（中国能源建设集团浙江火电建设有限公司 杭州市 310016）
摘要：电站汽轮发电机组运行振动与汽轮发电机组基础不均匀沉降、动刚度的技术关联分析
关键词：汽轮发电机组；运行振动；汽轮发电机组基础；不均匀沉降；动刚度；技术关联分析
引言
振动是衡量电站三大主机之一汽轮发电机组设计、制造、施工、运行质量的主要指标。理论上旋转式机器或往复式机器的振动理论上可以为零，但实际上由于设计、制造、施工、运行等原因这些机器的振动是存在的，因此检测、控制机器振动是保护机器安全、经济运行的手段。汽轮发电机组基础的设计、施工而加剧机器的振动也是存在的。本文仅对陆地电站汽轮发电机组运行振动与动力机器基础两者的技术关联进行分析，同样也适用于陆地磨煤机、给水泵或小汽机、燃机、锻锤机与基础的关系，但不适合于船舶上的机器。
1 汽轮发电机组的振动分类和监控
汽轮发电机组的振动分为电站运行振动和制造厂动平衡检测及试车振动，两者的振动标准不一样，前者评价运行机组健康状况，后者判定产品质量状况。电站机组整条轴系运行状况比制造厂单轴动平衡及试车情况复杂，电站汽轮发电机组基础荷载比制造厂复杂，更容易受到其余机器、管道膨胀及振动的扰动，振动情况有上升趋势。
汽轮发电机组的振动值在不同转速、空负荷、带负荷、满负荷而不同，因不同状态下蒸汽流量、真空度、转子在轴瓦位置、油膜厚度、其余机器及管道膨胀振动扰动值不同。额定3000r/min的机组，1500~2000r/min时轴颈偏心与上浮趋于稳定，轴颈偏心方向与机组旋转方向有关。
振动标准国际上有国际电工委员会IEC标准、美国石油协会API标准、德国工程师协会VDI标准、国际标准化组织ISO标准、国外汽轮机厂标准如如GE和美国西屋公司。我国电力行业标准《DL 5190.3-2012 电力建设施工及验收技术规范-汽轮机机组篇》、国家标准《GB/T 6075.2-2012机械振动 在非旋转部件上测量评价机器的振动 第2部分：50MW以上，额定转速1500 r/min、1800 r/min、3000 r/min、3600 r/min陆地安装的汽轮机和发电机》、《汽轮发电机组三大主机厂标准》与国际同步，符合我国汽轮发电机组设计、制造、安装、运行能力。
机器的振动检测位置的不同分转轴振动、轴承振动，参照物的不同分相对振动、绝对振动，检测物理量分振动位移或振幅、振动速度、振动加速度。因汽轮机的通流间隙较小，用振动位移或幅度（单位um）能直观的表现，因此大多数电站都采用。振动速度（单位mm/s）也是一个判定机组振动的重要指标。振动位移或振幅指物体偏离平衡点的正负距离是一条正弦曲线称为双振幅，是单振幅数值的2倍。
汽轮发电机组的振动分相对振动和绝对振动，相对振动指一个物体相对于另一个物体的振动，绝对振动是指一个物体相对于大地的振动，相对振动数据可以转换为绝对振动。地震仪测定的振动是绝对振动，是以大地为参照物。
一般测量振动有电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器、电涡流和速度复合传感器，加速度传感器在现场较少。电涡流传感器固定于轴承座或轴瓦而测定转轴振动幅度是转轴相对于轴承的相对振动。电涡流传感器和相对式速度传感器测量的是相对振动，速度传感器测量的是绝对振动。正规文献和资料中凡不注明轴振的均指相对轴振，在汽轮发电机组、航空发动机上轴振的相对振动较绝对振动更能反映机组运行安危。轴承振动均指绝对振动，采用速度传感器测量。
电涡流传感器是非接触式传感器，与转轴不直接接触，与被测物体的间隙变化转换成电流的不同而显示振幅。速度传感器和加速度传感器直接镶嵌于轴承盖，轴承盖的振动通过传感器的的簧片而输出电流显示振动速度和加速度。电涡流传感器测量转轴相对振动，速度传感器测量轴承绝对振动，两者叠加后可获得转轴绝对振动。
汽轮发电机组振动数据采集和故障诊断系统是在线连续监视并自动保存，与机组真空、蒸汽流量、负荷、汽机胀差、转轴位移、转速等参数同时记录，具有报警、强制停机的功能。
汽轮发电机组的振动如引言所述实际上不能为零，而微小的振动需要很大的投入用于设计、制造、安装和严谨的运行操作，因此机组的振动允许与否只能以标准评定，而振动标准也反应某个国家的制造、安装、运行水平。我国国家标准、行业标准及制造厂标准与国际同步，也反映了我国工业设计、制造、安装、运行能力。
该标准适用于陆地电站转速1500、3000r/min的汽轮发电机组，以轴振的相对振动或绝对振动的双振幅为标准。列出A、B、C区分别代表A区新装机组良好、B区合格但超出B值报警、C区报警运行但需减小振动超出C值停机。
该标准对瞬态振动增大或较少25%不作要求，本文认为此时振动应报警查明原因并采取措施，观察振动能否在新状态稳定是重要的。
陆地电站汽轮发电机组坐落于钢筋混凝土浇筑的汽机大岛，是一座由顶层梁板、框架柱和底板连接而成的一体式框架基础。基础的设计需考虑沉降均匀、机器振动对基础的扰动限值（动刚度）、动力荷载的抗疲劳性能、局部承压、抗震等要素满足汽轮发电机组正常运行、超限试验、允许地震烈度状态长期运行。为隔绝汽轮发电机组振动不干扰其余设备，基础独立于主厂房、小机、电泵、高低加基础。
2 汽轮发电机组基础设计考虑和计算
动力机器基础与建筑物基础有所不同，主要表现在机器基础比建筑基础承受基础本身荷载外还要承受来自上部机器的稳态或暂态作用力（扰力），因此在电站结构设计中最复杂。汽轮发电机组基础需根据不同的地质条件及汽轮发电机组的厂家要求，合理的确定混凝土框架的型式和尺寸。
汽轮发电机组基础设计外部扰力需考虑凝汽器与汽轮机偏心荷载、凝汽器热态荷载、凝汽器真空、循环水、凝结水及再循环投用及水击荷载、主再热及抽汽管道热态膨胀荷载、蒸汽诱发的管道振动荷载、地震荷载、超速荷载、甩负荷或机组跳闸汽门关闭瞬间撞击力的增加及低旁蒸汽荷载、临界转速荷载。外部主再热及抽汽、高低旁等管道尽可能柔性且需进行正常运行及甩负荷状态下的应力分析，与汽轮发电机组连接位置设计阻尼器及限位支架，对汽轮发电机组的扰力（推力、力矩）小于汽轮发电机组制造厂的允许范围。
汽轮发电机组的基础宜采用钢筋混凝土框架结构或预应力混凝土结构。混凝土基础认为是有质量的刚体，地基认为是无质量的弹簧且有阻尼作用，建立质-弹-阻模型并动力计算汽轮发电机组基础在上部机器工作过程中所发生的最大振动线位移、速度和加速度及扰力作为基本的控制指标。计算对小于75%工作转速范围内的振动线位移,应小于1.5倍的允许振动线位移，在工作转速±25%范围内的最大振动线位移作为工作转速时振动线位移。
地基处理是保证沉降均匀的关键要素，先期勘测获取地质勘察资料及地基动力试验资料设计不同桩基及土壤处理措施而保证地基刚度、承载力，对高压缩性土及湿陷性黄土应特别注意。在运转层和零米层柱上设置永久沉降观测点，在基础施工、机器安装及运行过程中应定期观测并作好记录，湿陷性黄土地区应适当增加测量次数，发生不均匀沉降时应采取措施。
底板的刚度对调整不均匀沉降有一定作用，底板不宜过厚，1000＜n≤3000r/min的汽轮发电机组底板厚度是底板长度的1/15~1/20，底部厚度不应小于柱截面的边长但不应小于800mm。底板的埋深对基础刚度和阻尼有影响。底板的形心和基础的总重心宜在同一竖线上，最大偏差不得大于3%。底板可采用井式、梁板式或平板式形状。
框架柱一般采用矩形截面，在满足强度和稳定性的前提下减少框架柱的刚度可降低基础的基本频率改善基础的动力特性，但长细比不得大于14。
汽轮发电机组直接坐落于顶层梁板，因此顶层梁板应有足够的质量和刚度，加大扰力作用点下构件的质量以减少基础的振动。顶层梁板横梁静扰度宜接近，以保持轴系的平直改善基础的动力性能。顶板的外形应简单，尽量采用外形规则的矩形或T形截面，避免偏心荷载。励磁机处宜增大顶板构件的断面，控制局部振动过大。顶板标高应考虑二次灌浆的高度，20mm＜二次灌浆高度＜80mm。
汽轮发电机组轴承座及轴系动静荷载、高中压缸动静荷载由顶板横梁承担、发电机荷载由顶板竖梁承担，低压缸荷载由横梁、竖梁共同承担，这些荷载均通过台板、二次灌浆层传递至顶板并至整个基础。因此控制顶板的最大线位移、振动速度是重要的
3 汽轮发电机组运行振动和基础的技术关联
汽轮发电机组的运行振动和基础之间的技术关联表现为不均匀沉降、动刚度不足。
不均匀沉降造成机组轴承座、轴颈标高与设计不符，转轴与轴封、汽封径向间隙超标，轴系与设计要求不符，汽机接口荷载及力矩超标的现象及动静碰磨、大轴弯曲、振动超标、烧瓦甚至机组报废的恶性后果。
基础动刚度不足，机组运行振动引起基础的振动而加剧汽轮发电机组的振动加剧，基础振动线位移超标的长期后果是基础及汽轮发电机组寿命降低。
以轴承座、台板、二次灌浆的动刚度举例说明振动与激振力、动刚度的关系。机组的振幅和激振力成正比，与动刚度成反比，用公式表示为：
A=P/Kd Kd=Kc/u A；振幅 P：激振力 Kd：动刚度 Kc：静刚度 u:动态放大系数
本文不考虑减小激振力的情况下说明振幅和动刚度的关系。转轴支撑系统由轴承座、轴瓦、台板、二次灌浆、垫铁、基础顶板等部件组成，这些部件的紧密程度和动刚度相关，一般用螺栓力矩、接触面积、接触间隙数据来控制。
轴瓦、瓦枕及轴承座螺栓松动、台板接触面超标、垫片数量超过3张、垫铁未电焊、二次灌浆前基础未保湿24h、二次灌浆不密实都是转轴支撑系统动刚度不足引起汽轮发电机组振动的原因。基础动刚度不足振动线位移超标而加大汽轮发电机组振动，此时的振动往往是超过报警或停机处理值。
5 结语
我国的电站设计、制造、安装、运行水平较高，较少发生动力机器基础设计、施工不良而导致汽轮发电机组振动超标的现象。但随着我国能源电力行业进入国外市场逐步增多，土建单位的属地化施工管理是一种趋势，不发达国家的土家施工单位质量控制落后且对我国的标准不熟悉因此国外工程动力机器基础的施工质量需严格控制。
参考文献
1）书籍
[1]苏云堤.汽轮机本体安装.北京：中国电力出版社，2008年．
[1]施维新.汽轮发电机组振动及事故.北京：中国电力出版社，1991．
2）规范标准
[1] DL 5190.3-2012 电力建设施工及验收技术规范第3部分：汽轮发电机组 北京：国家能源局，2012．
[2] GB50040－96 动力机器基础设计规范 北京：国家技术监督局、中华人民共和国建设部，1996．
作者简介
单宏威（1975），男，工程师，大学本科，主要从事火力发电厂建设工程汽机安装技术工作，
论文作者:单宏威
论文发表刊物:《电力设备》2015年第11期供稿
论文发表时间:2016/4/28
标签：汽轮论文; 机组论文; 基础论文; 荷载论文; 刚度论文; 机器论文; 传感器论文; 《电力设备》2015年第11期供稿论文;