安宗武，孟穎琪，劉超，李長海，吳忠勝

(1.西安熱工研究院有限公司，西安 710032； 2.深能保定發(fā)電有限公司，河北 保定 072150)

1 設(shè)備概況

某電廠350 MW級供熱機(jī)組是哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司首次采用高、中壓分缸結(jié)構(gòu)的機(jī)型，低壓缸進(jìn)汽采用360°蝸殼式全周進(jìn)汽方式。為進(jìn)一步提高汽輪機(jī)缸效率，高、中壓缸通流部分應(yīng)用了小間隙汽封、多級小隔板套結(jié)構(gòu)等新技術(shù)，其中高壓轉(zhuǎn)子1～6級葉頂汽封采用刷式汽封，剩余部分和中、低壓轉(zhuǎn)子葉頂汽封采用鑲片式不可調(diào)整汽封，高、中壓缸靜葉圍帶噴涂可磨耗涂層，以進(jìn)一步減小徑向間隙。

使用新型汽封后，汽輪機(jī)通流部分的軸向和徑向間隙比常規(guī)機(jī)組顯著縮小，依據(jù)設(shè)計(jì)和小間隙啟動(dòng)報(bào)告[1]，在汽輪機(jī)啟動(dòng)過程中允許動(dòng)、靜部件輕微摩擦而不會(huì)引起過大的振動(dòng)，同時(shí)也不會(huì)磨損轉(zhuǎn)子表面。

2 機(jī)組軸系及臨界轉(zhuǎn)速

機(jī)組軸系由高壓、中壓、低壓、發(fā)電機(jī)4根轉(zhuǎn)子構(gòu)成，采用“N+1”支撐方式，為落地式軸承座，各轉(zhuǎn)子之間均通過聯(lián)軸器剛性連接。高壓與低壓轉(zhuǎn)子兩端各有一個(gè)軸承支撐，采用四瓦塊可傾瓦式軸承；中壓轉(zhuǎn)子無支承，電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端為橢圓瓦軸承支撐。推力軸承布置在#2軸承處的高壓轉(zhuǎn)子上，是整個(gè)軸系的相對死點(diǎn)。機(jī)組臨界轉(zhuǎn)速見表1，軸系組成如圖1所示。

3 機(jī)組振動(dòng)情況

2017年11月28日，#1機(jī)組首次沖轉(zhuǎn)，歷經(jīng)20h的多次沖轉(zhuǎn)、磨合，定速3 000 r/min，完成空負(fù)荷和電氣并網(wǎng)前的試驗(yàn)后進(jìn)入帶負(fù)荷試運(yùn)行階段。在此期間，機(jī)組共出現(xiàn)了9次因軸瓦振動(dòng)過大被迫打閘停機(jī)的故障，其中沖轉(zhuǎn)過程中因#1瓦、#2瓦、#6瓦軸振大保護(hù)跳機(jī)6次，帶負(fù)荷期間因#2瓦軸振大保護(hù)跳機(jī)3次。機(jī)組振動(dòng)問題已嚴(yán)重制約了試運(yùn)行進(jìn)度，危及設(shè)備安全。

表1 軸系臨界轉(zhuǎn)速 r/min

圖1 機(jī)組軸系示意

汽輪機(jī)首次沖轉(zhuǎn)前主蒸汽壓力為5.5 MPa、溫度為417 ℃，再熱蒸汽壓力為0.40～0.80 MPa、溫度為420 ℃，凝汽器真空度為-89 kPa，潤滑油溫度為38 ℃，軸封母管蒸汽溫度約為280 ℃，偏心28 mm。

3.1 碰摩振動(dòng)

2017-11-28 T 01:24，汽輪機(jī)冷態(tài)沖轉(zhuǎn)，升速率為100 r/min，至500 r/min時(shí)打閘摩擦檢查無異常，升速至600 r/min低速暖機(jī)約40 min，此過程機(jī)組各軸瓦振動(dòng)均正常。02:41，機(jī)組繼續(xù)升速至933 r/min時(shí)，#6瓦軸振6X從15 μm升至192 μm，6Y從14 μm升至205 μm，手動(dòng)打閘停機(jī)。降速至800 r/min時(shí)，#6瓦軸振6X為28 μm，6Y為33 μm，軸振明顯下降。轉(zhuǎn)速到零后投入連續(xù)盤車。

03:20，機(jī)組沖轉(zhuǎn)，升速過程中，在1 300，1 418r/min轉(zhuǎn)速下，#2瓦軸振2X從57 μm快速升至392 μm，2Y從55 μm快速升至307 μm，同時(shí)#3瓦軸振3X從16 μm爬升至283 μm，3Y從14 μm爬升至192 μm，因機(jī)組軸振過大保護(hù)動(dòng)作跳閘2次。跳閘后，隨著轉(zhuǎn)速的下降振動(dòng)幅值也緩慢下降，但轉(zhuǎn)速降至218 r/min時(shí)，#3瓦軸振出現(xiàn)了攀升又回落的現(xiàn)象。

從圖1可見，勵(lì)磁機(jī)小軸是和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸鑄造，沒有設(shè)計(jì)穩(wěn)定軸承，外伸端載荷較輕，有一定的晃動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)密封油溫度低，密封瓦在一階臨界轉(zhuǎn)速前出現(xiàn)振動(dòng)突變，#6瓦應(yīng)為早期碰摩。

由于該機(jī)組高、中壓通流部分采用了小間隙、多級小隔板和靜葉圍帶可磨涂層技術(shù)，不但軸向和徑向動(dòng)靜間隙小，而且涂層需要不斷磨合，很容易發(fā)生碰摩。從升速過程中#2，#3瓦的振動(dòng)頻譜和趨勢圖可以看出，振動(dòng)以基頻成分為主，相位變化大，振幅波動(dòng)大于30 μm；跳閘后轉(zhuǎn)速下降過程中，振動(dòng)較大且幅值下降緩慢，有抖動(dòng)趨勢，判斷轉(zhuǎn)軸發(fā)生了徑向、軸向碰摩[2]。

根據(jù)汽輪機(jī)小間隙汽封特點(diǎn)，若暖機(jī)不充分、涂層磨合時(shí)間短，則容易發(fā)生碰摩，必須采取應(yīng)對措施。(1)分別在600，800，1 000 r/min停留約10 min，監(jiān)測軸振變化趨勢并階梯升速，然后快速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域；(2)修改汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)高、中壓缸流量控制曲線，由轉(zhuǎn)速計(jì)算的流量指令按照 3∶1的閥位比例分配給高、中壓閥門，增大高壓缸流量以提升暖機(jī)效果，盡量減小因膨脹不良而產(chǎn)生的動(dòng)靜碰摩；(3)及時(shí)調(diào)整軸封供汽的溫度在正常范圍內(nèi)，避免因軸封溫度過高引起局部膨脹而產(chǎn)生碰摩；(4)提高發(fā)電機(jī)密封油溫度，降低黏度，增強(qiáng)油的流動(dòng)性，使密封瓦膨脹，增大與轉(zhuǎn)軸之間的間隙，減少碰摩的幾率。

采取上述措施后汽輪機(jī)再次沖轉(zhuǎn)，#2，#3，#6軸瓦振動(dòng)良好。

3.2 振動(dòng)測量支架共振

機(jī)組沖轉(zhuǎn)過程中，過臨界區(qū)時(shí)，在2 242，2 233，2 284 r/min轉(zhuǎn)速下，#1瓦軸振振幅分別突升至跳閘值以上約2 s，振動(dòng)波形較陡，導(dǎo)致機(jī)組因振動(dòng)過大保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。此振動(dòng)出現(xiàn)在臨界區(qū)附近，突升時(shí)間很短，波峰很大，但又能很快恢復(fù)至正常值，3次振幅突升時(shí)的轉(zhuǎn)速也很接近。查看頻譜圖，突升發(fā)生時(shí)相位穩(wěn)定，基頻分量不大，因此可排除碰摩，應(yīng)該與測量裝置元件共振有關(guān)。

檢查測量裝置，測量該機(jī)組#1，#2，#3瓦的軸振時(shí)，是將電渦流傳感器固定在支架上，支架又固定在軸承座上，由于固定支架剛度不足，在臨界區(qū)發(fā)生了共振，出現(xiàn)了較強(qiáng)的振動(dòng)突變。利用停機(jī)機(jī)會(huì)打開軸承上蓋，對固定支架采取了加厚、拉筋等加強(qiáng)措施，有效解決了支架共振問題。另外，將機(jī)組啟動(dòng)程序的臨界區(qū)調(diào)整為1 350～2 350 r/min(原設(shè)定為1 000～2 200 r/min)，使之在2 200 r/min左右能快速通過從而避免共振。采取上述措施后，沖轉(zhuǎn)過程中#1瓦再未出現(xiàn)過振幅突變問題，振動(dòng)水平良好。

11月28日，從啟動(dòng)到定速歷時(shí)20多h，經(jīng)充分暖機(jī)和較長時(shí)間的靜葉圍帶涂層磨合，軸向和徑向間隙適應(yīng)性不斷改善，碰摩逐漸減輕直至消失。2017-11-28 T 22:05，汽輪機(jī)定速3 000 r/min穩(wěn)定運(yùn)行，振動(dòng)為優(yōu)良水平，各軸瓦振動(dòng)值見表2。

表2 各軸承振動(dòng)數(shù)據(jù) μm

3.3 中壓缸膨脹不良

2017-12-01 T 03:40，機(jī)組首次并網(wǎng)帶初負(fù)荷，各軸瓦振動(dòng)正常。帶80 MW負(fù)荷運(yùn)行13 h后，#2瓦軸振2X,2Y分別從95,85 μm開始緩慢爬升。17:28，#2瓦軸振2X升至261 μm，2Y升至212 μm，機(jī)組振動(dòng)大保護(hù)跳閘，#3瓦軸振也升至125 μm和112 μm報(bào)警值。

12月3—4日，機(jī)組并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行，在170，220 MW負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，#2瓦軸振緩慢爬升至跳閘值被迫停機(jī)。

從帶負(fù)荷運(yùn)行情況分析：首先，振動(dòng)爬升過程中運(yùn)行參數(shù)沒有做大的調(diào)整，但是隨著帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間的延長，振動(dòng)出現(xiàn)了大幅爬升、回落的不穩(wěn)定現(xiàn)象，由頻譜分析可知，振動(dòng)主要為基頻分量，并且振幅波動(dòng)具有隨機(jī)性；其次，帶負(fù)荷階段#3高壓加熱器和四段抽汽的投退對振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此初步判斷，振動(dòng)增大的原因可能是中壓缸膨脹不良引起了徑向碰摩[3]。

通過排查中壓缸及相關(guān)聯(lián)的管道系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)隨著帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間增加和汽溫升高，中壓缸前后貓爪出現(xiàn)了一定的間隙，汽缸被輕微抬起，低壓旁路管道和再熱管道向爐側(cè)的位移量也超過了設(shè)計(jì)值。貓爪出現(xiàn)間隙的原因可能是中壓缸膨脹受阻而引起了變形，低壓旁路管道和再熱管道向爐側(cè)位移量超標(biāo)可能是再熱管道異常膨脹引起的。依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求，檢查了與中壓缸相關(guān)的抽汽管道、再熱蒸汽管道、再熱主汽門與汽缸本體，以及各部位的變力和恒力彈簧支吊架的工作狀態(tài)等，逐項(xiàng)排查影響中壓缸膨脹的因素。

汽輪機(jī)和鍋爐之間通過主、再熱管道相連，兩者相對獨(dú)立膨脹，不會(huì)相互影響，由于汽輪機(jī)管道較短，膨脹量小，相對于爐側(cè)，汽輪機(jī)為相對死點(diǎn)，但也允許鍋爐少量膨脹(設(shè)計(jì)值)向汽機(jī)側(cè)移動(dòng)。由于管道安裝過程中管線形態(tài)、位置以及支吊架等部件的性能可能發(fā)生一定變化，造成管道局部區(qū)域應(yīng)力增大、對端點(diǎn)推力增大等，機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間后管系的膨脹問題才能暴露出來?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，再熱管道設(shè)計(jì)了爐側(cè)向機(jī)側(cè)的單向限位支架，而實(shí)際是低壓旁路管道和再熱管道向爐側(cè)偏移，偏移量超出了設(shè)計(jì)值，判斷為再熱管道出現(xiàn)了異常膨脹[4]。停機(jī)后待機(jī)組和管道完全冷卻，恢復(fù)至初始值，經(jīng)設(shè)計(jì)人員重新核算，將再熱管道設(shè)置雙向限位支架，保證汽輪機(jī)和鍋爐在允許的范圍內(nèi)相對膨脹，消除相互牽引。

檢查再熱主汽門與中壓缸的膨脹情況，再熱主汽門與中壓缸為一體連接，汽門底部設(shè)有恒力彈簧支架，汽門蒸汽出口通過導(dǎo)汽管與汽缸下進(jìn)汽口相連，因此汽缸受熱膨脹時(shí)主汽門的膨脹方向應(yīng)與汽缸膨脹方向一致。由于主機(jī)廠提供給恒力彈簧廠家的再熱主汽門膨脹方向有誤，導(dǎo)致恒力彈簧出廠時(shí)冷態(tài)調(diào)節(jié)的位置為熱態(tài)位，中壓缸熱態(tài)膨脹后，彈簧不能與主汽門同方向移動(dòng)，反而使主汽門成為膨脹的死點(diǎn)，中壓缸向下膨脹的力通過導(dǎo)汽管反作用在汽缸上，影響汽缸向下膨脹。查明原因后重新調(diào)整了恒力彈簧的冷、熱態(tài)位置。

檢查抽汽管道，發(fā)現(xiàn)四抽管道底部遺留有施工時(shí)的臨時(shí)支架未拆除，也影響了汽缸向下膨脹，隨即聯(lián)系安裝人員將其拆除。

另外，#2瓦帶負(fù)荷后振幅波動(dòng)且隨運(yùn)行時(shí)間的延長爬升，除有中壓缸膨脹不良導(dǎo)致碰摩的原因外，還存在2倍頻、3倍頻分量，應(yīng)該有較大的熱不平衡力。經(jīng)過現(xiàn)場高速動(dòng)平衡校正，在#2瓦對輪處加裝了575 g配重，基本消除了熱不平衡力。

經(jīng)過上述處理后機(jī)組再次啟動(dòng)，帶負(fù)荷至320 MW時(shí)各軸瓦振動(dòng)水平優(yōu)良，振動(dòng)數(shù)據(jù)見表3。

表3 各軸承振動(dòng)數(shù)據(jù) μm

3.4 汽流激振

當(dāng)#1機(jī)組繼續(xù)升負(fù)荷到大于330 MW時(shí)，#1瓦振動(dòng)明顯逐步升高，1X升至110 μm，1Y升至108 μm，降負(fù)荷至300 MW時(shí)振動(dòng)又恢復(fù)至正常值。從頻譜分析可知，振動(dòng)發(fā)生時(shí)為低頻振動(dòng)，以0.75倍頻為主且重復(fù)性明顯。根據(jù)振動(dòng)機(jī)理和經(jīng)驗(yàn)[5]，可以判斷為典型的汽流激振。消除汽流激振的措施主要有4個(gè)方面：(1)調(diào)整汽缸和轉(zhuǎn)子中心，避免運(yùn)行中轉(zhuǎn)子和汽缸中心發(fā)生明顯偏移；(2)增大轉(zhuǎn)子與隔板之間的軸向間隙，減少汽流渦動(dòng)的激振力；(3)改變調(diào)節(jié)閥的開啟順序，避免轉(zhuǎn)子在單側(cè)蒸汽力作用下發(fā)生明顯的徑向偏移和在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生不平衡力矩；(4)采用穩(wěn)定性較好的軸瓦。

考慮到該機(jī)組尚在試運(yùn)行階段，不方便調(diào)整汽缸和轉(zhuǎn)子中心，軸瓦采用可傾瓦，一般來說穩(wěn)定性較好，該機(jī)組小間隙汽封多級小隔板結(jié)構(gòu)已無法改變，因此只有將當(dāng)前單閥控制方式改為順序閥控制方式比較方便。在取得廠方代表同意后，轉(zhuǎn)換為順序閥(閥序?yàn)?—3—2—4)運(yùn)行，機(jī)組順利升負(fù)荷至350 MW，各軸瓦振動(dòng)水平優(yōu)良。

4 低壓缸軸端帶水

在投運(yùn)初期及正常運(yùn)行過程中，低壓軸封經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)汽封帶水問題，根據(jù)現(xiàn)場處理經(jīng)驗(yàn)[6]，一般出現(xiàn)此類情況的原因是低壓軸封減溫減壓器噴嘴堵塞導(dǎo)致霧化能力差或低壓軸封供汽溫降大。檢查減溫減壓器噴嘴并未堵塞，排除霧化差的原因，應(yīng)該是低壓軸封供汽管道的溫降太大和軸封回汽不暢所致。低壓軸封兩端的供汽、回汽管道都是穿過凝汽器后將蒸汽送到軸端的，凝汽器的冷卻使汽封溫降太大，到軸端后已沒有過熱度；另外，軸封壓力升高后軸端冒汽，低壓軸封回汽管道沿程爬坡較大，而且疏水在靠近軸封冷卻器側(cè)，容易在U形彎處積水形成水塞，導(dǎo)致回汽不暢。原因查明后，將低壓軸封穿過凝汽器的管道加裝隔熱套管，減少蒸汽溫降，提高過熱度；同時(shí)，在回汽管道的最低點(diǎn)增設(shè)疏水防止水塞，采取相應(yīng)措施后，低壓軸封運(yùn)行正常。

5 高壓缸軸端漏汽

#1機(jī)組軸封自密封后，發(fā)現(xiàn)高壓缸汽封兩端蒸汽外漏，而且隨著負(fù)荷的升高愈加嚴(yán)重。軸封自密封后輔汽供汽閥關(guān)閉，高、中壓軸封漏汽作為低壓軸封的供汽，通過溢流閥來調(diào)節(jié)軸封的壓力。發(fā)現(xiàn)軸端漏汽后開大溢流閥的開度降低軸封壓力，但蒸汽外漏并沒有減輕，而且軸封供汽母管的溫度也從280 ℃逐漸升高到400 ℃，分析認(rèn)為汽封出現(xiàn)異常。

該機(jī)組高壓缸設(shè)計(jì)有內(nèi)外缸夾層漏汽至再熱冷段，第1級汽封漏汽至四段抽汽，軸端為軸封的供、回汽管道，自密封后軸封母管溫度異常升高，確定有其他漏汽經(jīng)軸封躥至軸端，導(dǎo)致軸封回汽流量增大，從軸端冒出。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，在第1級汽封漏汽至四段抽汽的管道上加裝了性能試驗(yàn)用節(jié)流孔板，導(dǎo)致漏汽無法順暢流動(dòng)至四段抽汽，通過軸封躥出，造成軸封母管溫度升高并外漏。查明原因后，利用停機(jī)的機(jī)會(huì)，取消節(jié)流孔板。機(jī)組再次啟動(dòng)帶負(fù)荷試運(yùn)行，軸封自密封后高壓缸軸端蒸汽外漏故障消除，軸封溫度正常。

6 結(jié)論

哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的新型350 MW高、中壓分缸供熱機(jī)組，在汽輪機(jī)高、中壓缸通流部分采用小間隙、多級小隔板套結(jié)構(gòu)，并在隔板汽封應(yīng)用了可磨涂層等新技術(shù)，汽輪機(jī)的軸向和徑向間隙大大減小，提高了缸效率，但也給汽輪機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行帶來一定的問題，冷態(tài)啟動(dòng)工況復(fù)雜且時(shí)間很長，正常運(yùn)行中還會(huì)發(fā)生碰摩，出現(xiàn)隨機(jī)性的振動(dòng)。運(yùn)行人員需要不斷摸索總結(jié)，梳理出適合該機(jī)組運(yùn)行的參數(shù)、啟動(dòng)方法并掌握振動(dòng)突變時(shí)的應(yīng)對策略，防止發(fā)生較大的碰摩，引發(fā)機(jī)組彎軸事故。調(diào)試期間出現(xiàn)的機(jī)組軸承振動(dòng)大、汽流激振、低壓軸封帶水、高壓缸汽封異常等故障，也是新機(jī)組試運(yùn)行期間較典型的故障案例，通過分析、排查和處理，可為今后同類型機(jī)組啟動(dòng)和試運(yùn)行提供參考。