Fig.1ShaftvibrationtrendinXandYdirectionsat
Bearing4ofLPRotorⅠ
1.2振动故障诊断及处理
最初怀疑低压Ⅰ转子上有部件逐渐脱落或出现局部动静碰磨使转子产生热弯曲进而导致振动爬升。但在4号轴承轴振增大的同时，其轴承座振动几乎没有增大，同时相邻的3、5号轴承轴振也没有增大，这一现象在逻辑上无法解释。还有观点认为可能是4号轴承轴振测量系统出现问题，但一般同一轴承2个轴振测点同时出现测量数据偏差的可能性较小。随后检查低压Ⅰ转子末级叶1
某660MW汽轮机低压转子突发性振动
诊断和处理
设备简介及振动特点
某机组汽轮机系哈尔滨汽轮机厂生产的6601.1
收稿日期：2015-04-26作者简介：张学延（1962—），男，重庆人，研究员，长期从事汽轮发电机组振动故障诊断和治理工作。
E-mail:zhangxueyan@tpri.com.cn110第8期张学延等：电厂旋转机械设备振动问题处理案例分析
发电片等未发现异常及检查振动测量系统无误后机组冲转。在冲转过程中，转速达到1200r/min后4号轴承X、Y方向轴振动快速增大，转速最高冲至1540r/min时振动已达400μm以上而跳机（Bode曲线见图2）。与2011年8月6日机组运行中因振动大引起的跳机一样，4号轴承轴振增大时，其轴承座振动和相邻的3、5号轴承轴振基本没有同步增大。图31520r/min时4号轴承Y方向轴振波形及频谱WaveformandspectrumofYdirectionalshaft
Fig.3
vibrationatBearing4bearingatspeedof1520r/min
该轴承为4瓦块可倾瓦（上、下各2块）结构的自位式轴承，通常能够保持良好的对中状况。更换X方向上瓦块的固定螺丝，并适当修复瓦块的自位垫块后机组重新启机，顺利定速3000r/min及并网带负荷运行，4号轴承轴振动良好。1.3小结和评述
突发性振动通常是由于转动部件脱落、严重动静碰磨、线圈膨胀受阻（针对发电机转子）以及轴承油膜失稳或蒸汽激振等故障引起的，但本机组4号轴承轴振增大的原因系罕见的轴承失效故障，即X方向上瓦块固定螺丝断裂，使轴承约束转子能力降低，转子在剩余3个可倾瓦块的支承下，产生了1/3倍频振动。本案例中，尽管4号轴承失效时其轴振也主要呈低频特性，但与一般轴承油膜失稳故障不同，其低频振动没有传递性，即相邻轴承振动并没有图2
启动过程4号轴承X、Y方向轴振动波德曲线
反映出这样的特性。因此，识别振动故障时除了分析振动的频谱外，还应根据振动的逻辑关系进行综合判断。Fig.2BodecurvesofXandYdirectionalshaftvibration
atBearing4duringstartingup
进一步观察升速过程4号轴承轴振动频谱，发现有异常现象。尽管通频振动很大，但其中与转速同步的基频分量很小，主要呈1/3倍频分量。图3所示的是转速1520r/min时Y方向轴振的波形和频谱，通频振幅、基频振幅、2倍频振幅和2
某660MW机组大负荷工况发电机转子振动诊断和处理
设备概况和振动特点
某机组汽轮机是由东方汽轮机厂设计制造的2.1
0.5倍频振幅分别约为361μm、25μm、3μm和61μm，而1/3倍频（约8.44Hz）振幅高达近250μm。最终怀疑4号轴承可能已经出现故障，决定翻瓦检查。检查发现支承4号轴承X方向上瓦块固定的N660-25/600/600型超超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、双背压凝汽式汽轮机，配以东方电机股份有限公司制造的QFSN-660-2-22型全封闭、自通风、强制润滑、水氢氢冷却的发电机。2014年6月底机组进入整套启动调试阶段。带负荷后，发电机转子振动不断爬升并达到跳机值，导致调试无法顺利进行。2个螺丝断裂，分析原因可能是固定螺丝强度不足，在交变应力作用下出现疲劳损伤后产生断裂。111发电中国电力第48卷该机组升速过程发电机转子振动尚可，初定速3000r/min时振动也不大，其中7号轴承（发电机前轴承）X方向轴振动在70μm左右。定速初期一段时间，发电机转子振动尤其是7号轴承X方向轴振动爬升速度较快，半个小时左右增大到住，未将电流继续增大到额定值。试验中振动数据见表1所列。表1
变励磁电流试验中发电机详细振动数据
Table1Detailedvibrationdataofgeneratorrotorduring
variableexcitationcurrenttest
振动/μm120μm左右。并网后，低负荷区间，振动仍然不断爬升，只是速度有所放缓，高负荷区间，尤其是从400MW继续升负荷时，振动爬升的速度突然加快，最终超过254μm的跳机值。跳机惰走过程中，发电机转子过临界转速下的振动比升速过程时显著增大。图4示出2014年7月11日定速带负荷过程7号轴承X方向轴振动及其相位变化趋势。日期及时间负荷/励磁电流/AMW6606604503502503383383387X1872492422382311171241287Y971311291211188789918X721181121081024752508Y29494743402933352014-07-19T13:002014-07-19T13:202014-07-19T13:402014-07-19T14:002014-07-19T14:302014-07-21T13:102014-07-21T13:302014-07-21T13:4539604445350027001900265030202700变冷却氢温试验中将氢冷器冷风温度从38℃提高到48℃，7号轴承X方向轴振动从130μm增大到145μm左右，8号轴承轴振动变化不大。停止试验，恢复氢温到原始值后，振动却不降低，无法恢复原始值。变密封油温试验中振动基本保图4
定速带负荷过程7号轴承X方向轴振动及相位变化
趋势
持稳定，表明改变密封油温对发电机振动基本没有影响。根据以上试验结果及数据，看出发电机振动呈以下主要特征：（1）空载时振动不大，随运行时间增长及并网后负荷增加，发电机振动尤其是7号轴承轴振动稳步增长；（2）振动增大主要与转子励磁电流有关，随着励磁电流增大，转子振动也稳步增大，振动增大后，降低电流及负荷，振动很难恢复到原始值；（3）振动成分主要以1倍频分量为主，其余杂波成分很少，且振动幅值爬升时，振动相位也有一定变化。综合以上特征分析，可以排除冷却系统缺陷、线圈膨胀受阻以及动静碰磨等故障。鉴于振动变化与励磁电流的对应关系，而且该振动故障出现在转子较热状态，即较大的励磁电流下表现得更明显，诊断发电机转子热弯曲的根源在于转子线圈存在动态匝间短路故障。这一结论后来得到电气专业动态匝间短路试验结果的验证，试验表明，只有在大负荷尤其是400MW以上时，发电机第Fig.4ThetrendsofXdirectionalshaftvibration
amplitudeandphaseatBearing7duringloading
2.2振动故障诊断及处理
对该发电机振动故障的初步印象就是振动与负荷有关，即升负荷过程振动逐步增大，表明发电机转子出现了热不平衡（弯曲），与初定速3000r/min时相比，额定负荷时7号轴承X方向轴振动的振动变量超过160μm。通常引起发电机转子热不平衡原因包括转子受热不均（如局部短路）、转子冷却不均（如冷却通道局部堵塞）、转子内摩擦力不均（如线圈膨胀受阻）和转轴材质不均。为进一步查明原因，对机组进行了变励磁电流、变冷却氢温以及变密封瓦油温试验。2014年7月19日进行进相试验时，其过程也相当于一次变励磁电流试验。当时机组满负荷运行，将发电机励磁电流从3969A升高至4445A左右，7号轴承X方向轴振动从190μm突然增大到接近250μm，试验无法继续进行。随即降低励磁电流，振动值也不降低，又降负荷至300MW以下，振动虽有下降趋势，但是降速非常缓慢。7月21日13:10开始，保持负荷为330MW，将励磁电流从2650A逐步增加到3020A，7号轴承7、第8道线圈的动态气隙波形不合格。现场曾尝试对发电机轴系进行了一次动平衡配重，试图补偿热态下转子的振动变化。动平衡后，在空载及低负荷区间取得一定效果，振动降低至合格水平，但是大负荷后仍然出现较大的振动爬升，振动仍然超标。考虑到对发电机匝间短路故障处理的技术及环境要求较高，电厂要求返制造厂处理。由于现X方向轴振动从110μm增大到125μm左右，振动增长的趋势比较明显，因担心振动发散控制不112第8期张学延等：电厂旋转机械设备振动问题处理案例分析
发电场工期紧张，电厂和制造厂协调的结果是更换一根新的发电机转子。安装新的发电机转子后，启机和带负荷过程发电机振动状况良好，机组顺利完成168h试运。2.3小结和评述
机组带负荷后发电机转子振动爬升的原因在于热态下转子线圈出现动态匝间短路故障，导致转子局部受热变形而发生了热弯曲，进而引起转子不平衡质量及振动的增大。一般通过励磁电流、冷却介质温度等参数与振动的关系试验以及相关的电气试验可以诊断出动态匝间短路故障。由于匝间短路故障通常引起发电机转子的热弯曲量较大，因而现场尝试进行转子的热平衡可能是徒劳的。只有彻底消除匝间短路故障，才能控制大负荷工况下发电机转子的振动水平。3
某立式凝结水泵驱动电机的振动诊断和处理
图5
立式凝结水泵结构示意
3.1设备概况和振动特点
某公司2×1000MW超超临界汽轮发电机组Fig.5Thestructureofverticalcondensationwaterpump
明该泵组的振动性质属于强迫振动。电机的振动只在某一个转速下、某一个方向上出现，而其余转速下的振动都是正常的，据此判断其振动原因应该属于结构共振，即电机-支架-泵体系统在某一个方向的固有频率落入到泵组的工作转速范围之内。当泵组的工作转速与该固有频率合拍时，则在该方向出现了结构共振，从而导致该转速（频率）下其振动被急剧放大，出现了明显的振动峰值，而一旦工作转速离开了该频率值，则结构共振消失，振动又会降低。消除结构共振问题的根本方法是改变支撑系统的固有频率，使其在整个工作转速区间内不存在共振点。振动体的固有频率理论上只与其质量和刚度有关，对于一台定型的设备，通常其质量无法改变，现场可以改变的是其结构刚度，刚度越大则固有频率越高，如果刚度足够高，则固有频率可以上升到工作转速区间之外。尽管此前进行的泵体支撑支架的加固工作就是按照这种思路进行的，但是效果并不明显。这是因为在实际操作中，对于非常大的部件，通过增加“有效”的刚度来改变其固有频率也非常不易，而只有当其刚度与原来比较有了明显改变的时候才可能会有效果。要大幅度改变刚度则意味着大幅度改变结构，由于现场实际条件的限制（如空间狭小）这几乎是不可能的。除了改变结构的固有频率外，现场往往还可采用降低转子的激振力方法控制振动。对于一个系哈电集团引进东芝技术生产，分别于2012年和2013年投产。每台机组配备3台立式凝结水泵，布置在汽机厂房零米层。凝结水泵型号为C630Ⅲ-6，由长沙水泵厂生产，配套电机是由湘潭电机厂生产的YLBKS560-4型同步电机，按照设计采用变频调节运行，平时运行中采取2用1备的方式。泵组结构示意如图5所示。6台凝结水泵自调试期间开始，就存在变频运行中振动大的问题，主要表现为在某个工作频率（转速）下，电机顶部振动（见图5中测点位置）非常大，超过了振动限值。各台凝结水泵电机的振动特征大体相同，只是出现振动峰值的转速以及峰值的大小有所差别。由于变频工作时振动太大以至于变频器无法正常投入，而不得不采用定频方式运行。对于凝结水泵存在的普遍性变频振动问题，从调试期间开始直至后续生产中，制造厂家以及其他单位多次进行过处理，包括现场电机转子反复调整安装、返制造厂进行动平衡以及对泵体支座焊接加强筋进行现场加固，但都没有取得明显的振动改善，一直无法投入变频运行，给机组节能造成了非常大的压力。以至于电厂不得不准备尝试更换电机-水泵，但即使如此也不保证一定会消除该故障。3.2振动故障诊断及振动处理
因为主要是与转速同步的基频振动成分，说113发电中国电力第48卷振动体而言，如果没有外力激励，即便存在明显的结构共振，理论上也不会出现振动。因为该方法的实施比较简单，在解决现场实际结构共振问题时经常采用。从效果来看，尽管结构共振依然存在，但是采取降低转子激振力的办法后，可以显著降低共振区的振动幅值，从而有效解决振动问题。采取降低激振力的手段消除结构共振下设备的振动，必需具备可以进行高精度动平衡的条件。就该立式泵组而言，存在以下难点：（1）加重位置非常有限，尤其是上部的电机没有设计专门用于现场平衡的加重位置；（2）可以利用电机和水泵的联轴器加重，但该位置加重半径小而副作用却非常大，加之其靠近泵体很容易诱发泵体振动；（3）立式泵组转子振型是复杂的空间挠性曲线，仅靠在单个平面上加重难以平衡空间曲线，甚至无法平衡二阶振型。因此，根据具体结构提出对泵组进行技术改造方案。利用现场条件，专门制作加工了一个平衡轮盘，提前打好平衡孔并攻丝，安装在电机顶部端面。平衡盘重量可以根据具体情况调整，其半径设计足够大，以力求在较小的加重量的情况下获得比较大的不平衡响应。自2014年1月开始，尝试实施对凝结水泵电机加装平衡轮盘的改造，并分别进行了高精度动平衡，取得了非常好的效果。尤其是现场操作非常方便，提前做好准备工作，无需专门停机停炉，在后夜的负荷低谷时段仅几小时就可以解决凝结水泵电机的振动问题。其中2台凝结水泵现场处理结果分别如表2和表3所示。表2
表35A凝结水泵现场处理前后电机振动比较（通频）ComparisonofmotorvibrationofCondensate
μm
WaterPump5Abeforeandaftertreatment
转速/（r·min-1）处理前处理后Table3
频率/Hz-83636520178147106⊙8396126836639-8545013/8⊙17453015/6354042454750105612061264135214121490顶部增加了一个平衡轮盘专门用于现场平衡，并在现场实施精细动平衡后顺利消除了变频振动问题。近年来凝结水泵组等设备变频运行后出现振动问题的情况比较多，其原因是由于此前设备一直按定频运行方式，启停过程转速快速通过共振区间，因此正常运行中观察不到结构共振对振动的放大。随着大量设备实施节能变频改造，变频运行以后，在整个转速区间都可能运行，将原先的结构共振转速包含在内，所以结构共振问题突出表现出来。当无法有效改变设备结构特性时，在电机顶端加装平衡轮盘并做精细动平衡的方法无疑是解决此类设备变频运行后振动变大问题的一种有益尝试。4
某锅炉增压风机不稳定振动的诊断和处理
设备概况和振动特点
某电厂锅炉脱硫增压风机是Howden公司生产4.1
6B凝结水泵现场处理前后电机振动比较（通频）ComparisonofmotorvibrationofCondensate
μm
WaterPump6Bbeforeandaftertreatment
处理前处理后Table2
的轴流式风机。额定工作转速750r/min，由电动机驱动。该风机动叶开度可调节，在电机侧布置了2个滑动轴承支撑，轴系结构示意见图6所示。频率/Hz转速/（r·min）-1-17110161137715129⊙12976046211916-112349301196⊙124436127510354041424345501049119712261256128613441490图6增压风机轴系结构示意
Fig.6Thestructureofrawgasboosterfan
该增压风机投产后振动良好，但随着运行时间延长振动逐渐爬升。2013年年初在线监测仪表显示其1号轴承座最大振动已达160μm左右，并长期在高位振动下运行。此前由制造厂等单位进行过振动处理，但是效果不佳，振动非但没有减小反而有所增大、且振动不稳定。3.3小结和评述
6台立式凝结水泵存在变频运行电机振动大的共性问题，其原因在于支撑结构在工作转速范围之内存在共振。通过对泵组进行改造，在电机114第8期张学延等：电厂旋转机械设备振动问题处理案例分析
发电4.2振动故障诊断和处理
第一阶段的工作是2013年4月对风机转子实当多次加重无法达到预期效果时应及时放弃动平衡尝试，这种加重产生的振动响应线性度一般较差，其通常有其他层次的原因。如果诊断结果是不稳定的质量不平衡、且振动相位变化较大，则首先应查找产生不稳定质量不平衡的根源，并予以消除。只有确定振动是由稳定的质量不平衡引起的以后，再考虑实施转子动平衡。施动平衡。平衡过程出现异常情况，表现为每次加重均无法达到预期值，实施了3次尝试性加重，振动非但没有改善还出现了一定的恶化。拆掉所有的试加重量，振动并未恢复到原始值。与加重前相比，1号轴承座水平振动从147μm增加到了350μm。经过第一阶段处理，增压风机振动水平非但没有获得有效降低，在动平衡后反而有所增加，在随后的运行中振动进一步增大，1号轴承座垂直振动达到300μm，水平振动也接近500μm。考虑到上述振动的异常现象，分析增压风机的振动并非单纯的质量不平衡，为此专门安排时间对其进行诊断处理。第二阶段振动处理主要进行了3个方面的工作：一是进行了相关的振动试验；二是调整了扩压段导轨接触状态；三是对风机再次进行了动平衡。保持风机动叶开度不变，专门起停了2次风机，振动幅值和相位均有一定变化。对扩压段地脚与导轨的接触进行反复调整，随后又进行了一次转子动平衡，但是从效果来看，启动后风机振动基本没有改善，正常运行后振动仍然非常大。从前两个阶段的振动处理情况来看，尽管该风机表现为强迫振动，但是并不是单纯的稳定质量不平衡问题，因为振动总是处于变化之中，因此第三阶段振动处理主要从检修工作方面着手进行。拆掉叶片，打开风机叶轮轮毂，重点检查内腔和传动执行机构。解体后检查发现，轮毂内腔存在大量污垢，其成分为油泥与灰尘的混合物，部分附着在内壁上，也有很大部分处于自由状态。从其状态来看应该是灰尘长期以来吸附并固化而成，根据清理下来的污垢来看，其总重量估计有数公斤。漏油原因为伺服控制机构密封老化引起油泄漏。更换新的伺服控制机构油密封，彻底清理并回装、并去掉以往所有平衡加重后再次启动风机，振动非常小，且很稳定，各种动叶开度下1号轴承座垂直和水平最大振动分别不超过20μm和30[1]张学延.汽轮发电机组振动诊断[M].北京：中国电力出版社，
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5结语
设备振动故障诊断及治理是一项综合的专业技术。正确掌握并应用好该技术解决现场振动问题除要求具有包括振动监测分析、转子动力学、振动故障机理和诊断等专业知识外，还要求熟悉设备的工作原理、结构特性和运行特性，更为重要的是需要在工程应用的实践中不断学习、领悟和积累经验。本文给出的几起设备振动问题解决的案例分析将加深对振动故障诊断及治理技术的理解，为今后同类振动问题的分析和处理提供参考。参考文献：
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4.3小结和评述
增压风机振动的主要原因在于转子上存在不稳定的质量不平衡。伺服控制机构油密封老化、漏油造成转子轮毂腔室内积灰固化结垢是导致转子平衡状况改变的主要原因，部分灰垢处于自由状态引起转子质量分布的随机变化，因而使得多次动平衡都没有效果。更换密封消除漏油、彻底清理轮毂内腔灰垢后，增压风机振动问题得以解决。HEGuoan,ZHANGWeijun,SUNGuiqiu,etal.Transferfunctionsapplicationonprocessingstructureresonancefaultsinboilerfeedwaterpump[J].ElectricPower,2010,43(1):46-50.[6]何国安，王忠全，张卫军，等.1000MW汽轮机低压缸动静碰
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RetrofitforPulverizedCoalBoilers
LUJun,XUDangqi,ZHANGGuangcai,NIEJianping,ZHOUFei,XUENing
（Xi’anThermalPowerResearchInstituteCo.,Ltd.,Xi’an710032,China）
Abstract:Takingacoal-firedpowerplantasanexample,afterlow-NOxcombustionretrofitinBoilers1and2,theproblemofburnerburnoutinthetwoboilersarisesandtheNOxemissionsfromBoiler1areabout100mg/Nm3morethanthosefromBoiler2,whichendangersthesecureoperationoftheboilersandthenormalcommissioningofthedenitrationequipments.Therefore,thecauseanalysisontheseproblemsismadefromtheaspectsofretrofitdesign,equipmentmanufacturingandoperationmodes.Theanalysisfiguresoutthat:(1)inthelow-NOxcombustionretrofitdesignforBoiler2,coaltypechangesarenottakenintoaccount,onlytheroutinemeasuresforcombustionstabilizationaretakenandthesurroundingairdamperopeningdegreeissmall,whichleadstolocalhightemperaturesintheburnerzoneandcoalpowderaccumulationandcombustionintheprimaryairpipescausedbyburneranti-wearceramicshedding.(2)duringtheburnermanufacturingofBoiler1,thesealingplatesbetweentheburnernozzlesarenotweldedfollowingthedesignrequirements.Thecoalpowderisbroughtbacktotheburnerseparatorsbynegativepressurerefluxandburnedontheseparators,whichresultsinburnerburnout.Meanwhile,thegapsbetweentheburnernozzlesarenotsealed,causingseriousauxiliaryairleakageandreducingtheeffectsofairstagedcombustion,whichleadstohighNOxemissions.Basedontheaboveanalysis,theimprovementiscarriedout,thustheproblemsexistinginBoilers1and2aresolvedeffectively.Theimprovementcanprovideguidanceonsolvingsimilarproblemsforotherpowerplants.
Keywords:low-NOxcombustionretrofit;retrofitscheme;equipmentmanufacturing;operationmode;burnerburnout;NOxemission
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（责任编辑李秀平）
CaseStudyonTrouble-ShootingofRotatingMachineryVibrationProblemsinPowerPlants
ZHANGXueyan,ZHANGWeijun,GEXiang,YANGQing
（Xi’anThermalPowerResearchInstituteCo.,Ltd.,Xi’an710032,China）
Abstract:Inthispaper,thecaseanalysisonthevibrationproblemsandtheirtrouble-shootingforsomesteamturbines,generators,thedrivingmotorofcondensatewaterpumpsandrawgasboosterfansconductedinthepastfewyearsarepresented.Theanalysisillustratestheactualapplicationandeffectsofvibrationfaultdiagnosisandcontroltechniques.Thesefaultsinvolvebearingfailure,generatordynamicinter-turnshortcircuit,structureresonanceandunstablemassunbalance.Ineachcase,thecommentsontheconclusionofdiagnosisareputforwardforreference.
Keywords:powerplant;vibration;caseanalysis;faultdiagnosis;vibrationcontrol
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