湛江電力有限公司 劉濤 陳華輝

某汽輪機(jī)啟機(jī)過(guò)程動(dòng)靜碰磨故障分析與處理

湛江電力有限公司 劉濤 陳華輝

本文針對(duì)某電廠2號(hào)汽輪機(jī)在大修后啟動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)大的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程振動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確認(rèn)汽輪機(jī)發(fā)生了動(dòng)靜碰磨故障。采取降速暖機(jī)，控制軸振動(dòng)，通過(guò)摩擦擴(kuò)大動(dòng)靜間隙的措施，最終保證了機(jī)組順利啟動(dòng)。

汽輪機(jī)；動(dòng)靜碰磨；振動(dòng)

0 前言

為提高汽輪機(jī)效率，汽輪機(jī)大修時(shí)經(jīng)常會(huì)將動(dòng)靜間隙調(diào)整的較小。因此，大修后沖轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生動(dòng)靜碰磨導(dǎo)致振動(dòng)過(guò)大無(wú)法正常啟動(dòng)。當(dāng)碰磨嚴(yán)重或操作不當(dāng)時(shí)，往往造成嚴(yán)重的后果，如葉片斷裂、轉(zhuǎn)軸將產(chǎn)生熱彎曲，甚至產(chǎn)生永久彎曲。因此，當(dāng)機(jī)組發(fā)生動(dòng)靜碰磨故障時(shí)，除了對(duì)故障原因的判斷要準(zhǔn)確外，及時(shí)采取有效的解決措施也至關(guān)重要。

1 故障發(fā)生概況

2號(hào)汽輪機(jī)為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)并增容改造的330MW、亞臨界、中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式機(jī)組。軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、集電小軸及7個(gè)軸承組成，見(jiàn)圖1所示，其中1號(hào)、2號(hào)軸承為可傾瓦軸承，其他軸承均為橢圓瓦軸承。

1.1 大修后首次沖轉(zhuǎn)

2017年2月至4月，2號(hào)機(jī)組進(jìn)行大修。4月9日，機(jī)組大修后冷態(tài)啟動(dòng)。圖2所示為低壓轉(zhuǎn)子軸振波德圖。轉(zhuǎn)速升至1200r/min時(shí)各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)均比較良好，軸振均小于40um，瓦振小于10um。但暖機(jī)過(guò)程中#3、#4瓦軸振開(kāi)始緩慢爬升，20min后振動(dòng)上升速率加快。3X升至119um后，降轉(zhuǎn)速至600r/min。降速過(guò)程中，振動(dòng)繼續(xù)增大，其中3X最高升至198um。600r/min暖機(jī)過(guò)程中，振動(dòng)有所下降，但3X保持在131um左右不再下降。執(zhí)行打閘操作，轉(zhuǎn)子靜止后投入盤(pán)車(chē)運(yùn)行。此時(shí)，DCS畫(huà)面顯示轉(zhuǎn)子偏心值為54um，就地測(cè)得大軸晃動(dòng)度為60um，而沖轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)子偏心值僅為24um。整個(gè)升降速過(guò)程中，除高中壓缸瓦振隨低壓轉(zhuǎn)子軸振同步變化外，其他測(cè)點(diǎn)振動(dòng)均較小且無(wú)異常波動(dòng)。

1.2 第二次沖轉(zhuǎn)

待轉(zhuǎn)子偏心值恢復(fù)至26um后，再次進(jìn)行沖轉(zhuǎn)。圖3所示為第二次沖轉(zhuǎn)時(shí)低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)波德圖。與第一次類(lèi)似，1200r/min暖機(jī)過(guò)程中#3、#4瓦軸振開(kāi)始緩慢爬升，約20min后振動(dòng)上升速率加快，軸振超過(guò)120um，手動(dòng)打閘。降速過(guò)程中，振動(dòng)繼續(xù)增大，其中3X最高升至252um，3Y最高升至248um。轉(zhuǎn)速降至150r/min時(shí)，3X仍然高達(dá)232um，3Y高達(dá)236um。轉(zhuǎn)子靜止后投入盤(pán)車(chē)運(yùn)行，DCS畫(huà)面顯示轉(zhuǎn)子偏心值為90um（遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)沖轉(zhuǎn)前偏心值），就地測(cè)得大軸晃動(dòng)度已頂表。

圖1 軸系示意圖

圖2 低壓轉(zhuǎn)子軸振波德圖（第一次沖轉(zhuǎn)）

圖3 低壓轉(zhuǎn)子軸振波德圖（第二次沖轉(zhuǎn)）

2 振動(dòng)分析

2.1 圖譜分析

圖4 低壓轉(zhuǎn)子軸振瀑布圖（1200r/min中速暖機(jī)）

圖5 低壓轉(zhuǎn)子軸振波德圖（第四次升速）

由波德圖可以看出，兩次沖轉(zhuǎn)振動(dòng)變化相似，中速暖機(jī)過(guò)程中振動(dòng)均持續(xù)爬升，相位也發(fā)生緩慢變化。打閘后振動(dòng)不降反而繼續(xù)上升，尤其第二次打閘后軸振非常高，低速時(shí)仍然保持較高水平。盤(pán)車(chē)時(shí)大軸偏心值和晃動(dòng)度較高，盤(pán)車(chē)一段時(shí)間后可以恢復(fù)至原始值。分析其瀑布圖，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)向上發(fā)散主要由轉(zhuǎn)頻引起，見(jiàn)圖4所示。

2.2 大修前后相關(guān)數(shù)據(jù)分析

大修前測(cè)量得中低對(duì)輪中心偏差數(shù)據(jù)為高低差60um，張口26um。修后的中低對(duì)輪中心偏差數(shù)據(jù)為高低差45um，張口14um，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且向修前數(shù)據(jù)靠近。而且轉(zhuǎn)子升速至1200r/min初期振動(dòng)良好，暖機(jī)過(guò)程中才開(kāi)始爬升，說(shuō)明振動(dòng)異常與軸系調(diào)整及載荷分配調(diào)整等關(guān)系不大。

本次機(jī)組大修，出于提高機(jī)組效率考慮，汽封間隙是按照標(biāo)準(zhǔn)的下限進(jìn)行調(diào)整，首次啟動(dòng)發(fā)生動(dòng)靜碰磨的可能性非常大。

2.3 動(dòng)靜碰磨特征和機(jī)理

動(dòng)靜碰磨主要有如下特征：（1）固定轉(zhuǎn)速下，振幅隨時(shí)間逐漸增大或逐漸減小，變化的分量主要是一倍頻成分；相位可能同時(shí)緩慢變化，也可能基本不變。（2）振幅、相位出現(xiàn)變化的時(shí)刻應(yīng)該滯后于運(yùn)行工況的變化。（3）嚴(yán)重碰磨在低頻和倍頻分量都應(yīng)該有較明顯的反映；非嚴(yán)重碰磨不會(huì)出現(xiàn)倍頻分量增大，無(wú)法從頻譜圖上獲得決定性判據(jù)。（4）動(dòng)靜碰磨可能發(fā)生的工況：定速暖機(jī)（包括臨界轉(zhuǎn)速前后）、升速過(guò)程、帶負(fù)荷過(guò)程。

從兩次沖轉(zhuǎn)的振動(dòng)現(xiàn)象來(lái)看，可以確認(rèn)機(jī)組沖轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)生了動(dòng)靜碰磨，結(jié)合檢修情況，判斷碰磨主要發(fā)生在汽封，且第二次沖轉(zhuǎn)碰磨較為嚴(yán)重。一般情況下，當(dāng)摩擦發(fā)生在一階臨界轉(zhuǎn)速以下時(shí)，轉(zhuǎn)子局部受熱產(chǎn)生熱彎曲，而熱彎曲的與不平衡量的角度相差小于90°。因此，摩擦后的總不平衡量將大于原始不平衡量，使摩擦進(jìn)一步加重，轉(zhuǎn)子的熱彎曲也將繼續(xù)增大，于是總的不平衡量又要增大，使摩擦再度加重，轉(zhuǎn)子越磨越彎，形成惡性循環(huán)，最終振動(dòng)快速發(fā)散、無(wú)法控制，振幅迅速超出限值，引發(fā)機(jī)組跳機(jī)。由此可以看出，機(jī)組兩次沖轉(zhuǎn)，值班員處理比較及時(shí)，軸振尚未到報(bào)警就打閘了。盡管如此，打閘過(guò)程中振動(dòng)仍然向上發(fā)散，尤其第二次惰走時(shí)軸振超過(guò)了跳閘值。如果等到機(jī)組保護(hù)動(dòng)作跳閘，那么惰走時(shí)振動(dòng)可能會(huì)更大，極有可能造成嚴(yán)重的后果，導(dǎo)致大軸發(fā)生永久性彎曲。

3 故障處理

隨著轉(zhuǎn)子盤(pán)車(chē)運(yùn)行，轉(zhuǎn)子偏心值能夠逐漸恢復(fù)至原始值，說(shuō)明轉(zhuǎn)子只是產(chǎn)生了熱彎曲。為安全起見(jiàn)，至少盤(pán)車(chē)2小時(shí)，且轉(zhuǎn)子偏心值恢復(fù)至原始值后再進(jìn)行升速。通過(guò)控制軸振動(dòng)、保證機(jī)組運(yùn)行安全的前提下進(jìn)行“磨合”，將動(dòng)靜接觸部分磨平，使動(dòng)靜間隙逐漸合適，從而消除摩擦。

調(diào)整沖轉(zhuǎn)參數(shù)，降低主汽壓力至1.8MPa，提高再熱汽壓力至0.3Mpa；降低高壓軸封溫度至180—190℃；只保留一臺(tái)真空泵運(yùn)行，降低真空至84KPa以下。

將中速暖機(jī)轉(zhuǎn)速下調(diào)至800r/min。待振動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定且滿(mǎn)足暖機(jī)結(jié)束條件，再升速至2000r/min進(jìn)行高速暖機(jī)。升速或暖機(jī)過(guò)程中如任一軸振達(dá)到120um，瓦振達(dá)到60um，且上升較快時(shí)先進(jìn)行降速暖機(jī)，若振動(dòng)繼續(xù)增大超過(guò)150um，則機(jī)組打閘。

3.1 第三次沖轉(zhuǎn)

檢查大軸晃動(dòng)度和轉(zhuǎn)子偏心值均已恢復(fù)后，再次進(jìn)行沖轉(zhuǎn)，升速至800r/min低速暖機(jī)。暖機(jī)過(guò)程中，3X、3Y繼續(xù)爬升，19min后3X爬升至115um，3Y爬升至65um。降速至500r/min暖機(jī)，振動(dòng)并未減小，而繼續(xù)爬升，3X逐漸爬升至152um，3Y逐漸爬升至132um，且呈繼續(xù)上升趨勢(shì)。機(jī)組打閘，惰走過(guò)程中，3X最高升至154um，3Y最高升至164um。盤(pán)車(chē)投入后，DCS畫(huà)面顯示轉(zhuǎn)子偏心值為55um。

3.2 第四次沖轉(zhuǎn)

待轉(zhuǎn)子彎曲值恢復(fù)至25um后，繼續(xù)升速至900r/min進(jìn)行低速暖機(jī)。暖機(jī)過(guò)程中振動(dòng)基本上比較穩(wěn)定，保持65um以下。往后的升速、高速暖機(jī)以及工作轉(zhuǎn)速下，振動(dòng)同樣沒(méi)有再出現(xiàn)明顯異常，說(shuō)明動(dòng)靜碰磨故障已基本排除，如圖5所示。

4 結(jié)論

機(jī)組大修時(shí)，汽封間隙依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的下限進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致啟動(dòng)升速過(guò)程中發(fā)生了動(dòng)靜碰磨故障，振動(dòng)無(wú)法穩(wěn)定，迅速向上發(fā)散。如果不果斷采取措施而等保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)，則極有可能惰走時(shí)振動(dòng)繼續(xù)爬升，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，造成嚴(yán)重的后果，甚至產(chǎn)生大軸永久性彎曲。本次故障處理中，運(yùn)行人員沒(méi)有冒險(xiǎn)強(qiáng)制升速，且振動(dòng)幅值控制也比較適合，故轉(zhuǎn)子只是產(chǎn)生了熱彎曲，并沒(méi)有造成較為嚴(yán)重的后果。在進(jìn)行了四次沖轉(zhuǎn)后，最終消除了動(dòng)靜碰磨，并順利啟動(dòng)帶上負(fù)荷。

[1]張學(xué)延.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)診斷[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008：204-212.

[2]孔祥渠，宋光雄，李威.汽輪發(fā)電機(jī)組啟機(jī)過(guò)程動(dòng)靜摩擦故障分析[J]汽輪機(jī)技術(shù)，2012，第54卷第2期.

[3]陸頌元.大型機(jī)組動(dòng)靜碰磨的振動(dòng)特征及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理方法[J]中國(guó)電力，2003，第38卷第1期.