馬 驥，李勇紅，尚海龍

(烏蘭察布市宏大實(shí)業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 013650)

0 概況

某電廠2×350 MW機(jī)組汽輪機(jī)為東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的亞臨界、一次中間再熱、高中合缸、單軸雙排汽、直接空冷抽汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為CZK350-16.7/538/538。

汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子組成一個(gè)軸系，整個(gè)軸系為6個(gè)軸承支撐，所有軸承均落地布置。其中汽輪機(jī)軸承4個(gè)，發(fā)電機(jī)軸承2個(gè)，汽輪機(jī)的1號(hào)和2號(hào)軸承為可傾瓦軸承，3號(hào)、4號(hào)以及發(fā)電機(jī)軸承均為橢圓瓦軸承。

2號(hào)機(jī)組于2016年5月開始整套啟動(dòng)試運(yùn)行。在試運(yùn)期間，對(duì)各軸瓦的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，高中壓轉(zhuǎn)子1，2號(hào)軸振在大負(fù)荷期間振動(dòng)很不穩(wěn)定，存在較大波動(dòng)，且振動(dòng)的波動(dòng)與高調(diào)門開度和負(fù)荷的大小關(guān)系密切。

1 振動(dòng)情況及振動(dòng)特征

1.1 振動(dòng)情況

2016-06-13T09:40，2號(hào)機(jī)組帶負(fù)荷340 MW試運(yùn)時(shí)，機(jī)組1，2號(hào)軸承振動(dòng)突增。振動(dòng)數(shù)據(jù)如表1所示。

1.2 振動(dòng)特征

機(jī)組振動(dòng)出現(xiàn)突增屬于非正?，F(xiàn)象，通過汽輪機(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)(turbine dignosis managment，TDM)調(diào)取當(dāng)時(shí)機(jī)組振動(dòng)出現(xiàn)異常前后的振動(dòng)頻譜，如圖1，2所示。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)未出現(xiàn)異常時(shí)，機(jī)組振動(dòng)主要來源于1倍頻的振動(dòng)，且最高的1Y振動(dòng)通頻值僅為15 μm。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)出現(xiàn)異常時(shí)，機(jī)組1號(hào)和2號(hào)軸振及瓦振都是1/2倍頻的振幅突增，且最高的1Y振動(dòng)通頻值已超過60 μm。

表1 2號(hào)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)

2 振動(dòng)故障原因分析

分析2號(hào)汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子1號(hào)和2號(hào)軸承在大負(fù)荷時(shí)發(fā)生的不穩(wěn)定振動(dòng)，可知其振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速頻率不符，屬于低頻振動(dòng)。在汽輪發(fā)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行中，軸系產(chǎn)生突發(fā)性低頻振動(dòng)的原因主要有軸承油膜振蕩和汽流激振2類。二者均屬于不穩(wěn)定自激振動(dòng)。

油膜振蕩只有在機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速大于2倍轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的情況下才可能發(fā)生。當(dāng)轉(zhuǎn)速升至2倍臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，渦動(dòng)頻率非常接近轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速，因此產(chǎn)生共振而引起很大的振動(dòng)。通常一旦發(fā)生油膜振蕩，無論轉(zhuǎn)速繼續(xù)升至多少，渦動(dòng)頻率將始終保持為轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速頻率。

圖1 振動(dòng)前頻譜

圖2 振動(dòng)后頻譜

汽流激振一般發(fā)生在大功率汽輪機(jī)的高中壓轉(zhuǎn)子上。當(dāng)發(fā)生汽流激振時(shí)，其主要特點(diǎn)是振動(dòng)對(duì)負(fù)荷非常敏感，且一般發(fā)生在較高負(fù)荷。通常存在1個(gè)門檻負(fù)荷，超過此負(fù)荷，會(huì)立即激發(fā)汽流激振;而當(dāng)負(fù)荷降低至某一數(shù)值時(shí)，振動(dòng)立即恢復(fù)正常，有較好的重復(fù)性。振動(dòng)的頻率與轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速頻率相吻合。在絕大多數(shù)情況下(汽流激振不太嚴(yán)重)振動(dòng)頻率以半頻分量為主。當(dāng)發(fā)生汽流激振時(shí)，僅改變軸承設(shè)計(jì)并不能消除振動(dòng);只有改進(jìn)汽封通流部分的設(shè)計(jì)，調(diào)整安裝間隙，較大幅度地降低負(fù)荷或改變主蒸汽進(jìn)汽調(diào)節(jié)汽閥的開啟順序等，才能解決問題。

該機(jī)組屬于大容量、高參數(shù)、亞臨界機(jī)組。1，2號(hào)瓦為可傾瓦軸承，軸瓦本身的穩(wěn)定性較好；高中壓轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速為1 698 r/min，工作轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，小于2倍的一階臨界轉(zhuǎn)速，因此汽輪機(jī)的低頻振動(dòng)不屬于油膜振動(dòng)。而1，2號(hào)瓦不穩(wěn)定振動(dòng)頻率(約1/2倍頻)與高中壓轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速一致，不穩(wěn)定振動(dòng)隨負(fù)荷的變化特征具有較好的重復(fù)性，并且這種不穩(wěn)定低頻振動(dòng)同時(shí)發(fā)生在高中壓轉(zhuǎn)子的2個(gè)軸瓦上。由此判斷，機(jī)組振動(dòng)是由汽流激振引起的。

3 汽流激振的情況分析

3.1 產(chǎn)生機(jī)理

汽流激振產(chǎn)生的原因主要有2個(gè)：一是由于調(diào)節(jié)閥開度以及開啟順序的原因，高壓蒸汽產(chǎn)生了一個(gè)向上抬起轉(zhuǎn)子的力，從而減少了軸承比壓，使軸承失穩(wěn)；二是由于葉頂徑向間隙不均勻產(chǎn)生的切向分力，以及端部軸封內(nèi)氣體流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的切向分力，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了自激振動(dòng)。

對(duì)2號(hào)機(jī)高壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行閥門開度對(duì)振動(dòng)影響的試驗(yàn)。HPGV1，HPGV2，HPGV3，HPGV4開度對(duì)1號(hào)和2號(hào)軸承振動(dòng)影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別如表2，3，4，5所示。

表2 HPGV1開度對(duì)軸振的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 HPGV2開度對(duì)軸振的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 HPGV3開度對(duì)軸振的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 HPGV4開度對(duì)軸振的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 分析結(jié)論

通過各個(gè)高調(diào)閥開度對(duì)機(jī)組振動(dòng)影響的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，將3號(hào)高調(diào)閥開度逐漸開大至36 %時(shí)，機(jī)組振動(dòng)會(huì)突然增大；此時(shí)再將3號(hào)高調(diào)閥開度關(guān)小至29 %時(shí)，機(jī)組振動(dòng)會(huì)突然減小。因此，判定引起2號(hào)機(jī)組振動(dòng)的原因應(yīng)該是3號(hào)高調(diào)閥開度在一定值時(shí)導(dǎo)致機(jī)組汽流激振。

3.3 處理措施

針對(duì)以上現(xiàn)象，在機(jī)組試運(yùn)行期間將3號(hào)高調(diào)閥開度限制在34 %。采取此措施后整個(gè)試運(yùn)期間機(jī)組再未出現(xiàn)振動(dòng)突增現(xiàn)象，問題得以解決，機(jī)組振動(dòng)保持在正常水平。

4 汽流激振處理對(duì)策

4.1 調(diào)整運(yùn)行方式

高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生汽流激振與負(fù)荷有關(guān)，而最直接的關(guān)系就是高壓調(diào)節(jié)閥的開啟、關(guān)閉順序和開度。因此，可采取以下幾個(gè)調(diào)整方法。

(1) 2號(hào)機(jī)組發(fā)生汽流激振可通過限制3號(hào)高壓調(diào)節(jié)閥開度得以控制。經(jīng)DEH閥門管理組態(tài)邏輯分析得出，單閥控制下機(jī)組1—4號(hào)高調(diào)閥接受流量指令后以相同的開度開啟；順閥控制下機(jī)組先開啟1，2高調(diào)閥直至全開，流量指令繼續(xù)增大開啟3，4號(hào)高調(diào)閥。因此，改變進(jìn)汽方式(由單閥方式改為順閥方式)可緩解汽流激振。但由于2號(hào)機(jī)組投運(yùn)未達(dá)半年以上，沒有對(duì)其進(jìn)行進(jìn)汽方式的切換。

(2) 調(diào)整高壓調(diào)節(jié)閥的開啟次序。根據(jù)現(xiàn)場觀察及試驗(yàn)驗(yàn)證，減小3號(hào)高調(diào)閥的開度對(duì)抑制汽流激振有利。故可將進(jìn)汽次序由“Ⅰ+Ⅱ→Ⅲ→Ⅳ”改為“Ⅰ+Ⅱ→Ⅳ→Ⅲ”，避免3號(hào)高調(diào)閥的開啟。經(jīng)廠家確認(rèn)后，對(duì)高壓調(diào)節(jié)閥的開啟次序進(jìn)行了調(diào)整，改為“Ⅰ+Ⅱ→Ⅳ→Ⅲ”開啟次序。

(3) 由于4號(hào)高調(diào)閥與3號(hào)高調(diào)噴嘴相對(duì)，高壓缸調(diào)速汽閥排列順序如圖3所示，故認(rèn)為增大4號(hào)高調(diào)閥的開度對(duì)抑制汽流激振有一定的作用。表6，表7示出了高調(diào)門開啟次序調(diào)整為“Ⅰ+Ⅱ→Ⅳ→Ⅲ”前后的抽振動(dòng)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述判斷。

圖3 高壓缸調(diào)速汽閥排列順序

表6 高調(diào)閥開啟次序修改前的軸振

表7 高調(diào)閥開啟次序修改后的軸振

4.2 減小汽流激振力

減小汽流激振力是消除汽流激振的根本性措施。產(chǎn)生汽流激振力的根源是高中壓轉(zhuǎn)子在汽缸中的位置存在偏斜，動(dòng)葉圍帶汽封、隔板汽封以及軸端汽封處的間隙在圓周方向存在不均勻。這可以在停機(jī)檢修時(shí)進(jìn)行檢查并調(diào)整。

5 結(jié)論

(1) 機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子在高負(fù)荷時(shí)發(fā)生的半頻分量振動(dòng)屬于低頻振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速頻率相吻合，屬于汽流激振。汽流激振與機(jī)組負(fù)荷大小密切相關(guān)，有較好的重復(fù)性，可通過較大幅度地降低負(fù)荷作為消除汽流激振的應(yīng)急措施。

(2) 運(yùn)行中，研究并采用對(duì)機(jī)組擾動(dòng)最小的調(diào)閥運(yùn)行方式，使機(jī)組汽流激振得到了較大的抑制。

(3) 在制造廠家的配合下，可以考慮改變高壓調(diào)節(jié)閥的進(jìn)汽方式，同時(shí)修改DEH閥門管理函數(shù)曲線，使其實(shí)現(xiàn)較好的調(diào)節(jié)閥開啟順序和開度。

(4) 在機(jī)組檢修時(shí)，盡量將轉(zhuǎn)子與汽缸的間隙控制在合理范圍內(nèi)，并保證軸向均勻、軸封及隔板套間隙合適，防止漏氣不均勻?qū)е罗D(zhuǎn)子汽流激振；也可通過減小1，2號(hào)軸瓦頂部間隙，調(diào)整1，2號(hào)軸承坐標(biāo)高來解決振動(dòng)問題。

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