CN108180981A - 一种大型发电机壳体共振频率测试方法及装置 - Google Patents

一种大型发电机壳体共振频率测试方法及装置 Download PDF

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李卫军
吴文健
应光耀
张宝
马思聪
蔡文方
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YINENG ELECTRIC TECHNOLOGY Co Ltd HANGZHOU
State Grid Corp of China SGCC
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Abstract

本发明公开了一种大型发电机壳体共振频率测试方法及装置。目前，发电机壳体共振频率测试方法主要为模态法，但因发电机体积较大、结构复杂等，测试成本较高，客观上需要一种更准确、更简便的测试方法。本发明采用的技术方案为：测试机组变转速下的发电机壳体振动，并绘制相应的波特图，可得到发电机壳体的共振转速，计算共振频率、共振避开系数、共振品质因子；在此基础上，再结合现场发电机两侧端盖和发电机两侧机座等的振动情况，对发电机承载不均匀或脱空等故障进行进一步的辨识，为发电机壳体振动大的故障诊断提供参考。本发明的测试方法简单实用，具有较好的经济效益。

Description

一种大型发电机壳体共振频率测试方法及装置
技术领域
本发明涉及大型发电机振动异常的故障诊断领域，具体地说是一种基于发电机壳体振动随转速变化特性来测试其共振频率方法及装置。
背景技术
随着发电机往高参数、大容量方向的发展，安装时对发电机定子地脚下的垫片铺设提出了更严格的要求。但由于发电机组基础沉降、安装质量等因素，发电机定子壳体的机械共振，尤其是在共振频率接近50Hz，对安全稳定运行造成严重影响。在大型发电机定子壳体振动大故障中，发电机壳体共振的概率较大。因此，测定发电机定子壳体的共振频率，是对这一故障进行诊断的关键一环。
目前，发电机壳体共振频率测试方法主要为模态法，但因发电机体积较大、结构复杂等，测试成本较高，客观上需要一种更准确、更简便的测试方法。
发明内容
为了判断现有大型发电机壳体是否存在着50Hz左右的共振现象，本发明提供一种更准确、更简便的发电机壳体共振频率测试方法，其通过在变转速实验(包括超速试验)过程中对发电机壳体振动进行测量，根据发电机壳体振动随转速的变化，得出发电机壳体共振频率，以判断出发电机壳体是否存在机械共振。
本发明采用的技术方案如下：一种大型发电机壳体共振测试方法，其包括：
将汽轮发电机组配套的振动监测保护系统(TSI)中的键相信号和在发电机壳体不同部位安装的振动传感器接入振动信号采集仪，测试机组变转速过程中的振动数据，绘制发电机壳体振动的波特图，确定发电机定子壳体共振转速ni，并计算发电机定子壳体共振频率fc、共振避开系数Ωi、共振品质因子Q和阻尼系数ζ；
当共振避开系数Ωi<10％且阻尼系数ζ<2％，则判断发电机壳体存在45-55Hz处的机械共振现象。
本发明测试机组变转速下的发电机壳体振动，并绘制相应的波特图，可得到发电机壳体的共振转速，计算共振频率、共振避开系数、共振品质因子和阻尼系数；在此基础上，再结合现场发电机两侧端盖和发电机两侧机座等的振动情况，对发电机承载不均匀或脱空等故障进行进一步的辨识，为发电机壳体振动大的故障诊断提供参考。
作为上述技术方案的补充，对机组进行变无功试验，如机组两端轴振、瓦振和机组无功或励磁电流无正相关，则判断发电机壳体振动的故障属于机械故障，排除其属于电气故障。
作为上述技术方案的补充，所述机组变转速的测试包括机组的超速试验。
作为上述技术方案的补充，在发电机壳体集控室侧、变压器侧和发电机两侧轴瓦处安装振动传感器。
作为上述技术方案的补充，发电机定子壳体共振频率fc的计算公式为：fc＝ni/60，其中，ni的单位为r/min；fc的单位为Hz。
作为上述技术方案的补充，共振避开系数的计算公式为：Ωi＝|fc﹣50|/50，其中，fc的单位为Hz；Ωi的单位为％。
作为上述技术方案的补充，共振的品质因子Q的计算公式为：Q＝ni/(n2-n1)，其中，Q为共振的品质因子；n1、n2分别为共振幅值的0.707倍(即倍)的低、高转速，单位为r/min。
作为上述技术方案的补充，发电机壳体的阻尼系数ζ计算公式如下：ζ＝1/(2*Q)，ζ的单位为％。
本发明还提供一种大型发电机壳体共振测试装置，其包括：
振动数据测试单元：将汽轮发电机组配套的振动监测系统中的键相信号和在发电机壳体不同部位安装的振动传感器接入振动信号采集仪，测试机组变转速过程中的振动数据；
波特图绘制单元：根据振动数据绘制发电机壳体振动的波特图；
参数计算单元：根据波特图确定发电机定子壳体共振转速ni，并计算发电机定子壳体共振频率fc、共振避开系数Ωi、共振品质因子Q和阻尼系数ζ；
共振现象判断单元：当共振避开系数Ωi<10％且阻尼系数ζ<2％，则判断发电机壳体存在45-55Hz处的机械共振现象。
本发明具有的有益效果如下：本发明通过在变转速实验过程中对发电机壳体振动进行测量，根据发电机壳体振动随转速的变化，得出发电机壳体共振频率，从而判断出发电机壳体是否存在机械共振。本发明的测试方法简单实用，具有较好的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例1中发电机壳体振动传感器测点布置图；
图2为本发明实施例1发电机机座、台板、基础振动测点测试图；
图3为本发明实施例1发电机机座、台板、基础示意图(图中的A表示机座，B表示台板，C表示基础)；
图4为本发明实施例1中发电机壳体集控室侧振动波特图(高点转速为3090r/min)；
图5为本发明实施例1中共振品质因子Q计算示意图。
具体实施方式
下面结合说明附图和具体实施方式对本发明的实质性特点作进一步说明。
实施例1
本实施例为一种大型发电机壳体共振测试方法，具体测试步骤详细描述如下：
(1)发电机壳体的变转速振动测试
根据现场发电机壳体结构，对发电机壳体安装振动传感器的布置，其发电机壳体振动布置见图1-3。在机组变转速试验及超速试验过程中的发电机壳体振动进行测试。
(2)发电机壳体共振频率及其它参数的计算
根据机组变转速及超速试验时发电机壳体振动波特图(见图4)的变化，得出发电机壳体共振转速ni，共振频率fc、共振避开系数Ωi利用计算公式：
fc＝ni/60 (1)
Ωi＝|fc﹣50|/50 (2)
其中，ni单位为r/min；fc的单位为Hz；Ωi的单位为％。
共振的品质因子Q、发电机壳体的阻尼系数ζ确定
Q＝ni/(n2-n1) (3)
其中：Q为共振的品质因子；n1、n2为共振幅值的0.707倍(即倍)的较低、较高转速，单位为r/min，其计算示意图见图5。
发电机壳体的阻尼系数ζ计算：
ζ＝1/(2*Q) (4)
上式中：ζ的单位为％。
当共振避开系数Ωi<10％且阻尼系数ζ<2％，则判断发电机壳体存在45-55Hz处的机械共振现象。
本发明的测试方法已成功应用在600MW、300MW机组的壳体振动大故障诊断中，准确诊断了机组发电机承载不均匀或脱空，处理后，发电机壳体振动大幅降低。
实施例2
本实施例提供一种大型发电机壳体共振测试装置，其包括：
振动数据测试单元：将汽轮发电机组配套的振动监测系统中的键相信号和在发电机壳体不同部位安装的振动传感器接入振动信号采集仪，测试机组变转速过程中的振动数据；
波特图绘制单元：根据振动数据绘制发电机壳体振动的波特图；
参数计算单元：根据波特图确定发电机定子壳体共振转速ni，并计算发电机定子壳体共振频率fc、共振避开系数Ωi、共振品质因子Q和阻尼系数ζ；
共振现象判断单元：当共振避开系数Ωi<10％且阻尼系数ζ<2％，则判断发电机壳体存在45-55Hz处的机械共振现象。
应用例
某电厂#2发电机选用上海汽轮发电机有限公司生产的QFSN-600-2-2A型水氢冷却发电机。机组振动测试系统配有一套3500的TSI系统、一套本特利公司的System One汽轮发电机组故障诊断系统，可连续采集发电机两端轴承处的轴振、瓦振等参数，发电机两端轴承座45°、135°方向各配置一个涡流传感器，测量轴振，在每个轴承的90°方向安装了1个加速度传感器，测量瓦振。在现场发电机旁，使用VM9502手持式测振仪，测量发电机机座、台板、基础振动；发电机本体两侧布置了美国本特利208P振动采集仪和美国本特利9200型加速度传感器4个，测量发电机两端轴瓦垂直方向的瓦振，发电机壳体水平方向的振动。
该发电机在2016年3月一次A级检修后启动，机组正常启动至空载状态时，#9瓦、#10瓦振动为60μm、70μm，振动值均在优秀范围之内，随后机组在不同负荷下运行了约两个星期，#9瓦、#10瓦振动较稳定。2016年3月23日，发现发电机壳体振动有逐渐增大的现象，最大振动值测量为110μm，且以1倍频分量为主。应用本发明的方法进行了发电机定子壳体共振频率的测试。
对机组进行变无功试验，#9瓦、#10瓦的振动虽无功变化不明显，表明该故障为机械故障，且排除机组的电气故障。
在机组稳定运行时，在现场对发电机壳体进行了振动测量，测量发电机壳体两侧机座、台板、基础的振动，发现发电机汽端振动比励端大，发电机两侧机座、台板、基础振动差别较大，发电机两侧端盖以垂直最大，详细数据见表1表2表3。
表1#2机组A修后运行时发电机壳体集控室侧振动(单位：μm)
表2#2机组A修后运行时发电机壳体变压器侧振动(单位：μm)
变压器侧 1 2 3 4 5 6 7 8
A机座 39 25 16 22 23 14 5 20
B台板 34 18 11 10 17 13 5 14
C基础 27 12 9 14 17 12 6 11
表3#2机组A修后运行时发电机两侧端盖振动(单位：μm)
测点 汽端端盖 励端端盖
水平 60 20
垂直 100 92
轴向 51 73
在机组停机后，对现场发电机壳体布置振动传感器，其布置图见图2。通过TDM振动采集系统得出机组启动、停机过程中发电机两端轴承的振动波特图，得出发电机转子的临界转速为800r/min、2230r/min。机组进行超速试验时，转速升至3250r/min，测得发电机壳体振动随转速变化的曲线，得到与3000r/min接近的共振转速为3090r/min,见表4、图4。
表4超速试验发电机壳体振动数据(单位：μm/μm∠°)
时间 16/4/19 00:14 16/4/19 00:43 16/4/19 00:44 16/4/19 00:47
工况 3000r/min 3060r/min 3090r/min 3250r/min
#9W(垂直) 32/31∠216 83/83∠241 129/126∠276 16/15∠32
#10W(垂直) 60/58∠217 113/112∠238 151/147∠273 31/30∠354
发电机壳体集控室侧(水平) 50/50∠220 108/108∠230 151/148∠261 60/59∠325
发电机壳体变压器侧(水平) 22/19∠88 65/62∠106 156/154∠164 74/73∠235
根据式(1)fc＝ni/60＝3090/60＝51.5Hz，得出发电机壳体振动的频率为51.5Hz；
根据式(2)Ωi＝|fc﹣50|/50＝|51.5﹣50|/50＝0.03＝3％，得出共振避开系数Ωi为3％；
共振转速ni＝3090r/min，该转速下的其对应的集探室侧、集探室侧振动幅值分别为150μm、156μm，约为150μm。
得出0.707倍的最高幅值为107μm，所对应的较高转速和较低转速分别为：
集控室侧：n2＝3132r/min；n1＝3060r/min；
变压器侧：n2＝3170r/min；n1＝3072r/min；
根据式(3)分别得出
Q集探室侧＝ni/(n2-n1)＝3090/(3132-3060)≈42.9；
Q变压器侧＝ni/(n2-n1)＝3090/(3170-3072)≈31.5；
根据式(4)分别得出
ζ集探室侧＝1/(2*Q集探室侧)＝1/(2*42.9)＝＝1.2％；
ζ变压器侧＝1/(2*Q变压器侧)＝1/(2*31.5)＝＝1.6％；
当Ωi小于10％，且ζ小于2％时，可以判断发电机壳体存在共振现象。
根据上述分析结论，在电厂检修中，对发电机进行底载试验，并对发电机定子底部垫片重新进行调整。调整完毕后，机组开机及运行过程中，未发现3000r/min的共振频率，发电机壳体振动最大为60μm，跟诊断方法分析计算结果完全一致。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种大型发电机壳体共振测试方法，其特征在于，包括：
将汽轮发电机组配套的振动监测保护系统中的键相信号和在发电机壳体不同部位安装的振动传感器接入振动信号采集仪，测试机组变转速过程中的振动数据，绘制发电机壳体振动的波特图，确定发电机定子壳体共振转速ni，并计算发电机定子壳体共振频率fc、共振避开系数Ωi、共振品质因子Q和阻尼系数ζ；
当共振避开系数Ωi<10％且阻尼系数ζ<2％，则判断发电机壳体存在45-55Hz处的机械共振现象。
2.根据权利要求1所述的大型发电机壳体共振测试方法，其特征在于，对机组进行变无功试验，如机组两端轴振、瓦振和机组无功或励磁电流无正相关，则判断发电机壳体振动的故障属于机械故障，排除其属于电气故障。
3.根据权利要求1或2所述的大型发电机壳体共振测试方法，其特征在于，所述机组变转速的测试包括机组的超速试验。
4.根据权利要求1或2所述的大型发电机壳体共振测试方法，其特征在于，在发电机壳体集控室侧、变压器侧和发电机两侧轴瓦处安装振动传感器。
5.根据权利要求1或2所述的大型发电机壳体共振测试方法，其特征在于，发电机定子壳体共振频率fc的计算公式为：fc＝ni/60，
其中，ni的单位为r/min；fc的单位为Hz。
6.根据权利要求1或2所述的大型发电机壳体共振测试方法，其特征在于，共振避开系数的计算公式为：Ωi＝|fc﹣50|/50，
其中，fc的单位为Hz；Ωi的单位为％。
7.根据权利要求1或2所述的大型发电机壳体共振测试方法，其特征在于，共振的品质因子Q的计算公式为：Q＝ni/(n2-n1)，
其中，Q为共振的品质因子；n1、n2分别为共振幅值的2/2倍的低、高转速，单位为r/min。
8.根据权利要求1或2所述的大型发电机壳体共振测试方法，其特征在于，发电机壳体的阻尼系数ζ计算公式如下：ζ＝1/(2*Q)，ζ的单位为％。
9.一种大型发电机壳体共振测试装置，其特征在于，包括：
振动数据测试单元：将汽轮发电机组配套的振动监测系统中的键相信号和在发电机壳体不同部位安装的振动传感器接入振动信号采集仪，测试机组变转速过程中的振动数据；
波特图绘制单元：根据振动数据绘制发电机壳体振动的波特图；
参数计算单元：根据波特图确定发电机定子壳体共振转速ni，并计算发电机定子壳体共振频率fc、共振避开系数Ωi、共振品质因子Q和阻尼系数ζ；
共振现象判断单元：当共振避开系数Ωi<10％且阻尼系数ζ<2％，则判断发电机壳体存在45-55Hz处的机械共振现象。
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