楊 丹，傅行軍

(火電機(jī)組振動(dòng)國家工程研究中心，南京210096)

汽流激振是汽輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場運(yùn)行中最常見的振動(dòng)故障原因之一，是由汽輪機(jī)內(nèi)部汽流激振力作用下引起的轉(zhuǎn)子異常振動(dòng)，通常與機(jī)組所帶負(fù)荷有關(guān)。近年來隨著機(jī)組容量的增大，由汽流激振引起的機(jī)組振動(dòng)故障日益突出，已成為影響機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要原因。目前，噴嘴配汽汽輪機(jī)組采用順序閥運(yùn)行，即只有一個(gè)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，其余調(diào)節(jié)閥保持全開或全關(guān)，處于非對稱性的部分進(jìn)汽狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作又會(huì)使部分進(jìn)汽的方式發(fā)生變化，很容易引發(fā)汽流激振問題［1］。

某電廠330 MW亞臨界汽輪機(jī)組在調(diào)試和運(yùn)行中出現(xiàn)了高壓轉(zhuǎn)子低頻振動(dòng)，且跟負(fù)荷關(guān)系密切。針對此現(xiàn)象，筆者通過調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)，基本確定了故障類型為汽流激振，結(jié)合振動(dòng)特點(diǎn)及機(jī)理，給出了應(yīng)對該故障的方案。大修后，轉(zhuǎn)子低頻振動(dòng)得到抑制，機(jī)組得以安全運(yùn)行。

1 機(jī)組異常振動(dòng)情況

某電廠330 MW汽輪機(jī)型號為C330/262-16.7/0.3/538/538的一次中間再熱、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式機(jī)組，軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，共有7個(gè)瓦支撐。

機(jī)組軸系簡圖和進(jìn)汽閥門布置分別見圖1和圖2。

圖1 軸系簡圖

圖2 閥門布置

該機(jī)組在調(diào)試和投運(yùn)期間，對各軸瓦的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，高中壓轉(zhuǎn)子在帶大負(fù)荷期間振動(dòng)很不穩(wěn)定，存在較大波動(dòng)，其中1號和2號瓦的軸振會(huì)出現(xiàn)比較大的半倍頻，而且振動(dòng)的這種波動(dòng)與負(fù)荷的關(guān)系很密切，通過幾次啟動(dòng)和并網(wǎng)帶負(fù)荷，振動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng)的負(fù)荷點(diǎn)重復(fù)性很好。為此對該機(jī)組進(jìn)行閥門試驗(yàn)分析，以確定故障類型并給出合理的治理方案。

2 振動(dòng)試驗(yàn)

2012-04-1 015:40:00現(xiàn)場進(jìn)行了調(diào)節(jié)閥控制次序試驗(yàn)，并監(jiān)測各瓦的振動(dòng)和瓦溫情況。

2.1 順序閥降負(fù)荷振動(dòng)試驗(yàn)

閥門開啟順序?yàn)?+4→1→2(其中2號閥門關(guān)死)振動(dòng)情況。試驗(yàn)開始負(fù)荷為321MW，降負(fù)荷過程振動(dòng)情況見表1～表3。

表1 2012-04-1015:41:00，負(fù)荷為321MW時(shí)的閥門軸振情況

表2 2012-04-1016:57:00，負(fù)荷為270MW時(shí)的閥門軸振情況

表3 2012-04-1018:10:00，負(fù)荷為210MW時(shí)的閥門軸振情況

由表1～表3可知:2號閥門不進(jìn)汽時(shí)，降負(fù)荷過程機(jī)組振動(dòng)狀況好，未出現(xiàn)低頻失穩(wěn)振動(dòng)。

2.2 單閥進(jìn)汽帶負(fù)荷振動(dòng)試驗(yàn)

2012-04-1 018:15:00開始進(jìn)行單閥進(jìn)汽，即全周進(jìn)汽方式下的帶負(fù)荷振動(dòng)試驗(yàn)，機(jī)組負(fù)荷由210MW升至300MW過程穩(wěn)定，至300MW維持30min左右后，1號、2號、3號、4號軸振出現(xiàn)失穩(wěn)振動(dòng)。隨著負(fù)荷升至320MW低頻振動(dòng)加劇，低頻范圍為2227Hz，且各瓦低頻幅值不等，其中1號Y向軸振低頻值最大為50μm，此時(shí)1號Y向通頻振動(dòng)為86μm、工頻振動(dòng)24μm，振動(dòng)以低頻25Hz為主;320MW時(shí)各瓦振動(dòng)都較大，3號X向最大達(dá)到100μm。以1號閥門Y向?yàn)槔?，其在定速升?fù)荷過程中軸振情況見表4。

表4 1號閥門Y向主要頻率的軸振幅 μm

由表4可看出:在單閥定速升負(fù)荷過程中，低于300MW時(shí)無明顯低頻成分的振動(dòng)，此時(shí)軸瓦的振動(dòng)以1倍頻成分為主，1號Y振動(dòng)通頻值僅為30μm左右;但當(dāng)負(fù)荷超過300MW后，存在顯著低頻成分的振動(dòng)頻譜，低頻以25Hz為主，且升至320MW時(shí)1號Y的低頻幅值遠(yuǎn)超過工頻幅值，期間工頻幅值基本不變。

2.3 試驗(yàn)過程中各軸瓦溫度

調(diào)節(jié)閥次序試驗(yàn)過程中供油壓力和冷凝器出口油溫保持不變，同時(shí)監(jiān)測各軸瓦溫度，其中在單閥帶負(fù)荷至320MW時(shí)，2號瓦溫較高，達(dá)到94.3℃，其他瓦溫比較正常。2012-04-10機(jī)組振動(dòng)失穩(wěn)前后各軸瓦溫度見表5。

表5 振動(dòng)失穩(wěn)前后各軸瓦溫 ℃

3 振動(dòng)分析及治理方案

一般認(rèn)為，單閥調(diào)節(jié)全周均勻進(jìn)汽時(shí)，轉(zhuǎn)子所受的汽流切向力相互抵消，此時(shí)軸承承受轉(zhuǎn)子自重的載荷;順序閥部分進(jìn)汽時(shí)，汽流對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生切向作用力，易引起軸承載荷的改變，由此對軸瓦溫度和軸振動(dòng)產(chǎn)生不同的影響。

轉(zhuǎn)子汽流切向力受力圖見圖3，其中F是單個(gè)動(dòng)葉片上受到的汽流切向力，F(xiàn)″是調(diào)節(jié)級動(dòng)葉切向力的矢量和，將其沿水平、垂直方向分解，就可得到汽流對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的橫向作用力和豎向作用力，由此對轉(zhuǎn)子偏心和軸承載荷產(chǎn)生影響。

圖3 部分進(jìn)汽時(shí)轉(zhuǎn)子汽流切向力受力圖

試驗(yàn)過程中該機(jī)組的振動(dòng)特點(diǎn)為:

(1)振動(dòng)與負(fù)荷有密切關(guān)系，僅在接近滿負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)。

(2)振動(dòng)并非在升、降負(fù)荷時(shí)都出現(xiàn)。

(3)機(jī)組在300MW以下負(fù)荷時(shí)，無論負(fù)荷如何變動(dòng)，機(jī)組均未發(fā)生振動(dòng)。

(4)機(jī)組振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)頻率以25Hz為主，3號瓦表現(xiàn)最為強(qiáng)烈，2號瓦次之。

機(jī)組在大修解體時(shí)發(fā)現(xiàn)中低對輪同心度測量超標(biāo)，高中壓通流部分動(dòng)靜間隙略小，出現(xiàn)不同程度的摩擦，1號、2號瓦頂部間隙超標(biāo)。結(jié)合振動(dòng)特點(diǎn)和瓦溫情況及大修時(shí)解體情況，分析該機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子的失穩(wěn)振動(dòng)很可能是由剩余汽流力造成的。

由順序閥試驗(yàn)可知:閥門2關(guān)閉后，閥門3和閥門4進(jìn)汽切向力相互抵消，閥門1進(jìn)汽對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生下壓作用力和向左的橫向作用力(見圖4)，使轉(zhuǎn)子中心向左下偏，軸瓦載荷增大，瓦溫升高，試驗(yàn)結(jié)果表明此時(shí)振動(dòng)不大。

圖4 順序閥下作用在轉(zhuǎn)子上的剩余汽流力

單閥試驗(yàn)過程中，一直存在少量的高頻分量，尤其是2倍頻振動(dòng)較明顯，這可能是轉(zhuǎn)子的對中性較差引起的。開啟閥門2后，理論上其進(jìn)汽切向力與閥門1的進(jìn)汽切向力相互抵消，振動(dòng)應(yīng)該平穩(wěn);但試驗(yàn)表明在升負(fù)荷過程中振動(dòng)增大，低頻振動(dòng)加劇，這可能是由高中壓通流部分間隙不均，進(jìn)而產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子中心上偏的間隙汽流力所造成的。據(jù)此推測，在順序閥試驗(yàn)時(shí)，閥門1的進(jìn)汽切向力是使轉(zhuǎn)子中心向下偏的，抑制了該汽流力抬升轉(zhuǎn)子的作用，所以振動(dòng)不大;而單閥時(shí)閥門1與閥門2的進(jìn)汽切向力相互抵消，該汽流力被激發(fā)出來，使軸頸在軸承中漂移，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子渦動(dòng)，造成軸振增大，但軸瓦載荷減小，所以瓦溫有所回落(見表3)。

結(jié)合機(jī)組振動(dòng)情況及以上分析，建議在大修時(shí)做如下工作:

(1)檢查并調(diào)整中低壓對輪中心，使其上下高差、左右張口以及同心度偏差均符合標(biāo)準(zhǔn)。

(2)主要調(diào)整通流部分動(dòng)靜間隙，特別是高中壓部分，注意冷態(tài)到熱態(tài)要保持動(dòng)靜間隙均勻。

4 大修后振動(dòng)測試

2012-05-31大修后首次開機(jī)，在升速及2012-06-05單閥進(jìn)汽帶負(fù)荷過程中振動(dòng)明顯減小，帶負(fù)荷時(shí)振動(dòng)情況和各瓦溫見表6和表7。

表6 單閥帶負(fù)荷過程振動(dòng)情況 μm/μm∠°

表7 單閥帶負(fù)荷過程中各瓦瓦溫 ℃

5 結(jié)語

該機(jī)組振動(dòng)故障性質(zhì)為汽流激振失穩(wěn)振動(dòng)。結(jié)合大修進(jìn)行了中低對輪中心調(diào)整(軸瓦標(biāo)高的調(diào)整)，以改善軸瓦載荷分配和減小1號、2號瓦頂間隙等治理，提高軸瓦本身的穩(wěn)定性;同時(shí)，大修過程控制高中壓通流間隙均勻，減小了汽流失穩(wěn)力。通過治理，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)組穩(wěn)定性提高，低頻失穩(wěn)振動(dòng)消除，機(jī)組振動(dòng)達(dá)到允許范圍。

隨著中低對輪中心高差值的調(diào)整，軸系載荷分配趨于合理，3號振動(dòng)明顯減小，汽輪機(jī)各瓦瓦溫趨于正常。

通過本次故障分析治理可發(fā)現(xiàn)，一般認(rèn)為汽流激振力是不利于機(jī)組運(yùn)行的，要設(shè)法減小該力的大小，但如果能對該汽流力的性質(zhì)有所判斷，在不影響機(jī)組正常運(yùn)行的情況下，也可以采用合適的閥序利用這部分汽流力，這樣不僅可以減少檢修的工作量，還可以使機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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