心变

10、化 ， 轴 瓦磨 损 ， 瓦 块翻 转 中心孔堵头脱落至联轴器内 腔 秦岭电 厂 油膜振 荡 、 号轴 承 轴瓦稳定性裕度 低 ， 顶 隙 大 ， 长 径比 大 清镇电 厂 油膜振 荡 、 号轴 承 轴瓦稳定性裕度 低 ， 承 载 轻 ： ： 第 期 陈松平 等 汽轮发电机组油膜失稳故障研究 （ ） 轴瓦损伤 轴承油膜对轴瓦和轴颈的型线 和光洁度要求非常高 ， 如果轴瓦运行中造成损伤 ， 不 能形成正常的油膜 ， 将大大降低油膜阻尼 ， 无法起到 遏制失稳的作用 ， ， 。 （ ） 轴承比压低 、 长径比大 减小轴瓦长径比能 提高轴承比压 ， 并使下瓦油膜力减小 ， 增加轴瓦稳定 性， 如杭州

11、半山电厂 、 朝阳电厂 号机组等通过减小 长径比处理低频失稳故障 。 （ ） 润滑油粘度不合理 润滑油粘度过高 ， 会降 低轴颈在轴承中的偏心率 ， 不利于轴颈稳定 。 油粘 度过低将减 少 油 膜 的 阻 尼 ， 对 抑制油膜振荡不利 。 如攀钢 号机组 、 秦岭 号机组等 。 轴颈扰动过大 引起轴颈扰动过大的原因有不平衡 、 转 子热弯 曲 、 不对中等 ， 这些强迫振动故障引起的剧烈振动会 使轴承工作 条 件 恶 化 ， 成 为导 致 油膜失稳的诱因 。 另外 ， 轴承座刚度过大也会加剧扰动 。 综上所述 ， 轴承标高不当 、 对中不良等引起的轴 承扰动及轴 瓦 型 式 不 当 是 引

12、起 油膜失稳的主要原 因 ， 其所占比例见图 。 图 油膜失稳原因所占比例 油膜失稳故障特征 油膜失稳为典型的轴承自激振动 ， 具 有特有的 频率和振幅特征 ， 其 与机组的转速 、 负 荷 、 润 滑油温 等密切相关 。 频率特征 油膜失稳会表现出明显的低频特征 ， 即 振动变 化成分主要为低频成分 ， 频率一般为半频或一阶临 界转速 。 当振动发生在转速低于 倍一阶临界转速 时为油膜涡动 ， 频 率为 ， 发 生在转速高于 倍 一阶临界转速时为油膜振荡 ， 频率 为该轴承所支撑 转子的一阶临界转频 。 机组运行中 ， 因轴颈表面相对 轴瓦表面光滑及 轴承润滑油存在端泄 ， 实际油膜平均涡动

13、速度略低 于转子转速的 ， 使低频成分略低于 。 由于非线性因素存在 ， 油 膜振荡有时会产生其 它低频或高频成分 。 如某 机组低压转子 号轴承轴振 突 增 ， 并 迅 速 波 及 整 个 轴 系 ， 频 率 中 除含有大量 和 成分外 ， 还含有少量 、 等成分 。 部分油膜振荡故障在 起机过程中低速时已 有涡动现象发生 ， 涡动频率随转速提高而增大 ， 直到 升至转子 倍一阶临界转速以上时 ， 涡 动频率始终 保持在某一低频不变 ， 这 是油膜振荡与油膜涡动的 典型区别 。 时变特征 （ ） 突发性 在故障发生前振动较稳定 ， 有时也 含有少量低频成分 ， 当 工况变化 （ 如 转速 、

14、 润 滑油温 变化等 ） 或扰动增大时突然发生 。 （ ） 振动不稳定 性 故障发生后振动会出现大 幅波动 ， 其中油膜振荡稳定性较油膜涡动更差 ， 低频 成分更明显 。 （ ） 再现性 在相同工况附近多次重复发生 ， 由 于振动受扰动影响 ， 每次发生故障的工况可能不同 。 如海门电厂 机组调试过程中发生的 次 油膜涡动故障 ， 分 别在定速后 和升速过程中 突发 。 （ ） 传递 性 油膜失稳首先在轴系某个轴承 上 出现 ， 然 后 迅 速 传 递 到 相 邻 轴 承 ， 甚 至 波 及 整 个 轴 系 。 相邻轴承振动突发时间和振幅会呈延后和减小 的 特征 。 如某 机组升负荷过程低压

15、转 子 号轴承轴振突增 至 ， 迅速波及整个轴 系 。 （ ） 滞后性 油膜失稳的滞 后性也即惯性效应 ， 表现为振动突发后降负荷或停机 ， 但 振动并不随负 荷或转速下降而迅速消失 ， 而 是在低于振动发生时 的工况或转速时才逐渐减小和消失 。 与运行参数的关系 （ ） 润滑油温 受润滑油温影响是油膜失稳的 一个典型特征 ， 油温提高能降低润滑油黏度 ， 提高轴 承稳定性 。 但油温过高会加速油质劣化 ， 而 且由于 轴瓦乌金温度升高 ， 使轴瓦运行安全性余量减少 。 （ ） 冷却水温 度 多个案例表明 ， 提高冷却水 温 度 有利于抑制发电机轴瓦自激振 动 。 如 某 机组发 电 机 冷

16、水 温 度 从 降 至 ， 发 电 机 号轴承发生油膜涡 动 ， 振动突 增 。 （ ） 机组负荷 油膜失稳与负荷无直接联系 ， 但 不少事故均由机组负荷变化导致 。 负荷变化率过快 可能导致转子热弯曲引起轴颈扰动 ， 或 引起轴承座 标 ： ： 高变化等降低轴系稳定性 。 ： ： 热 力 发 电 年 （ ） 真空度 真空度大小直接影响低压缸排汽 压力和温度 ， 汽缸 温度变化会导致机组热态中心变 化 ， 进而引起轴承座标高变化 。 （ ） 氢压 发 电 机 轴 瓦 冷 、 热 态 标 高 受 氢 压 影 响较大 ， 因此氢压 的变化可影响发电机轴承的自激 振动 。 其它特征 （ ） 异 音

17、油膜振荡时 ， 润滑油在轴承间隙内剧 烈抖动 ， 轴承箱往往会发 出 “ 嗡 嗡 ” 声 。 （ ） 轴心轨迹 轴系发生失稳时 ， 轴心轨迹不再 保持规则的椭圆形 。 图 为某 机组油膜 失稳轴心轨迹 。 图 油膜失稳轴心轨迹 （ ） （ ） （ ） 转速特性 油膜涡动随转速振动变化明显 ， 而油 膜 振 荡 发 生 后 ， 转 速 升 高 振 动 值 及 频 率 不 变 ， 。 图 为机组油膜失稳发生时的各种运行工 况 ， 由图 可见 ， 油膜失稳与机组转速关系明显 。 图 油膜失稳故障发生工况 处理及预防措施 （ ） 确定轴颈振动是否过大 ， 当扰动过大时应先 降低扰动 。 轴颈扰动由强迫

18、振动引起 ， 应 根据故障 原因采取动平衡 、 调整中心等措施降低轴颈振动 。 （ ） 采取提高润滑油温 、 更换稳定性更高的轴承 型式 、 调整轴瓦顶隙及轴承座标高 、 消除轴瓦自身缺 陷 、 防止轴封漏气 、 减少轴瓦长径比提高轴承比压等 措施提高轴承稳定性 。 针对油膜失稳 ， 可采取以下预防措施 ： （ ） 在设计阶段 ， 通过选用油膜动特性系数交叉 耦合项小 、 稳定性好的轴承 ， 改变轴系布置等方式提 高轴系稳定性 。 （ ） 安装或检 修时 ， 严格按规程控制轴瓦顶隙 ， 合理调整轴承座标高 ， 提高轴承比压 ， 检查转子对中 状态等避免轴承稳定性下降或扰动增大 。 （ ） 运行

19、中 ， 研究并采用对机组扰动最小的调节 阀运行方式 ； 防止 因受热不均等导致的汽缸偏移或 转子跑偏等 ； 防止 高负荷时轴承座标高在热态下发 生变化或轴瓦损伤等引起轴承稳定性的降低 ； 当 机 组存在热弯曲 、 不对中等强迫振动时 ， 应首先处理 。 参 考 文 献 李录 平 ， 张 国 忠 ， 胡 幼 平 ， 等 机 组 振 动 爬 升 与低频振动的原因及其对 策 热 能动力工 程 ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： 谢 民 干 熄焦余 热 汽轮发电机组振动 原 因分析与处 理 机 床与液 压 ， ， （ ） ： ， ， （ ） ： 刘石 ，陈 君国 ，王 飞 ，等 超 超

20、临界 机组油膜 涡动故障 分 析 和 处 理 汽 轮 机 技 术 ， ， （ ）： ， ， ， ， ， （ ） ： 童小 忠 ， 应 光 耀 半 山 号燃气机组油膜涡 动和油膜 振 荡分析及处 理 汽 轮机技 术 ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 冀大伟 ，叶 春 ，韩 晖 ，等 望 亭 电 厂 燃机油膜振荡故 障诊断及原因分析和处理 华 东电力 ， ， （ ）： ， ， ， ， ： ： 第 期 陈松平 等 汽轮发电机组油膜失稳故障研究 ， ， ， （ ） ： 郭平 英 ， 党 原 健 某 进 口 汽轮发电机油膜振 荡 的分析及处 理 陕 西电 力 ， ， （ ） ： ， ， ， （

21、 ）： 迟威 ，宿 海燕 ，解 永波 ，等 牡 二电厂 机组油膜 振荡故障 诊 断 及 处 理 黑 龙 江 电 力 ， ， （ ）： ， ， ， ， ， （ ） ： 胡锋 号汽轮发电机组振动故障 诊 断 及 其 对 策 冶金动 力 ， （ ） ： ， （ ） ： 赵斌 ，丁 常富 汽轮发电机组油膜涡动振动诊 断研 究 汽 轮机技 术 ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 冯永 新 汽轮发电机组大修 后异常振动的分 析 处 理 广 东电 力 ， ， （ ） ： ， ， （ ） ： 罗剑 斌 ， 张 辉 ， 李 辉 ， 等 机组励磁机低频振 动 诊断与处 理 华 中电 力 ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： 梁自 红 ， 龚 云 贵 国 产引进 型 汽轮发电机组 典 型振动处 理 云 南电力技 术 ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 王德和 机组油膜振荡产生原因及消除措施 汽 轮机技 术 ， ， （ ） ： ， ， （ ） ： 杨铭 汽轮机轴承振动原因分析及轴承负载 调整方法浅述 科 学咨询（科 技管理）， （ ）： ， （ ）：