葛挺，高寬，李勇，梁卓

(大唐華中電力試驗(yàn)研究所，鄭州 450000)

某300 MW抽凝式汽輪機(jī)動(dòng)靜碰磨原因分析

葛挺，高寬，李勇，梁卓

(大唐華中電力試驗(yàn)研究所，鄭州 450000)

某300 MW抽凝式汽輪機(jī)在改造后的首次啟動(dòng)過程中，出現(xiàn)了高中壓通流部分軸向動(dòng)靜碰磨。針對(duì)碰磨的原因進(jìn)行了分析，并通過高中壓通流部分各級(jí)運(yùn)行間隙的計(jì)算，找出了最先碰磨部位；為今后類似改造提出了建議。

動(dòng)靜碰磨；膨脹；磨損

0 引言

某300 MW汽輪機(jī)原為東汽設(shè)計(jì)制造的亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為C300/235—16.7/0.343/537/537。該機(jī)原設(shè)計(jì)熱耗率為7 892 kJ/(kW·h)，最新的熱力性能試驗(yàn)結(jié)果為8 141 kJ/(kW·h)，比設(shè)計(jì)值偏高249 kJ/(kW·h)。為解決該機(jī)實(shí)際運(yùn)行熱耗高的問題，2015年9—11月進(jìn)行了高效亞臨界升參數(shù)節(jié)能改造，在通流部分改造的同時(shí)，將主、再熱蒸汽溫度由537 ℃提升至565 ℃。

綜合升級(jí)改造完成后，于2015年11月29日進(jìn)行首次啟動(dòng)，當(dāng)負(fù)荷升至80 MW左右時(shí)，振動(dòng)突然增大，被迫打閘停機(jī)；經(jīng)揭缸檢查，發(fā)現(xiàn)高壓通流部分軸向磨損。下面就該汽輪機(jī)動(dòng)靜碰磨發(fā)生的過程、原因分析、故障處理及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1 故障過程及磨損情況檢查

1.1 故障過程

2015年11月28日，鍋爐點(diǎn)火；11月29日11:00，汽輪機(jī)具備沖轉(zhuǎn)條件。11月29日11:26開始沖轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)參數(shù)基本符合制造廠要求，經(jīng)磨檢、中速暖機(jī)、高速暖機(jī)，13:30定速。定速后，高中壓缸熱膨脹7.30/8.20 mm，高壓脹差1.50 mm，轉(zhuǎn)子偏心10.5 μm，各監(jiān)視參數(shù)正常。定速后進(jìn)行電氣試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中，各軸振、瓦振及其他數(shù)據(jù)正常。但中壓通流部分存在鼓風(fēng)現(xiàn)象，中缸排汽溫度達(dá)到412～459 ℃，持續(xù)時(shí)間約10 h。11月30日01:50并網(wǎng)帶負(fù)荷。帶負(fù)荷期間，主、再熱蒸汽平均溫升速率為1.3 K/min，0.9 K/min，局部溫升速率1.8 K/min，符合運(yùn)行說明書的要求。11月30日05:23，負(fù)荷由87 MW降至74 MW，軸向位移由0.10 mm降至0.06 mm，脹差由5.56 mm升至5.60 mm；1X軸振發(fā)生一次波動(dòng)，最大值達(dá)到73 μm，05:28恢復(fù)正常。11月30日05:52，#1，#2瓦軸振、瓦振開始上漲；06:01，1X軸振193 μm，2X軸振187 μm，被迫打閘停機(jī)，此時(shí)脹差表指示值為5.60 mm。11月30日06:09，轉(zhuǎn)速到零，惰走時(shí)間僅8 min，此時(shí)脹差表指示值為7.4 mm。轉(zhuǎn)速到零后，盤車無法投入，采取悶缸處理措施。11月30日08:00，再次試投電動(dòng)盤車正常，盤車投運(yùn)。

1.2 磨損情況檢查

1.2.1 熱態(tài)檢查情況

2015年12月3日，在盤車狀態(tài)下，拆除高壓后軸封及中壓后軸封外擋汽封后，發(fā)現(xiàn)高壓后軸封外擋汽封高齒向機(jī)頭側(cè)彎曲，軸向磨痕明顯，磨損情況如圖1所示。中壓后軸封外擋未發(fā)現(xiàn)軸向磨損，徑向輕微磨損。

圖1 高壓后軸封外擋汽封軸向磨損情況

1.2.2 揭缸檢查情況

2015年12月12日，汽缸金屬溫度降至80 ℃，停止盤車、油泵運(yùn)行，汽缸解體檢查；2015年12月17日高中壓缸解體檢查完畢。檢查發(fā)現(xiàn)高中壓動(dòng)靜部分發(fā)生磨損，高壓各級(jí)隔板汽封及后軸封汽封齒軸向磨損，其中后軸封齒軸向磨損嚴(yán)重；高壓第5級(jí)動(dòng)葉葉根與第6級(jí)隔板軸向磨損嚴(yán)重，復(fù)測(cè)間隙發(fā)現(xiàn)該部位G點(diǎn)處軸向間隙較安裝時(shí)增加了1.7 mm；高壓第4，5，9，11，12級(jí)葉頂汽封齒軸向磨損；調(diào)節(jié)級(jí)徑向汽封齒徑向有輕微摩擦痕跡；中壓隔板汽封及徑向汽封齒有輕微徑向摩擦痕跡。檢查前軸承箱與高壓缸之間的H梁連接情況，連接正常，但被保溫包裹。進(jìn)行前軸承箱推拉試驗(yàn)，移動(dòng)正常，無卡澀。檢查#2軸承箱定位情況，死點(diǎn)正常。測(cè)量推力間隙，為0.43 mm，與安裝數(shù)據(jù)吻合。對(duì)通流部分間隙數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)測(cè)，除摩擦部位有偏差，其他數(shù)據(jù)與安裝數(shù)據(jù)吻合。

2 碰磨分析

2.1 碰磨原因

綜合改造后汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)、故障時(shí)運(yùn)行參數(shù)、故障后檢查情況，造成軸向碰磨的原因如下。

(1)脹差表存在誤差，指示值偏小。對(duì)脹差表進(jìn)行校驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)脹差表指示值偏小。指示值5.60 mm時(shí)，偏小0.90 mm；指示值7.40 mm時(shí)，偏小1.10 mm。

(2)H梁溫升膨脹，進(jìn)一步增大測(cè)量誤差。高中壓缸與前軸承箱間H梁被保溫材料包裹，使得空氣無法對(duì)其冷卻，造成H梁溫度升高、膨脹量增加。與H梁散熱良好狀態(tài)相比，H梁溫度約升高130℃，其長(zhǎng)度334 mm，按線性膨脹系數(shù)13.5×10-6/K計(jì)算，H梁將產(chǎn)生0.6 mm的額外膨脹量。

(3)改造后進(jìn)汽溫度升高，轉(zhuǎn)子膨脹量增加。汽輪機(jī)通流部分改造時(shí)，配套進(jìn)行了鍋爐受熱面的相關(guān)改造，將主、再熱蒸汽溫度由537℃提升至565℃。由于進(jìn)汽溫度的提高，高中壓通流部分各級(jí)的溫度也隨之升高，各級(jí)溫度升高使轉(zhuǎn)子的膨脹量較改造前增大。改造前后高中壓通流部分額定工況各監(jiān)視段溫度的對(duì)比見表1。

表1 各監(jiān)視段溫度對(duì)比 ℃

(4)改造后外缸溫度降低、通流間隙減小。通流部分改造后，高壓通流部分增加3級(jí)、中壓通流部分增加1級(jí)，高壓內(nèi)缸增加0段抽汽室，中壓進(jìn)汽部分安裝隔熱罩，高中壓外缸增加螺栓自流冷卻系統(tǒng)以上改造措施對(duì)提高效率、減少缸內(nèi)漏汽有利，但也會(huì)造成外缸及法蘭金屬溫度降低，導(dǎo)致外缸與轉(zhuǎn)子溫差增大；在轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)度不變的情況下，增加4級(jí)及0段抽汽室，會(huì)造成軸向通流間隙減小。溫差大與間隙小2個(gè)因素疊加，使改造后軸向間隙安全裕量明顯減小。

(5)泊松效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)量設(shè)計(jì)取值偏小。設(shè)計(jì)時(shí)，泊松效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)量取值為0.76 mm，明顯小于實(shí)際轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)量1.80 mm(轉(zhuǎn)速由3 000 r/min降至0 r/min，高壓后軸封第9列處)，設(shè)計(jì)與實(shí)際偏差1.04 mm；造成停機(jī)過程中，出現(xiàn)較嚴(yán)重的磨損。

2.2 碰磨部位分析

由打閘前振動(dòng)波動(dòng)及變化規(guī)律判斷，脹差表指示值5.60 mm時(shí)已發(fā)生碰磨，此時(shí)實(shí)際脹差已達(dá)7.10 mm左右(脹差表測(cè)量值偏小，影響0.90 mm；H梁被保溫材料包裹，引起的H梁額外膨脹，影響0.60 mm)，最先碰磨部位應(yīng)在正脹差方向軸向間隙安全裕量最小處。

運(yùn)行時(shí)動(dòng)靜部件溫度升高，高中壓轉(zhuǎn)子以推力瓦為基準(zhǔn)向機(jī)頭方向膨脹，轉(zhuǎn)子各級(jí)葉輪的移動(dòng)量為該部位與推力盤間各區(qū)段膨脹量之和。高中壓外缸以#2軸承箱處死點(diǎn)為基準(zhǔn)向機(jī)頭方向膨脹，并帶動(dòng)安裝在其中的高壓內(nèi)缸、隔板套、汽封套等部件向機(jī)頭方向移動(dòng)。各級(jí)隔板及汽封圈的移動(dòng)量為高壓外缸與高壓內(nèi)缸或中壓#1，#2隔板套的膨脹量之和。

高中壓轉(zhuǎn)子材質(zhì)為30Cr1Mo1V，高中壓缸材質(zhì)為15Cr1Mo1V，線性膨脹系數(shù)(與20 ℃之間)與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系[1]見表2。

表2 材料的線性膨脹系數(shù)

為確定最易碰磨的部位，以高壓通流部分實(shí)際安裝數(shù)據(jù)、故障時(shí)各監(jiān)視段參數(shù)等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行高中壓通流部分各部位正脹差運(yùn)行間隙的計(jì)算[2]。故障時(shí)高中壓通流部分各部位正脹差運(yùn)行間隙計(jì)算結(jié)果見表3，表中各點(diǎn)為安裝時(shí)高中壓通流部分間隙最小的部位。

從表3可以看出：當(dāng)脹差表指示值為5.60 mm時(shí)(實(shí)際脹差7.10 mm左右)，高壓第5級(jí)葉輪與高壓第6級(jí)隔板G點(diǎn)處已出現(xiàn)輕微碰磨；高壓第1級(jí)轉(zhuǎn)子與隔板汽封G1點(diǎn)、高壓第2級(jí)轉(zhuǎn)子與隔板汽封G1點(diǎn)、高壓后軸封1～9列轉(zhuǎn)子城墻齒與汽封高齒G1點(diǎn)等處的運(yùn)行間隙小于1 mm，安全裕量不足。

表3 各部位正脹差運(yùn)行間隙 mm

動(dòng)靜碰磨在高壓第5級(jí)動(dòng)葉葉根與第6級(jí)隔板軸向間隙G點(diǎn)處首先發(fā)生，造成機(jī)組振動(dòng)增大；跳閘后，由于泊松效應(yīng)引起轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)，脹差表指示值7.40 mm時(shí)(實(shí)際脹差9.10 mm左右)，造成較嚴(yán)重磨損。

3 修復(fù)后運(yùn)行情況

汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子返廠，進(jìn)行了局部熱處理、車削加工、高速動(dòng)平衡，高速動(dòng)平衡結(jié)果合格。對(duì)葉頂汽封、隔板汽封、軸封修復(fù)、更換，調(diào)整高中壓通流部分間隙，將多數(shù)級(jí)的正脹差方向間隙適當(dāng)放大。

2016年1月24日所有修復(fù)工作完成，機(jī)組啟動(dòng)；1月24日11:31定速3 000 r/min，1月24日20:23并網(wǎng)帶80 MW負(fù)荷暖機(jī)后，進(jìn)行機(jī)械超速試驗(yàn)；1月25日04:28正式并網(wǎng)帶負(fù)荷。

在之后的運(yùn)行過程中，高中壓脹差仍偏大；隨負(fù)荷波動(dòng)，高中壓脹差在4.40～5.00 mm之間變化；與改造前相比，偏大約2 mm。其余運(yùn)行參數(shù)正常，各軸振、瓦振均在優(yōu)良水平。2016年7月進(jìn)行了性能考核試驗(yàn)，機(jī)組熱耗保證工況(THA)修正后熱耗率7 796.21 kJ/(kW·h)，75%THA工況修正后熱耗率7 842.68 kJ/(kW·h)，均低于制造廠保證值，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語

(1)首次啟動(dòng)過程中，供熱調(diào)節(jié)蝶閥未完全開啟，致使中壓通流部分存在鼓風(fēng)。中缸排汽溫度最高達(dá)459 ℃，持續(xù)時(shí)間達(dá)10 h，造成外缸中壓部分過度膨脹，掩蓋了外缸高壓部分膨脹不足的問題。供熱調(diào)節(jié)蝶閥缺陷消除后，中壓通流部分鼓風(fēng)消失，外缸中壓部分金屬溫度下降；高壓部分通流間隙迅速減小，是造成碰磨的主要原因。

(2)脹差表測(cè)量存在誤差，同時(shí)高中壓缸與前軸承箱連接H梁被保溫包裹，進(jìn)一步增大了測(cè)量誤差，使得運(yùn)行人員未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，是造成碰磨的直接原因。

(3)脹差表指示值5.60 mm時(shí)(實(shí)際脹差7.10 mm左右)，在高壓第5級(jí)葉輪與高壓第6級(jí)隔板間G點(diǎn)處首先出現(xiàn)輕微碰磨，振動(dòng)增大；停機(jī)過程中，由于泊松效應(yīng)造成軸向較嚴(yán)重磨損。

(4)在設(shè)計(jì)制造方面，采取了提高進(jìn)汽溫度、優(yōu)化汽缸結(jié)構(gòu)、增加通流級(jí)數(shù)等改進(jìn)措施，這些措施在提高效率的同時(shí)，客觀上也造成了外缸與轉(zhuǎn)子溫差增大、級(jí)間間隙減小。與改造前相比，正脹差方向軸向間隙安全裕量減小。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮，兼顧經(jīng)濟(jì)性與安全性，通流間隙應(yīng)留有更大的安全裕量。

(5)從幾次正常停機(jī)的情況看,轉(zhuǎn)速到零后，高中壓脹差增加了1.20～1.80 mm；停機(jī)時(shí)進(jìn)汽參數(shù)越高，正脹差增加值越大，即泊松效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)子伸長(zhǎng)量越大。因此，應(yīng)對(duì)高中壓正脹差報(bào)警值和跳機(jī)值進(jìn)行完善，予以適當(dāng)降低。

(6)檢修時(shí)，汽輪機(jī)各測(cè)量?jī)x表的校驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定程序定時(shí)校驗(yàn)，且必須做全量程校驗(yàn)。

(7)檢修時(shí)，嚴(yán)禁對(duì)汽缸與前軸承箱H梁(或推拉裝置)、汽缸貓爪進(jìn)行保溫，防止引起脹差測(cè)量附加誤差。

[1]火力發(fā)電廠金屬材料手冊(cè)[M]. 北京：中國電力出版社，2001.

[2]魏軍, 陳伯樹. 汽輪機(jī)機(jī)組脹差計(jì)算方法[J]. 機(jī)械工程師, 2012(5): 9-10.

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2016-09-02；

2016-11-28

TK 268

B

1674-1951(2017)01-0050-03

葛挺(1968—)，男，河南開封人，高級(jí)工程師，從事汽輪機(jī)專業(yè)試驗(yàn)、調(diào)試、運(yùn)行方面的工作(E-mail:water_0371@126.com)。