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某调相机振动异常诊断分析与处理

来源:null  发布日期:2021-01-29     点击数:2

某调相机振动异常诊断分析与处理

李新岩,张权

  上海电气电站设备有限公司发电机厂(200240

The analysis of synchronous condenser’s vibration and resolving

Li XinyanZhang Quan

Shanghai Electric Power Generation Equipment Co., Ltd. Generator Plant200240

 


摘要:近年来,随着特高压柔性输送线路的大力发展,超过100Mvar的大容量调相机应运而生,主要是为电网系统提供无功电压支撑,提升区域电网系统的稳定性。

本文对某换流站发生的一种较为少见的振动形式“油膜涡动”进行分析。通常油膜涡动发生在转子临界转速的一半转速处,表现为存在大量振动谐波,而本例发生于一临界转速处,通过及时采用方法抑制涡动,并寻根溯源发现引起该故障的根本原因,最终解决处理,确保调相机安全稳定运行。

关键词:调相机,油膜涡动,振动,故障分析

Abstract: The large rated load synchronous condenser is an key component in UHV transmission line. To make sure the low vibration level of the unit is very important. This article describe and analyze an rare oil whirl phenomenon,

Key words: condenser, oil whirl, vibration, fault analysis


前言

采用双水内冷技术的TTS300Mvar调相机(如图1所示),主要是为了动态调节电网中的无功,提升区域电网的稳定性,由于其运行时,转子从50r/min迅速上升至3150r/min,在3150-3000r/min范围内惰走并同期涉网,因而对转子系统的稳定性有较为严格的要求,要求其振动幅值控制在80um以内。

1  TTS300Mvar调相机示意图

在某±800kv换流站的300Mvar调相机进行调试期间,转子在低油温情况下启动升速,50-3000r/min期间振动低于60um较为稳定,在3100r/min处,转子轴振瞬间急剧上升,振动幅值高达到165um,且呈现出不稳定的状态。

1        振动原因分析

提取发生振动故障的原始数据,如下表1所示,

1  振动情况

转速(r/min

轴振峰峰值(μm

50

17

600

58

3000

46

3100

165

 

对发生振动故障的3100r/min附近处的频谱进行分析(如图2所示),可发现在该转速下,振动的主要分量为13.8Hz,且伴有较多阶次的该频率谐波。

2  3100r/min频谱图(13.8Hz主要分量)

与其一临界转速范围(730-830r/min)接近,经查阅资料[1]可知:通常的油膜涡动主要发生在柔性轴系的一临界的一半转速处,本例中发生在临界转速处,通过频谱分析发现其振动谐波特征与涡动特征相符,因而初步判断“轴承-转子”系统在3100r/min处发生油膜涡动振动故障。

决定对调相机的“轴承-转子”系统进行稳定性分析。

2        系统稳定性分析

对油膜涡动的产生机理进行分析,并建立调相机“轴承-转子”系统的数学模型,对其稳定性进行分析。

3 调相机轴承模型

由上图可知,该调相机轴承为椭圆瓦轴承,内表面为回转面,当系统运行时油膜内所存在的循环交叉应力强作用于且超过油膜本身的鲁棒性后,油膜压力波的分量会推动转子在自转的同时绕轴颈原有中心涡动从而使得系统发散失去稳定性[2]。理论上失稳与轴承之间的关系可用如下公式进行计算:

          1

               2

m 为轴承所承担的质量大小,在间隙存在偏差的时候,其所承担的质量会发生变化;轴承的标高发生变化时,会影响其承担质量的大小

B 为轴承承压面的宽度,若轴承安装间隙存在偏差,也会导致运行时承压面尺寸发生变化;

 为轴颈与轴承的间隙比;

 为轴承油的粘度,与温度存在密切关联,同时轴承的安装间隙、承载压力,也会导致形成楔形油膜部分的粘度发生变化;

由上式可发现,不管是轴承紧力大小的变化引起的转轴偏心摆动影响油膜形成,还是标高变化影响轴承承载导致失稳,均可认为是存在外界因素影响导致油膜失稳、系统稳定性差。

对进油温度进行分析,发现进油温度为42℃,略低于技术要求的45-50℃,再调整进油温度至48℃后,油膜涡动现象消失。在相同的转速范围内(3000-3150r/min),转子振动幅值均在45um以内且较为稳定,13.8Hz的振动分量及其谐波消失,主要以50Hz的工频振动为主,符合常规旋转机械的振动特征。

对系统的稳定性进行分析。如图4所示,转子两端的轴承支撑,采用弹簧-阻尼模型。

4 调相机“轴承-转子”模型

对轴承本身进行分析,可知其油膜压力分布[3]结果如下图5、图6所示。

5 轴承压力分布示意图

6 轴承压力分布示意图

 

对“轴承-转子”系统进行分析,可得系统的各阶临界转速振型及稳定性图。

2  转子各阶临界转速

阶次

转速(r/min

一临界

738

二临界

2248

三临界

5243

 

7 系统一临界振型示意图

8 系统二临界振型示意图

9 系统三临界振型示意图

10 系统稳定图

从表2可知,正常情况下系统的各临界转速均避开工作转速较大的范围,而图10则表明在运行时不管转子是正进动或者反进动,其“轴承-转子”系统的稳定性均大于0,系统处于稳定状态,可排除由于设计不当导致油膜失稳,那为何本台调相机又会发生油膜涡动?

进一步对其进行分析,由式(1)及式(2)可知:

1.轴承所承担的质量大小会影响轴承的稳定性,由于调相机仅两个轴承支撑,无联轴器连接的上下张口,因而无法通过调整张口来调整轴承承载;

2.油膜的形成需要稳定的输入,影响油膜的支撑刚性包括润滑油的粘度、压力。粘度与温度密切相关,经查进油温度(42℃)相比技术要求(>45℃)稍微偏低,对油膜的形成有一定的影响,但是42℃与45℃偏差在7%左右,工程上一般不至于因此而发生,应该还有其他原因引发油膜涡动。

遂对润滑油管路及轴承进行检查分析。在对高压顶轴油止回阀内进行冲洗时,发现止回阀内有少许金属颗粒物质,导致止回阀无法完全关闭,如图11所示。

异物

异物

11 止回阀内的金属异物

对轴承进行检查时,发现轴承的油囊内有金属异物且划伤了轴承钨金面(图12)。可判断金属异物进入轴承并在运行过程中镶嵌到钨金处,破坏了稳定的油膜。同时有部分金属异物杂质进入止回阀内,导致止回阀不能完全关闭,轴承内的油膜压力处于不稳定、连续波动变化的过程,使得油膜不能正常承载转子,转子发生持续异常涡动,最终诱发了轴系的油膜涡动故障。

油囊处的金属异物及划伤痕迹

12 轴承油囊处的异物及划伤痕迹

3        处理及结果

对轴承、止回阀以及润滑油管路进行检查并处理,确保系统内清洁无异物后再次启动调相机,振动正常,不再发生油膜涡动,如表3所示。

3  处理后振动情况

转速(r/min

轴振峰峰值(μm

50

21

600

56

3000

36

3100

38

 

13 处理后振动情况

4总结与展望

本文通过某TTS300Mvar调相机发生油膜涡动引发振动故障的现象进行分析,并对调相机“轴承-转子”系统的稳定性进行了分析,表明系统设计上不存在失稳,发生振动故障应该是现场的原因,进而通过排查轴承、润滑油管道等措施最终给予解决。既有效的解决了该振动故障,也提醒了现场运行人员在对旋转机械的维护过程中,对润滑油管道等辅助系统也需要引起足够的重视,确保整个机组安全稳定运行

 

参考文献

1.      汪耕,李希明. 大型汽轮发电机设计、制造与运行[M] .上海科学技术出版社, 2012.

2.      戴其兵,某燃气轮机电厂机组异常振动分析诊断与处理. 热力透平, 2016.06.

3.      陈锦辉,汽轮发电机的滑动轴承. 电机技术,2015.01

 


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