張 芳

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司煉焦總廠，安徽馬鞍山 243000）

引言

馬鋼煤焦總廠4#C18-3.43/1.27型抽凝式干熄焦汽輪發(fā)電機組是南汽2007年出廠產(chǎn)品，配套的發(fā)電機型號為QFW-18-2 10.5 kV，配交流無刷勵磁機，軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。汽輪機和發(fā)電機轉(zhuǎn)子分別由 1#、2#和3#、4#軸承支撐，勵磁機為懸臂結(jié)構(gòu)。

圖1 4#機軸系結(jié)構(gòu)示意圖

機組自2007年10月投運以來就存在振動偏大的情況，尤其是在臨界轉(zhuǎn)速時振動嚴(yán)重超標(biāo)。經(jīng)過2次機組揭缸大修、2次汽輪機轉(zhuǎn)子返廠做高速動平衡、1次發(fā)電機轉(zhuǎn)子送上海昂電做高速動平衡及4次現(xiàn)場高速動平衡，故障依舊?，F(xiàn)正常運行時一瓦水平軸振高達(dá)208 μm，過臨界 3#瓦振高達(dá)213 μm,嚴(yán)重影響機組安全運行。

1 故障情況

通過對4#機運行、檢修及動平衡調(diào)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，認(rèn)為該機組已于2017年11月份完成發(fā)電機轉(zhuǎn)子和汽輪機轉(zhuǎn)子試驗臺高速動平衡及整個汽發(fā)軸系現(xiàn)場動平衡工作，采用軸系動平衡的策略未能有效降低機組振動值。若想治理4#機振動問題，只能從其他方面查找原因，制定整改策略。

2011年9月4#機委托給制造廠專業(yè)檢修隊伍進(jìn)行第一次揭缸大修，大修前后振動變化如表1。

由表1中數(shù)據(jù)可知，此次大修后除1#水平軸振和停機時3#瓦過臨界振動超標(biāo)外，其余數(shù)值均在合格范圍,這次檢修起到了一定振動故障消缺作用，但1#水平軸振和停機過臨界振動超標(biāo)的問題沒能消除。

2017年10月4#機委托給本廠檢修隊伍進(jìn)行第二次揭缸大修，大修前后振動變化如表2。

由表2中數(shù)據(jù)可知，此次大修改變了對中和軸瓦載荷分配情況，3#瓦過臨界振動明顯增加。

4#機日常運行時1#水平軸振由大修前的165 μm升高到大修后的208 μm。

3 問題分析

經(jīng)過現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)4#機存在以下一些缺陷：

表1 4#機第一次大修前后振動變化情況簡明統(tǒng)計表 μm

表2 4#機第二次大修前后振動變化情況簡明統(tǒng)計表 μm

(1)凝汽器垂直方向的硬支撐（集水井出水管等）限制了凝汽器向下膨脹，造成凝汽器的熱位移是向上的，導(dǎo)致機組開起來以后凝汽器把汽缸頂懸空，汽機后座架內(nèi)側(cè)是空的，分別測量汽機后缸四個地腳螺栓處后座架內(nèi)側(cè)間隙為（面對機頭—逆時針方向）：0.20 mm/0 mm/0.3 mm/0.35 mm。

(2)凝汽器四組地腳彈簧標(biāo)高值偏差大。測量數(shù)據(jù)如下（面對機頭—逆時針方向）：380 mm/375 mm/385 mm/390 mm。墊鐵底座隨意放在幾塊鋼板拼接的支座上，沒有二次灌漿，反映彈簧組安裝過程較為粗糙（見圖2），在安裝中存在工序錯誤和調(diào)整不當(dāng)，這直接影響凝汽器的支撐剛度及不同工況下的自由位移量。

圖2 凝汽器地腳彈簧現(xiàn)場實物圖

(3)凝汽器進(jìn)出水管垂直段設(shè)有波紋膨脹節(jié)，有個別波紋膨脹節(jié)的導(dǎo)向桿的定位螺栓未松扣（見圖3），造成凝汽器出水管膨脹節(jié)被螺栓鎖死。

圖3 凝汽器進(jìn)出水管波紋膨脹節(jié)現(xiàn)場實物圖

(4)后汽缸導(dǎo)板處的間隙時有時無，（現(xiàn)場測量前臺板無間隙，后臺板0.30 mm），反映出后汽缸在運行中處于上下浮動狀態(tài)。

上述第(1)至第(4)項，反映出凝汽器垂直方向膨脹不合理，熱態(tài)時的熱位移方向不是向下，而是向上，機組的支撐剛度受到較大影響，使得汽輪機后缸落實情況不良，軸系2#、3#瓦的標(biāo)高始終處于動態(tài)變化狀態(tài);在冷熱態(tài)變化時，影響汽輪機中心對中、軸瓦支撐剛度和軸系轉(zhuǎn)子徑向間隙，致使機組非常敏感，細(xì)微的工況變化，就會誘發(fā)振動大幅升降。

(5)查閱安裝圖紙，在電站地溝內(nèi)的進(jìn)出凝汽器的循環(huán)水總管設(shè)有管托式的滑動支架；現(xiàn)場勘查可知，該滑動支架被漏裝了。這反映出循環(huán)水管的支撐沒有嚴(yán)格按圖紙施工，因循環(huán)水管道沒能有效的固定和支撐，誘發(fā)了機組臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間表現(xiàn)出較為強烈的共振現(xiàn)象。

(6)凝汽器出水管與地坑內(nèi)的凝結(jié)水泵采用剛性聯(lián)接，且距離只有2 m,沒有考慮不同工況下的位移量。這種連接方式會使機組臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間，將凝結(jié)水泵和凝結(jié)水管的振動作用放大，使機組表現(xiàn)出更為強烈的共振，導(dǎo)致機組過臨界轉(zhuǎn)速的振動值進(jìn)一步升高。

(7)前汽缸貓爪處有鐵皮露出，說明汽缸水平調(diào)整有問題。

上述現(xiàn)象反映出4號機在轉(zhuǎn)子揚度、軸系對中、找正或軸瓦組裝等方面存在有待進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整的地方。汽輪發(fā)電機組這種高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，如找正和水平度達(dá)不到規(guī)范要求，振動會增大，嚴(yán)重的就會超標(biāo)。

(8)機組正常運行時，軸封汽不能自封，新蒸汽不能撤出；新蒸汽源接自廠區(qū)管網(wǎng)，存在汽壓和汽溫偶爾波動超標(biāo)現(xiàn)象；且缺少汽溫調(diào)節(jié)手段，難以與機組啟停狀態(tài)靈活匹配。

上述第(8)項，反映出后汽封處的溫度受廠區(qū)管網(wǎng)溫度的影響，廠區(qū)管網(wǎng)溫度時常波動大。比如2014年12月5日廠區(qū)管網(wǎng)溫度波動幅值約80℃，后汽封處的溫度波動幅值約60℃，直接誘發(fā)4#機各瓦振動迅速增大，機組被迫降負(fù)荷運行。

(9)機組停止時，真空破壞時間與轉(zhuǎn)速匹配欠妥，停機過臨界時沒有破壞真空，臨界區(qū)轉(zhuǎn)速下降沒有開機時過臨界轉(zhuǎn)速增加快，造成停機時臨界區(qū)停留時間偏長,停機過臨界振動大于開機過臨界振動。

上述第(9)項，反映出崗位職工因4#機過臨界振動大，已產(chǎn)生畏懼心理，停機時過臨界前因擔(dān)心操作不當(dāng)引發(fā)故障而不敢適時調(diào)整真空門，而是等4#機轉(zhuǎn)速下降至500轉(zhuǎn)時才開始破壞真空門，可見4#機的過臨界振動超標(biāo)問題已經(jīng)嚴(yán)重危及到設(shè)備安全運行，急需整改治理。

4 整改方案

4.1 調(diào)整凝汽器的外接管道的膨脹與支撐方式

同時重新按規(guī)范要求對4#機進(jìn)行一次現(xiàn)場裝配，消除膨脹受阻、支撐不良、軸系對中和軸封汽不能自封問題。包括但不限于以下內(nèi)容：

(2)立即將凝汽器進(jìn)出循環(huán)水管膨脹節(jié)導(dǎo)向桿的定位螺栓去除或松開，保持膨脹節(jié)伸縮自如；同時在循環(huán)水管上架表讀數(shù)，查看工況變化時垂直方向有無讀數(shù)變化，做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比分析。按設(shè)計圖紙，恢復(fù)電站地溝內(nèi)的進(jìn)出凝汽器的循環(huán)水總管的滑動支架，保證循環(huán)水管的支撐有效。

(3)去除凝汽器水箱下部妨礙垂直膨脹的固定點，將凝結(jié)水管的剛性支撐改為彈簧支撐，確保凝結(jié)水管不影響凝汽器的自由膨脹。在凝結(jié)水泵入口前的凝結(jié)水總管上加裝波紋膨脹節(jié)，降低凝結(jié)水泵的振動對機組過臨界共振的推波助瀾。

(4)查看進(jìn)汽管、本體疏水管、抽空氣管、與機組相連的油管道安裝圖紙，檢查機組本體熱膨脹是否受約束，如有約束，一律去除。

(5)檢查均壓箱和軸封汽管道閥門，排除堵塞點，解決軸封汽不能自封問題。

(6)查看汽缸安裝圖紙，檢查確認(rèn)機組墊鐵組安裝符合圖紙要求，重新澆灌二次灌漿層，保證灌漿料填實和每塊墊鐵大于70%的接觸面；按規(guī)范重新組裝4#機，消除膨脹受阻、支撐不良、軸系對中、機組過臨界振動大和日常運行軸振超標(biāo)問題。

4.2 在重新裝配4#機的同時，改造機組通流部分

改造理由是：

(1)4#機組為干熄焦余熱發(fā)電機組，受上道工序波動影響，時有主蒸汽溫度壓力波動超標(biāo)現(xiàn)象，該機組曾經(jīng)出現(xiàn)過水沖擊事故，轉(zhuǎn)子經(jīng)受的熱應(yīng)力變化大于普通汽機轉(zhuǎn)子。

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(2)軸封汽不能自封，軸封新蒸汽不能撤出；已多次發(fā)生因新蒸汽溫度驟降引發(fā)機組劇烈振動被迫停機或減負(fù)荷運行事件，軸封汽溫度波動超標(biāo)使得轉(zhuǎn)軸的熱應(yīng)力變化超標(biāo)。

(3)自投產(chǎn)以來，4#機組已經(jīng)經(jīng)歷100次開停機，頻繁的開停機影響轉(zhuǎn)子的使用壽命。

(4)正常運行時一瓦水平軸振高達(dá)208 μm

(5)2017年11月份的大修時，測得汽機轉(zhuǎn)子的最大彎曲度為0.13 mm，已經(jīng)超標(biāo)。

上述幾項都會影響轉(zhuǎn)子的狀態(tài)和壽命，4#機雖經(jīng)歷兩次大修，但都因為生產(chǎn)任務(wù)緊，檢修時間不足，沒有機會安排對大軸全面檢查。汽機轉(zhuǎn)軸在長期的負(fù)荷波動中是否已經(jīng)存在彎曲變形，只能等全面檢測后才能下定論；但檢測耗時多，停機20天的損失就足以買回一個新轉(zhuǎn)子，（停機20天的損失:20d×24h/d×63t放散汽/h×150元/t汽=453.6萬元）。與其耗時檢測，不如直接進(jìn)行通流部分改造，以縮短停產(chǎn)時間。

(6)2017年的10月份大修中發(fā)現(xiàn)末級葉片有一截斷掉，前后汽封嚴(yán)重?fù)p壞，小軸頭損壞；同類型的5號機也曾出現(xiàn)末級葉片損壞的情況，不能排除該類型轉(zhuǎn)子自身設(shè)計存在瑕疵。通過改造，可以改善末級葉片的結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)，消除末級葉片斷裂隱患。

（7）該機組原設(shè)計為抽汽凝汽式，后因廠區(qū)低壓汽源富余，4#機無需抽汽共熱，于2011年大修時拆除旋轉(zhuǎn)隔板改為純凝工況運行；現(xiàn)在的運行工況偏離機組最佳設(shè)計工況；改為冷凝式汽輪機轉(zhuǎn)子，可降低機組汽耗量，提高發(fā)電效率。

鑒于上述因素，建議對該機組進(jìn)行整體通流置換，將抽凝式汽輪機改造為冷凝式汽輪機，既解決汽機轉(zhuǎn)子的隱患，改變結(jié)構(gòu)固有振動頻率，降低臨界區(qū)的振動幅值，又可在相同的進(jìn)汽情況下，增加發(fā)電量。通流改造后汽輪機熱平衡圖見圖4，技術(shù)比較見表3。

圖4 通流改造后汽輪機熱平衡圖

表3 機組改造前后技術(shù)指標(biāo)比較

在相同功率情況下，通流改造以后汽輪機的進(jìn)汽量減少 10.8 t/h，按該廠現(xiàn)有成本核算價格（每噸蒸汽150元）計算，每天帶來的直接經(jīng)濟(jì)效益為：10.8t/h×24h×150元/t=38880元。整個改造工程的費用約需425萬，4個月之內(nèi)即可收回投資，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

4.3 其他

（1）輔助高壓潤滑油泵工作壓力為0.81～0.84 MPa，主油泵出口壓力為1.36 MPa，機組轉(zhuǎn)速達(dá)2800轉(zhuǎn)以上時，主油泵才開始工作。機組啟停過臨界時，由于轉(zhuǎn)速未達(dá)2800轉(zhuǎn)，主油泵不工作，輔助高壓潤滑油泵工作壓力低于主機油泵壓力，軸瓦存在油膜剛度不足現(xiàn)象。為增加油膜剛度，建議對輔助油泵進(jìn)行換型，選用高揚程泵型，提高停機時的輔助油壓，與運行狀態(tài)下接近為好。

（2）跟蹤統(tǒng)計開停機操作細(xì)節(jié)與振動變化，優(yōu)化開停機操作模式。在停機降速即將進(jìn)入臨界區(qū)之際，適當(dāng)降低真空，提高機組轉(zhuǎn)速的下降速率，快速通過臨界區(qū)。

（3）積極做好設(shè)備隱患消缺準(zhǔn)備，可按先易后難的順序逐步實施。如汽水管的膨脹和支撐問題，可首先實施。

（4）繼續(xù)做好機組啟、停狀態(tài)下以及變負(fù)荷（10%～100%）的測振工作，為改造性大修提供評價依據(jù)。

5 結(jié)束語

(1)引起汽輪機振動增加的因素很多，降低激振力可以有效應(yīng)對旋轉(zhuǎn)設(shè)備振動問題，因此對4#機首先采取了轉(zhuǎn)子試驗臺高速動平衡和現(xiàn)場動平衡策略；但通過平衡，4#機的振動故障并未得到很明顯的改善，說明4#機的振動故障屬于復(fù)雜的綜合性振動問題，僅憑借改善軸系平衡已無法解決問題。

(2)經(jīng)過十多年的連續(xù)運行、二次揭缸大修和四次平衡都不能使問題得到解決，現(xiàn)實工作中檢修成本和生產(chǎn)效益兩方面的壓力，不可能像做理論研究那樣對引起振動增大的各方因素一個一個逐步排查確認(rèn)，只能按照安全可控、耗時最短、損失最小原則，選擇重新組裝4#機，同時進(jìn)行通流部分改造，徹底杜絕原始安裝遺留的隱蔽性錯誤和機組本體管道布置方面影響機組自由膨脹和管道支撐的不利因素，以期盡快消除故障，提升發(fā)電效率。

(3)無論是基建工程的初期安裝還是后期設(shè)備維護(hù)檢修，都要嚴(yán)格按圖紙規(guī)范執(zhí)行，不得馬虎對待，特別是熱力設(shè)備的膨脹、密封與支撐，必需嚴(yán)格執(zhí)行三方簽字拍照確認(rèn)，以保證其準(zhǔn)確、規(guī)范、到位。