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测振支架共振引起的振动数据异常分析及处理

发表时间：2020/11/10 来源：《基层建设》2020年第21期作者：杨祎

[导读] 摘要：本文介绍了汽轮发电机组振动测点安装注意事项，通过建立单自由度数学模型对共振频率问题进行了分析并给出解决办法。

        大唐国际发电股份有限公司陡河发电厂河北唐山 063000
        摘要：本文介绍了汽轮发电机组振动测点安装注意事项，通过建立单自由度数学模型对共振频率问题进行了分析并给出解决办法。对某汽轮发电机组启动过程中发生的振动测量值存在异常峰值问题进行了实例分析，认为测振支架发生共振是导致机组启动过程中振动测量值异常的直接原因。通过规范支架紧固力矩、改变质量分布等措施将支架固有频率提高，从未消除支架共振影响。
        1.引言
        汽轮发电机组是发电厂的核心设备，机组振动水平是衡量机组安全可靠的重压指标。对设备出现的振动异常进行准确评价与分析，并根据分析结果制订合理有效的处理措施，是保障机组长期稳定运行的重要前提。
        2.机组状况
        汽轮机为ARABELLE型单轴、中间再热三缸四排汽、凝气式、1000MW等级的半转速核电汽轮机。额定功率为1089.075MW，配以TA1100-78四级三项同步汽轮发电机，采用静态无刷励磁。机组轴系由一个高中压转子，俩个低压转子，一个发电机转子构成。发电机转子采用双支撑结构，在支撑轴瓦处的水平、垂直方向分别安装相对振动触感器和绝对振动传感器用于监测汽轮发电机轴振动。

                                            图一机组整体纵向外形布置图

        2.1安装方式
        如二所示，振动传感器支架通过紧固螺栓安装在轴承盖上；水平方向和垂直方向的支架与转子中心竖直线、水平线均为5°夹角。绝对振动探头（采用压电式加速度传感器，灵敏度系数100mV/g）直接通过螺纹安装在支架上部，相对振动传感器（采用电涡流位移传感器，灵敏度系数为8mV/μm）通过带螺纹的卡环锁紧固定安装在支架下部。

        图二测量支架安装示意图
        2.2安装要求
        由于安装情况对测量的准确性有非常大的影响、安装时需注意以下事项：
        （1）测量间隙的变化范围应尽量处在传感器的线性工作范围内；
        （2）安装支架要有足够的结构刚度和安装刚度，保证支架在运行时不会发生明显状态变化。
        （3）测量表面应保持洁净、光滑，不能有明显缺陷、油污或轴肩，不能存在剩磁局部应力集中、热处理不均或镀层厚度不均等情况；
        （4）安装环境和现场条件要符合传感器本身的技术条件，避免2个传感器交叉感应，传感器头部侧隙和外漏长度都要满足要求。
        3.案例分析
        某核电机组换料大修结束后首次冲转，达到1500r/min随后运行人员按计划执行发电机空载试验。投入励磁电流后，7瓦在线振动传感器测量数据异常上涨，轴振和瓦振分别达到81.49μm和18.5mm/s，使用离线测振仪器现场测量临近点瓦振为0.75mm/s，由此确定在线传感器测量的数据非现场真实情况，同时观察其它瓦测点数据无异常。
        退出励磁电流后，振动数值恢复正常。后续运行人员多次投、退励磁电流，7瓦处的异常振动规律性复现。

图三汽轮发电机瓦振振幅值与励磁电流趋势图

图四汽轮发电机轴振振幅与励磁电流趋势图

        图五汽轮发电机7瓦轴振幅值及主要分量趋势图
        在汽轮发电机空载励磁期间，汽轮发电机的工作频率、油膜刚度、轴承座刚度及轴承座本身的固有频率基本不变。
        综上所述，励磁后的振动异常应是支架发生共振导致。随后，汽轮机打闸，经技术人员敲击法测量7瓦支架固有频率为100Hz。由于汽轮发电机转子加载励磁电流后，转子旋转带动磁极中心磁拉力旋转，四极发电机转子每旋转360°，定子铁心受转子磁通拉力的作用将产生四倍转子频率（100Hz）的振动。发电机定子线棒与发电机端盖、发电机轴承座均为刚性连接。因此与发电机端盖通过螺栓连接的振动支架也受100Hz谐和激振作用，与自身固有频率重合后发生共振。
        4.共振处理
        对于单自由度线性阻尼系统，当其受到简谐力PsinΩt作用时，强迫振动方程：

其固有频率的表达式为：

        m为系统质量，
        k为刚度系数。
        可见如果系统存在结构共振问题，可以从以下俩个方面来消除共振现象：
        （1）改变系统刚度k；
        （2）改变系统质量m。
        经技术人员复核7瓦连接螺栓力矩约85N ▪m，重新紧固力矩至110N▪m后，重新测量支架固有频率为114Hz，已足够避开100Hz频率及整数倍转动频率。同时，对其余测振支架紧固，重新测量固有频率。再次冲转至1500r/min，并投入励磁电流，7瓦轴振和瓦振分别为25μm和1.3mm/s，显示正常。

        图六紧固后测振支架固有频率
        从实际情况来看，6Hz左右的差距就能避免共振影响。
        5.结论
        汽轮发电机组振动的测量值实际上反映的是振动传感器相对于轴的振动状态，某些情况下并不是轴的真实振动值，轴振的测量值会受到测量系统自身问题的影响，因此在处理振动故障时也应将测量系统的问题考虑在内。由于核能汽轮发电机组体积大，转速低，测振支架固有频率偏低，通过规范支架螺栓力矩、改变支架质量分布或更换支架材料等措施，有效缓解共振影响。总之，汽轮发电机组在异常振动问题的避免，细节很重要，只有将各个环节问题考虑周全，才能保证机组安全可靠的运行。
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