25 MW汽轮发电机组振动跳变原因分析及处理措施.pdf

2023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER25 MW汽轮发电机组振动跳变原因分析及处理措施郭永鹏，樊博，赵会君（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北唐山 063200）【摘要】针对某钢铁厂25 MW发电机组后轴发生振动超标联锁跳闸的故障，对TSI（汽轮机监视系统）电涡流传感器、前置器、模块、信号电缆等可能引起振动大的原因逐一进行分析，确认故障发生的原因为发电机轴瓦底座绝缘不良导致轴电压异常放电，提出相应解决方案和整改措施。【关键词】发电机；轴瓦；振动；绝缘【中图分类号】TM311【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2023）04-0053-04 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Cause Analysis and Countermeasures of 25 MW Turbine Generator Set Trip GUO Yongpeng,FAN Bo,ZHAO Huijun(Shougang Jingtang United Iron and Steel Co.,Ltd.,Tangshan,Hebei 063200,China)【Abstract】In response to the trip fault interlocked by excessive vibration of the rear shaft of a 25 MW generator set in a steel plant,the possible causes such as the TSI(turbine supervisory instruments)eddy current sensors,preamplifier,modules,signal cables,etc.were analyzed one by one to determine the real cause of the failure,which is abnormaal shaft voltage discharge caused by poor insulation of the generator bearing base.The corrective measures were proposed as well.【Keywords】generator;shaft tile;vibration;insulation引言某钢铁厂25 MW抽汽凝汽中温中压汽轮发电机组为水电联产项目配套的机组，该机组发电机后轴发生数次振动异常升高情况，最严重的一次超过保护联锁设定值，造成跳机。1 故障概述2021年1月31日某钢铁厂25 MW发电机组发生跳机，汽轮机跳闸保护系统（ETS）首出故障信号为“发电机后轴振动大”。停机前机组负荷14.26 MW，主蒸汽流量75.72 t/h，主蒸汽温度430.72，主蒸汽压力2.95 MPa，抽汽流量0 t/h。检查历史记录，跳机时机组振动参数为：汽轮机前轴振动X方向52.99 m、Y方向71.43 m；汽轮机后轴振动X方向13.71 m、Y方向12.65 m；发电机后轴振动X方向127.52 m、Y方向102.41 m。发电机后轴振动值超过保护触发条件，保护逻辑正确，动作正常。跳机后迅速组织专业和维检人员对机组进行检查，确认机组本体无异常，测量振动探头、延长线、前置器均正常，怀疑汽轮机安全监控系统（TSI）后轴振动模块工作异常，组织更换发电机后轴振动模块，2月1日01：50机组开始冲转，02：02机组冲转至转速3 000 r/min，02：06机组并网发电。2 故障原因分析发电机后轴振动检测值超过机组保护联锁（X120 m与Y91 m）触发条件，是本次故障跳机的直接原因。发电机后轴振动检测值升高的原因可能为振动检测信号失真或机组实际振动高2。2.1 检测信号失真的可能原因2.1.1 存在设备故障TSI系统振动测量原理如图1所示传感器，对可能发生故障的设备逐一进行分析和排查。故障排查分析情况：（1）因为X和Y两个方向振动测量值同时波动，532023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER而传感器到TSI系统的测振模块之前，两组测量回路相互独立，同时发生故障概率较小，且机组恢复后振动检测参数正常，事故后检查确认接线牢固无松动，线路绝缘良好，无其他异常现象，故排除传感器、前置器及线路故障。（2）测振模块故障会导致两路信号同时出现异常，仅就本次跳机时发电机后轴检测值升高的现象来说，发电机后轴测振模块存在故障是可能原因。2.1.2 测量回路受到干扰3根据TSI系统结构和工作原理，对相关设备设施可能受到干扰的部位进行逐一进行分析。（1）传感器a）励磁碳刷异常放电会产生干扰两支传感器安装在发电机后轴4瓦处，距离励磁碳刷位置较近。励磁碳刷接触异常，产生火花或异常放电会对传感器产生短时电磁干扰，导致传感器测量阻抗波动。电气专业检查确认励磁碳刷无问题，故初步排除励磁碳刷异常放电原因。b）发电机轴电压异常升高会产生干扰产生漏磁的主要原因通常是发电机的不当检修，发电机温度过高、线圈管电流过大、轴承间隙调整不当、发电机转子间断性接地等，都可能导致漏磁发生，漏磁在干扰周边传感器的同时还可能导致转子磁化。被磁化的大轴会干扰轴瓦的运行性能。定子铁芯磁路不对称或汽轮机蒸汽摩擦产生静电等原因会在发电机的两端产生轴电压，当轴电压达到一定值时，会通过轴承及其底座形成回路产生轴电流，过高的轴电压击穿轴与轴承间的油膜时，发生放电，其放电回路为发电机大轴轴颈轴瓦轴承支架机组底座。虽然电压值不高，通常为4 V6 V，但回路电阻很小，产生的轴电流可能很大，有时达数百安。瞬时大电流会对安装于轴瓦外侧电涡流传感器形成强烈的干扰，影响检测值。结合 1月 29日汽轮机前轴振动检测值也出现异常波动的情况（X方向检测值超过报警值），前轴传感器安装在机头1瓦处，如果轴电压异常升高，也可能会与机尾的4瓦轴承形成放电回路，影响传感器对应大轴位置的电涡流场分布，从而直接影响检测值。c）大轴接地不良会产生干扰接地碳刷或大轴接地回路异常，会导致发电机大轴静电荷累积和轴电压叠加，造成大轴对地电压升高，也会导致油膜击穿产生放电现象，同时静电累积过多也会影响测点的电涡流场分布，干扰电涡流传感器正常检测。故发电机大轴接地不良、轴电压异常、发电机漏磁是传感器受到干扰的可能原因。（2）前置器前置器防干扰措施：安装于现场仪表箱内，与箱体之间有绝缘板隔离，箱体外壳接地，平时箱门关闭。两台前置器安装在同一个现场仪表箱内，前置器与仪表箱之间有绝缘板，检查时发现绝缘板有松动现象，为判断绝缘板松动对检测值的影响，利用2月3日4#机停机机会，对3#机的仪表箱内绝缘板松动情况进行模拟实验，晃动或敲击绝缘板及前置器对测量结果无明显影响，故排除前置器受到干扰的因素。（3）信号电缆信号电缆采用阻燃屏蔽电缆，型号为 ZR-图1 振动测量原理图RVVP，其剖面结构如图2所示。采用退火裸铜、两芯以上芯线绞合成缆、镀锡铜线编织屏蔽网，最后采用聚氯乙烯绝缘和聚氯乙烯护套制作而成。电缆长期允许工作温度不超过70，具有防干扰、信号传输高效、安全等特点。线路防干扰措施为屏蔽层在控制室单点接地，接地电阻小于1。检查信号电缆绝缘正常（相间及对地绝缘电阻大于20 M），屏蔽接线牢固无松动（控制室侧单点接地），对地电阻小于1。电缆沟内无大功率电力电缆或变频设备专用电缆，信号跳变时间段内也没有大型用电设备的启动操作。排除传输线路受到干扰的因素。（4）TSI模块TSI机柜安装在控制室的电子间内，控制柜柜门关闭，接地和屏蔽线连接良好，跳机前后无外来干扰源，排除TSI模块受到干扰的因素。2.2 机组实际振动高的可能原因4#机组近期出现3次振动检测值异常：1 月 24 日 09：14，发电机后轴（X 方向：119.53，Y方向：66.97）m。1 月 29 日 23：51，汽轮机前轴（X 方向：103.29，Y方向：62.59）m。1 月 31 日 23：02，发电机后轴（X 方向：127.52、Y方向：102.41）m，触发跳机。三次异常共同特征是X方向振动较大。日常运行时，汽轮机前轴和发电机后轴的X方向振动值也明显偏高（80 m左右）。怀疑机组动平衡异常，在油系统波动或轴瓦异常磨损时，也可能会产生振动短时升高情况，故机组本身存在异常是可能原因之一。结论：根据上述分析，目前判断传感器受到干扰的可能性较大，同时也不排除测振模块故障及机组本身问题。3 利用发电机组大修机会彻底排查故障利用发电机组大修机会检查发电机后轴轴瓦及轴瓦底座绝缘垫，发现轴瓦存在电灼伤痕迹（见图3），且后轴轴瓦底座定位螺栓因绝缘垫片缺失存在绝缘不良情况。后轴绝缘不良的情况下，发电机产生的轴电压会通过后轴轴瓦底座形成电流回路，产生轴电流，轴电流在轴径和轴瓦之间产生小电弧腐蚀，击穿油膜，造成轴瓦电灼伤，油膜击穿产生放电现象的同时静电累积过多也会影响测点的电涡流场分布，干扰电涡流传感器正常检测，造成轴瓦振动异常增大。至此，确认发电机后轴振动跳变原因为后轴绝缘不良造成3。4 处理措施（1）更换TSI系统发电机后轴振动模块，对近期同样发生过振动值波动现象的汽轮机前轴振动模块进行了预防性更换，消除潜在隐患。（2）由于传感器被干扰的可能性较大，为保障机组稳定运行，临时延长发电机后轴振动高保护连锁延时时间，修改TSI模块的组态，保护触发延时时间由1 s修改为3 s，防止振动信号再次跳变，引发停机故障。（3）增加发电机后轴轴瓦底座定位螺栓绝缘垫片，利用停机检修机会对轴瓦底座绝缘进行测量，确保发电机后轴轴承座绝缘情况良好。5 结语本次发电机振动跳变的主要原因是发电机轴瓦底座绝缘不良造成的，故发电机轴瓦底座绝缘是否良好直接影响轴瓦的运行情况和轴系检测仪表图2 信号电缆剖面图542023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWERRVVP，其剖面结构如图2所示。采用退火裸铜、两芯以上芯线绞合成缆、镀锡铜线编织屏蔽网，最后采用聚氯乙烯绝缘和聚氯乙烯护套制作而成。电缆长期允许工作温度不超过70，具有防干扰、信号传输高效、安全等特点。线路防干扰措施为屏蔽层在控制室单点接地，接地电阻小于1。检查信号电缆绝缘正常（相间及对地绝缘电阻大于20 M），屏蔽接线牢固无松动（控制室侧单点接地），对地电阻小于1。电缆沟内无大功率电力电缆或变频设备专用电缆，信号跳变时间段内也没有大型用电设备的启动操作。排除传输线路受到干扰的因素。（4）TSI模块TSI机柜安装在控制室的电子间内，控制柜柜门关闭，接地和屏蔽线连接良好，跳机前后无外来干扰源，排除TSI模块受到干扰的因素。2.2 机组实际振动高的可能原因4#机组近期出现3次振动检测值异常：1 月 24 日 09：14，发电机后轴（X 方向：119.53，Y方向：66.97）m。1 月 29 日 23：51，汽轮机前轴（X 方向：103.29，Y方向：62.59）m。1 月 31 日 23：02，发电机后轴（X 方向：127.52、Y方向：102.41）m，触发跳机。三次异常共同特征是X方向振动较大。日常运行时，汽轮机前轴和发电机后轴的X方向振动值也明显偏高（80 m左右）。怀疑机组动平衡异常，在油系统波动或轴瓦异常磨损时，也可能会产生振动短时升高情况，故机组本身存在异常是可能原因之一。结论：根据上述分析，目前判断传感器受到干扰的可能性较大，同时也不排除测振模块故障及机组本身问题。3 利用发电机组大修机会彻底排查故障利用发电机组大修机会检查发电机后轴轴瓦及轴瓦底座绝缘垫，发现轴瓦存在电灼伤痕迹（见图3），且后轴轴瓦底座定位螺栓因绝缘垫片缺失存在绝缘不良情况。后轴绝缘不良的情况下，发电机产生的轴电压会通过后轴轴瓦底座形成电流回路，产生轴电流，轴电流在轴径和轴瓦之间产生小电弧腐蚀，击穿油膜，造成轴瓦电灼伤，油膜击穿产生放电现象的同时静电累积过多也会影响测点的电涡流场分布，干扰电涡流传感器正常检测，造成轴瓦振动异常增大。至此，确认发电机后轴振动跳变原因为后轴绝缘不良造成3。4 处理措施（1）更换TSI系统发电机后轴振动模块，对近期同样发生过振动值波动现象的汽轮机前轴振动模块进行了预防性更换，消除潜在隐患。（2）由于传感器被干扰的可能性较大，为保障机组稳定运行，临时延长发电机后轴振动高保护连锁延时时间，修改TSI模块的组态，保护触发延时时间由1 s修改为3 s，防止振动信号再次跳变，引发停机故障。（3）增加发电机后轴轴瓦底座定位螺栓绝缘垫片，利用停机检修机会对轴瓦底座绝缘进行测量，确保发电机后轴轴承座绝缘情况良好。5 结语本次发电机振动跳变的主要原因是发电机轴瓦底座绝缘不良造成的，故发电机轴瓦底座绝缘是否良好直接影响轴瓦的运行情况和轴系检测仪表图2 信号电缆剖面图552023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER的检测结果，在日常维护中有效避免此类故障的措施是定期检查轴瓦底座绝缘情况，保证绝缘良好。参 考 文 献 1 郗常骥.汽轮发电机故障实例与分析 M.北京：中国电力出版社，2022.2 王凤良，府冬明，崔英龙，等.300MW汽轮发电机组轴振跳变分析及处理 J.汽轮机技术，2013，55（4）：279-281+284.3 涂光瑜.汽轮发电机及电气设备（第三分册）M.北京：中国电力出版社，2007.收稿日期：2023-01-18作者简介：郭永鹏（1986-），男，大学本科，工程师，现从事电气自动化专业工作。图3 轴瓦电灼伤情况（上第44页）3.3 气体压缩能耗效益纯化系统切换期间有升压、泄压2个阶段，少运行1个周期，可节约2个纯化器容积的空气，工况运行也更加稳定，经济效益计算如下：根据理想气体状态方程pV/T=C（常数），可知用15、0.98 MPa的空气充满67 m3的纯化器，需充入标准空气体积为V2=P1V1T2/P2T1=622.4 m3式中：V2需充入标准空气体积，m；P1气体压力，0.98 MPa；V1纯化器罐体容积，67 m；T1气体温度，288.15 K（15）；P2标准大气压强，0.1 MPa；T2标准大气温度，273.15 K（0）。由表4可知，纯化系统更换后每年可减少切换381 次，1 次切换需要升压、泄压 2 个阶段，根据经验，系统空气压缩单耗为0.15 kWh/m3，一年可节约气体压缩成本 622.420.150.6381=42 684 元。3.4 其他效益（1）由于纯化器再生次数的减少，切换蝶阀、仪表阀门和电加热器等设备的使用频次也相应减少，其使用寿命相应延长3。（2）空分装置纯化系统安全运行操作弹性增强，如遇其他异常因素干扰，可适当调整运行时间，维持短时间内正常生产。4 结语在日常生产中，纯化系统运行要重点关注温度、出口CO2含量等参数变化趋势，及时分析原因，严防分子筛带水或失效4。通过更换三代高效分子筛和活性氧化铝，不仅消除了原分子筛长时间运行带来的安全隐患，且通过延长周期运行时间，减少了切换次数及再生加热时间，有利于企业降本增效。参 考 文 献 1 王菲.空分单元纯化系统空气中CO2超标问题浅析 J.化工管理，2020（4）：71-72.2 高波.浅谈分子筛纯化系统常出现的问题和解决办法 J.当代化工研究，2022（9）：96-98.3 杨彦珺，黄朋飞，方传锁.设备检修对空分装置节能降耗的影响J.氮肥技术，2021，42（6）：20-21.4 张永俊.影响空分装置安全稳定运行的因素及应对措施 J.大氮肥，2022，45（5）：322-324.收稿日期：2023-04-20作者简介：赵毅（1986-），男，本科，工程师，现从事深冷气体分离生产管理工作。56