張永軍

（山西大唐國(guó)際運(yùn)城發(fā)電有限責(zé)任公司,山西運(yùn)城 044602）

1 設(shè)備現(xiàn)況

某電廠2臺(tái)600 MW汽輪機(jī)為亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽、直接空冷凝汽式機(jī)組。高中壓缸采用合缸結(jié)構(gòu)，高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子均為無(wú)中心孔合金鋼整鍛轉(zhuǎn)子，高中壓轉(zhuǎn)子和1號(hào)低壓轉(zhuǎn)子、1號(hào)低壓轉(zhuǎn)子和2號(hào)低壓轉(zhuǎn)子、2號(hào)低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子均通過聯(lián)軸器剛性聯(lián)接。每根轉(zhuǎn)子均有2個(gè)支撐軸承支撐。

2 汽輪機(jī)振動(dòng)異常情況簡(jiǎn)介

2017年1月底至3月份，分別進(jìn)行2臺(tái)汽輪機(jī)高中壓缸揭缸檢修工作，本次揭缸檢修的目的是隔板變形量的測(cè)量、隔板的金屬檢驗(yàn)、以及汽封間隙的調(diào)整。在揭缸檢修前，2臺(tái)機(jī)組歷次啟動(dòng)困難，分析原因?yàn)閱?dòng)過程中因汽封間隙小造成的徑向動(dòng)靜碰磨，該原因在本次揭缸檢查中得到了確認(rèn)。揭缸檢修后調(diào)整增大了汽封間隙，將設(shè)計(jì)公差的下限提高0.1 mm，機(jī)組啟動(dòng)正常。機(jī)組運(yùn)行2個(gè)月后，2號(hào)機(jī)組二瓦軸振逐漸開始增大，并且產(chǎn)生了振動(dòng)波動(dòng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，至6月底，二瓦軸振最大波動(dòng)至210 μm。根據(jù)振動(dòng)特征分析為二瓦外油擋的積碳碰磨，7月份停機(jī)檢查確認(rèn)了該故障原因，處理后機(jī)組運(yùn)行正常。

本文重點(diǎn)分析2臺(tái)汽輪機(jī)揭缸檢修前啟動(dòng)過程的動(dòng)靜碰磨振動(dòng)特征和2號(hào)機(jī)積碳碰磨的振動(dòng)特征。對(duì)比2種不同的碰磨現(xiàn)象，提出故障分析的要點(diǎn)、動(dòng)靜碰磨后的應(yīng)對(duì)措施和防止積垢碳化的措施。

3 汽輪機(jī)啟動(dòng)過程汽封動(dòng)靜碰磨引起的振動(dòng)

3.1 啟動(dòng)過程的振動(dòng)數(shù)據(jù)

某次汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)時(shí)，一、二瓦軸振趨勢(shì)見圖1，波德圖見圖2。振動(dòng)大時(shí)打閘停機(jī)，停機(jī)時(shí)最大振動(dòng)為 1X，253 μm；1Y，174 μm；2X，228 μm；2Y，192 μm。升速過臨界時(shí)振動(dòng)為1X，56 μm；1Y，57 μm；2X，69 μm；2Y，58 μm。惰走降速過臨界時(shí)振動(dòng)為 1X，81 μm；1Y，77 μm；2X，182 μm；2Y，177 μm。轉(zhuǎn)速到零投入車，盤車電流39 A，高中壓轉(zhuǎn)子端部撓度4絲，與啟動(dòng)前的盤車電流和撓度值相同。

圖1 汽輪機(jī)某次啟動(dòng)一、二瓦軸振趨勢(shì)圖

圖2 汽輪機(jī)某次啟停機(jī)一、二瓦軸振波德圖

3.2 振動(dòng)特征及分析

主要以高中壓轉(zhuǎn)子兩端一瓦、二瓦軸振進(jìn)行分析，具有如下特征。

a）軸振增加明顯，瓦振較小，軸振大打閘停機(jī)時(shí)，瓦振為18 μm。

b）振動(dòng)增大時(shí)，均表現(xiàn)為一倍頻分量的增大，轉(zhuǎn)子具有不平衡的特征[1]。

c）惰走降速過臨界明顯大于升速過臨界的振動(dòng)值，二瓦軸振增大最顯著，約增大了100 μm。說明轉(zhuǎn)子發(fā)生了熱變形。需要說明的是，在極個(gè)別的某次啟動(dòng)，振動(dòng)大停機(jī)惰走過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)，與升速過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的振動(dòng)無(wú)明顯差別，說明熱變形很快就恢復(fù)了正常。

d）振動(dòng)增大過程，一倍頻振動(dòng)分量的相位不穩(wěn)定，可達(dá) 30～80°的變化量。

e）中速暖機(jī)以及額定轉(zhuǎn)速振動(dòng)增大發(fā)散過程，轉(zhuǎn)子的中心位置沒有發(fā)生大的變化，說明軸瓦的承載及工作狀態(tài)正常。

f）振動(dòng)增長(zhǎng)速度較快，30 min可增大180 μm，有時(shí) 20 min 可增大 180 μm。

g）振動(dòng)增大時(shí)段多發(fā)生在剛達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，多次還發(fā)生在剛并網(wǎng)之后。

根據(jù)振動(dòng)的特征，基本確定了轉(zhuǎn)子與汽封的動(dòng)靜碰磨造成轉(zhuǎn)子熱彎曲，進(jìn)而引起振動(dòng)增大。

3.3 應(yīng)對(duì)措施

避免碰磨振動(dòng)的根本對(duì)策是在檢修中合理確定汽封間隙的調(diào)整值，當(dāng)機(jī)組已經(jīng)檢修結(jié)束投入運(yùn)行，若發(fā)生動(dòng)靜碰磨，應(yīng)從運(yùn)行手段采取相應(yīng)的措施。

根據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)溫度選擇合理沖轉(zhuǎn)參數(shù)，控制好蒸汽參數(shù)，保證汽溫不大幅波動(dòng)。

啟動(dòng)過程根據(jù)調(diào)節(jié)級(jí)溫度、高中壓缸排汽溫度選擇合理軸封供汽溫度，充分疏水暖管后再投運(yùn)。沖轉(zhuǎn)過程控制好軸封供汽溫度，嚴(yán)密監(jiān)視軸封供汽溫度，特別是高中壓軸封溫度，防止因軸封溫度突變引起軸封處動(dòng)靜碰摩。

預(yù)留充足的啟動(dòng)時(shí)間，提前對(duì)汽輪機(jī)預(yù)暖，必要時(shí)增加沖車次數(shù)使汽輪機(jī)得到充分膨脹。

優(yōu)化高壓和中壓調(diào)門的控制邏輯，合理分配高壓缸和中壓缸的進(jìn)汽量。

各瓦振動(dòng)無(wú)異常方可并網(wǎng)，在機(jī)組并網(wǎng)后延長(zhǎng)低負(fù)荷暖機(jī)時(shí)間并緩慢升負(fù)荷。

動(dòng)靜碰磨最大的危害是可能會(huì)發(fā)生大軸彎曲事故，據(jù)統(tǒng)計(jì)，彎軸事故90%是由轉(zhuǎn)軸碰磨引起的。機(jī)組啟動(dòng)中，要重點(diǎn)對(duì)高中壓轉(zhuǎn)子2個(gè)軸瓦的振動(dòng)重點(diǎn)監(jiān)視，關(guān)鍵點(diǎn)是振動(dòng)的絕對(duì)值和變化增長(zhǎng)的速率。首先過臨界轉(zhuǎn)速之前，與以往振動(dòng)對(duì)比，本次啟動(dòng)振動(dòng)的絕對(duì)值明顯較大或者增長(zhǎng)速度明顯較大，應(yīng)果斷打閘停機(jī)，因?yàn)檫^了臨界轉(zhuǎn)速再停機(jī)，惰走過程還要再經(jīng)過臨界轉(zhuǎn)速，可能造成振動(dòng)的發(fā)散失控。若已經(jīng)過了臨界轉(zhuǎn)速，當(dāng)振動(dòng)增長(zhǎng)較快時(shí)，要在低于振動(dòng)跳閘值提前打閘，防止事故的發(fā)生。

打閘停機(jī)后，根據(jù)振動(dòng)變化情況，應(yīng)及時(shí)或提前破壞真空，轉(zhuǎn)速至零及時(shí)投入盤車運(yùn)行，4 h后，撓度恢復(fù)正常值方可重新啟動(dòng)。

4 汽輪機(jī)積碳碰磨引起的振動(dòng)

4.1 積碳碰磨的振動(dòng)數(shù)據(jù)

2號(hào)汽輪機(jī)揭缸檢修后，機(jī)組啟動(dòng)正常。運(yùn)行2個(gè)月后，一至四瓦軸振產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象，其中二瓦軸振波動(dòng)量最大，隨著時(shí)間推移，振動(dòng)波動(dòng)量越來越大，至6月底，二瓦軸振最大波動(dòng)至210 μm。波動(dòng)趨勢(shì)見圖3，某2次波動(dòng)數(shù)據(jù)見表1。

4.2 振動(dòng)特征及分析

振動(dòng)變化主要表現(xiàn)在高中壓轉(zhuǎn)子和1號(hào)低壓轉(zhuǎn)子的一至四瓦上。軸振變化大，瓦振變化小，說明軸瓦緊力及軸瓦的支撐系統(tǒng)剛度是正常的，故障原因應(yīng)是轉(zhuǎn)子激振力變化引起的。

每次變化時(shí)間約0.5～2 h，且振動(dòng)變化后均恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。每次變化時(shí)，一倍頻振動(dòng)變化的角度基本一致，只是大小的不同，說明故障的角度基本恒定。

從振動(dòng)大小初步分析故障的軸向位置，應(yīng)該距離二瓦較近。

振動(dòng)變化是可逆的，并且振動(dòng)是緩慢變化的，應(yīng)排除轉(zhuǎn)子上零部件的故障。振動(dòng)與負(fù)荷變化無(wú)明顯關(guān)系，與中低對(duì)輪螺栓的連接緊力無(wú)關(guān)。

振動(dòng)與負(fù)荷、調(diào)門開度變化也無(wú)直接關(guān)系，振動(dòng)變化以一倍頻為主，低倍頻的分量很小，說明振動(dòng)變化不是自激振蕩引起的。

振動(dòng)波動(dòng)時(shí)，軸瓦烏金溫度沒有發(fā)生變化，說明軸瓦的載荷沒有變化。

圖3 波動(dòng)趨勢(shì)圖

圖4 汽機(jī)二瓦外油擋積垢碳化現(xiàn)場(chǎng)圖片

振動(dòng)變化時(shí)，蒸汽參數(shù)、軸封蒸汽溫度、真空、油溫、軸向位移、脹差等參數(shù)均無(wú)明顯變化，振動(dòng)具有偶發(fā)性。但隨著時(shí)間的推移，偶發(fā)次數(shù)越來越多。

根據(jù)振動(dòng)特征，基本確定動(dòng)靜碰磨使轉(zhuǎn)子臨時(shí)熱彎曲造成振動(dòng)的不穩(wěn)波動(dòng)。查閱多個(gè)參考文獻(xiàn)的案例，診斷結(jié)論為二瓦外油擋積垢碳化碰磨故障，7月份停機(jī)檢查確認(rèn)了該故障原因，與之前的分析一致，處理后機(jī)組運(yùn)行正常。

表1 過熱器不同工況主要參數(shù)

4.3 防范措施

外油擋積垢碳化，必須具有一定的條件、且需要一段時(shí)間才會(huì)發(fā)生，具有以下特點(diǎn)[2]。

a)積垢碳化的條件：首先要有灰塵，再者外油擋漏油或者有油煙，最后是在高溫作用下逐步形成。

b)時(shí)間：密封齒間積垢碳化是逐漸形成的，一般在機(jī)組檢修后連續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間之后才出現(xiàn)，短則數(shù)月即可發(fā)生，長(zhǎng)則數(shù)年之后才發(fā)生。

c)油擋積垢碳化易出現(xiàn)在高中壓轉(zhuǎn)子部分，即溫度較高的軸段，當(dāng)然也有其他位置的個(gè)別案例。一般油污垢在高溫環(huán)境中才會(huì)碳化，才會(huì)形成質(zhì)地堅(jiān)硬的碳化物。

針對(duì)積垢碳化的特點(diǎn)，建議采取以下防范措施。

a)軸承箱油擋與高中壓缸保溫之間應(yīng)有必要的空隙，一方面減弱高溫傳導(dǎo)，另一方面避免灰塵進(jìn)入油擋。

b)要保證外油擋周圍環(huán)境的清潔。在進(jìn)行保溫工作時(shí)潤(rùn)滑油系統(tǒng)要停運(yùn)，尤其是不讓軸承箱內(nèi)形成負(fù)壓。保溫工作結(jié)束后，使用負(fù)壓吸塵將油擋周圍附近的灰塵和保溫碎屑徹底清理干凈。還要將汽輪機(jī)軸承箱表面及汽輪機(jī)周圍的灰塵清理干凈。

c)優(yōu)化油擋泄油孔的孔徑和數(shù)量的設(shè)計(jì)，保證回油的通暢。

d)提高檢修質(zhì)量，防止軸瓦油封環(huán)漏油。

e)運(yùn)行中調(diào)整維持主油箱負(fù)壓在最優(yōu)狀態(tài)，既要避免油煙通過外油擋溢出，又要減少灰塵進(jìn)入軸承箱油擋。

f)正常運(yùn)行期間，要保持高中壓缸化妝板內(nèi)密閉空間衛(wèi)生的清潔。

5 兩種碰磨故障振動(dòng)特征比較

汽封動(dòng)靜碰磨和積碳動(dòng)靜碰磨的機(jī)理均為，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了臨時(shí)的熱彎曲造成振動(dòng)的增大，振動(dòng)特征有如下相同之處。

a)頻譜均是以一倍頻為主。

b)振動(dòng)相位均不穩(wěn)定。

c)一般軸振幅值大于瓦振。

兩種碰磨的區(qū)別。

a)積垢碳化發(fā)生在機(jī)組正常運(yùn)行中。汽封動(dòng)靜碰磨在啟動(dòng)中容易發(fā)生，也有運(yùn)行中發(fā)生的。

b)積碳碰磨振動(dòng)是波動(dòng)的，具有可恢復(fù)性，波動(dòng)特征具有重復(fù)性。汽封動(dòng)靜碰磨有時(shí)是波動(dòng)的，有時(shí)是發(fā)散的，沒有規(guī)律性。

c)每次積碳碰磨一倍頻振動(dòng)變化角度基本一致。汽封動(dòng)靜碰磨相位變化比較隨機(jī)。

d)積碳碰磨振動(dòng)是緩慢變化的。汽封動(dòng)靜碰磨振動(dòng)變化較快。

e)汽封動(dòng)靜碰磨受蒸汽參數(shù)的影響較大。積碳碰磨與機(jī)組運(yùn)行參數(shù)無(wú)關(guān)。

f)積碳碰磨具有隨機(jī)的偶發(fā)性。汽封動(dòng)靜碰磨不具有這種特性。

g)積碳碰磨隨著時(shí)間天數(shù)的推移，越來越嚴(yán)重。汽封動(dòng)靜碰磨不具有這種特性。

h)一旦發(fā)生積碳碰磨，無(wú)法自行消失，也無(wú)相應(yīng)的運(yùn)行手段，只能停機(jī)處理。汽封動(dòng)靜碰磨可以通過運(yùn)行的手段逐步磨汽封而減輕甚至消除癥狀。

i)汽封動(dòng)靜碰磨一旦控制不好，有可能會(huì)造成轉(zhuǎn)子永久彎曲事故。積碳碰磨發(fā)展緩慢，目前尚無(wú)造成轉(zhuǎn)子永久彎曲事故的報(bào)道。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過2種不同碰磨故障的比較分析，并提出了防范和應(yīng)對(duì)措施，對(duì)同類型震動(dòng)故障的分析處理有參考借鑒意義。

參考文獻(xiàn):

[1] 施維新.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)及事故 [M].北京：中國(guó)電力出版社，2008:104-124.

[2] 張衛(wèi)軍,曹作旺.汽輪機(jī)油擋積垢碳化摩擦振動(dòng)的診斷 [J].熱力透平，2011(4):282-285.