李立波，康劍南，王鳳良

(大唐東北電力試驗(yàn)研究院，長春130012)

某發(fā)電廠350 MW機(jī)組是哈爾濱汽輪機(jī)廠和哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)的超臨界、一次中間再熱、單軸、雙抽供熱、雙缸雙排汽、凝汽式機(jī)組。汽輪機(jī)型號(hào)為C350/280-24.2/0.4/566/566，為提高機(jī)組效率，降低汽耗，高中壓轉(zhuǎn)子部分采用了新型小間隙汽封。發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN-350-2，為水/氫/氫冷卻方式的發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁方式為機(jī)端變靜止勵(lì)磁。機(jī)組軸系由3根轉(zhuǎn)子組成，分別為高中壓(HIP)轉(zhuǎn)子、低壓(LP)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)(GEN)轉(zhuǎn)子，3根轉(zhuǎn)子之間均為剛性連接。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子全部采用可傾瓦軸承，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為橢圓軸承。

機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子低轉(zhuǎn)速下晃度大，并且5號(hào)瓦在升速過程中發(fā)生了嚴(yán)重碰磨，導(dǎo)致不能定速3 000 r/min。在定速3 000 r/min后，高中壓轉(zhuǎn)子的1號(hào)瓦和2號(hào)瓦振動(dòng)交替增大且達(dá)到報(bào)警值。本文通過分析，找出了振動(dòng)大的原因，并采取了相應(yīng)的處理措施，使機(jī)組穩(wěn)態(tài)振動(dòng)值達(dá)到了優(yōu)秀水平。

1 發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障分析及處理

1.1 振動(dòng)故障

機(jī)組于2017年12月3日18：36準(zhǔn)備首次啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)，18：40機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至610 r/min，此時(shí)6號(hào)軸承X方向振動(dòng)幅值為199 μm，Y方向振動(dòng)幅值為227 μm，振動(dòng)異常，于是手動(dòng)打閘停機(jī)，進(jìn)行摩擦檢查。

處理后進(jìn)行第2次升速，6號(hào)瓦振動(dòng)幅值下降至30 μm左右，恢復(fù)正常。19：03轉(zhuǎn)速升至610 r/min，5號(hào)軸承X方向幅值為40.3 μm，Y方向幅值為68.0 μm，機(jī)組進(jìn)行低速暖機(jī)。轉(zhuǎn)速達(dá)到700 r/min時(shí)，X方向振動(dòng)幅值達(dá)到81.4 μm，Y方向振動(dòng)幅值達(dá)到91.8 μm。30 min后5號(hào)軸承X方向振動(dòng)幅值下降至56.2 μm，Y方向振動(dòng)幅值下降至63.6 μm。機(jī)組升速至800 r/min時(shí)，5號(hào)軸承X方向振動(dòng)幅值為59.5 μm，Y方向振動(dòng)幅值為44.3 μm，隨后機(jī)組升速，通過臨界轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速達(dá)到1 510 r/min時(shí)，5號(hào)軸承X方向振動(dòng)達(dá)到256 μm，Y方向振動(dòng)達(dá)到246 μm，機(jī)組跳閘。

第3次啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速升至200 r/min時(shí)，5號(hào)軸承X方向振動(dòng)幅值為63.5 μm，Y方向振動(dòng)幅值為65.8 μm。轉(zhuǎn)速升至600 r/min時(shí)，5號(hào)軸承X方向振動(dòng)幅值為57.8 μm，Y方向振動(dòng)幅值為70.8 μm。機(jī)組升速至800 r/min時(shí)，進(jìn)行暖機(jī)，5號(hào)軸承X方向振動(dòng)幅值上升至69.4 μm，Y方向振動(dòng)幅值上升至91.2 μm，且繼續(xù)增長，隨后機(jī)組打閘停機(jī)。

經(jīng)歷了先后4次的啟停和相關(guān)處理后，最終機(jī)組定速到3 000 r/min，定速后各瓦的具體振動(dòng)情況如表1所示。

表1 3 000 r/min下各瓦振動(dòng)情況

1.2 振動(dòng)原因分析及處理

在振動(dòng)測試中發(fā)現(xiàn)，5號(hào)瓦在低轉(zhuǎn)速下初始晃度較大，按照ISO標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組測試時(shí)振動(dòng)信號(hào)中的虛假成分不得超過容許振動(dòng)值的25%，否則應(yīng)進(jìn)行故障排除[1]。安裝公司初步檢查后排除了電氣方面的原因，例如轉(zhuǎn)軸表面剩磁、局部應(yīng)力集中、材質(zhì)不均勻、鍍層厚度不均勻的可能。機(jī)械方面的原因可能性較大，例如轉(zhuǎn)軸測點(diǎn)位置跳動(dòng)超差、表面缺陷、測點(diǎn)位置有劃痕或者貼有標(biāo)簽，這些原因均能導(dǎo)致較大的初始振動(dòng)值，它們?cè)谕C(jī)檢查時(shí)很容易就能排除。

首次啟動(dòng)時(shí)，6號(hào)軸振發(fā)生異常，通過現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁側(cè)施工中放在轉(zhuǎn)軸上的報(bào)紙未拿下，導(dǎo)致啟動(dòng)后部分報(bào)紙碎片進(jìn)入測點(diǎn)與轉(zhuǎn)軸之間的縫隙，引起了6號(hào)瓦振動(dòng)異常，現(xiàn)場進(jìn)行了及時(shí)處理，處理后振動(dòng)恢復(fù)正常。在第三次啟動(dòng)中，由于振動(dòng)大打閘停機(jī)后，將低發(fā)靠背輪軸承箱上蓋及聯(lián)軸器護(hù)罩打開進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有一個(gè)靠背輪螺栓擋風(fēng)板掉落，且已經(jīng)嚴(yán)重變形，于是重新對(duì)所有擋風(fēng)板進(jìn)行了檢查和更換。

另外在歷次升速過程中，5號(hào)瓦振動(dòng)均很大，通過對(duì)機(jī)組升降速振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，排除了機(jī)組質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)，振動(dòng)現(xiàn)象符合動(dòng)靜碰磨的特點(diǎn)，判斷5號(hào)軸承附近的油擋或密封瓦存在碰磨情況。機(jī)組惰走至盤車后，對(duì)5號(hào)軸承進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)5號(hào)軸承油擋處磨損較嚴(yán)重，于是對(duì)油擋進(jìn)行了打磨處理和修復(fù)，修復(fù)后5號(hào)軸承振動(dòng)恢復(fù)正常。5號(hào)瓦升降速Bode圖如圖1所示。

圖1 5X升降速Bode圖

汽輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)靜部分碰磨是運(yùn)行中比較常見的一種故障，特別是在新機(jī)組的首次啟動(dòng)過程中，由于碰磨時(shí)圓周上各點(diǎn)的摩擦程度是不同的，某一點(diǎn)的嚴(yán)重碰磨將會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子徑向溫度的不均勻，這種局部的溫度不均勻?qū)?huì)造成轉(zhuǎn)子熱彎曲，產(chǎn)生一個(gè)新的不平衡力作用到轉(zhuǎn)子上，引起振動(dòng)。經(jīng)過許多振動(dòng)專家多年的研究，碰磨振動(dòng)的故障機(jī)理已經(jīng)十分清晰，碰磨的主要特征有以下幾點(diǎn)：

1)振動(dòng)以一倍頻為主，出現(xiàn)少量的分頻、倍頻和高頻成分的概率不低。

2)在某些碰磨現(xiàn)象中，振動(dòng)的時(shí)域波形中會(huì)出現(xiàn)切頂現(xiàn)象[2]。

3)振動(dòng)的幅值和相位波動(dòng)較大，且沒有任何規(guī)律，持續(xù)時(shí)間較長；對(duì)于嚴(yán)重的碰磨，幅值和相位波動(dòng)很小，振幅增長較為迅速。

4)降速過程中通過臨界轉(zhuǎn)速的振動(dòng)值較升速時(shí)大很多，盤車時(shí)的晃度變化較大。

經(jīng)過上述分析，判斷5號(hào)瓦振動(dòng)為典型的動(dòng)靜碰磨故障，對(duì)5號(hào)瓦處油擋進(jìn)行處理后，問題得以解決。由于機(jī)組啟動(dòng)過程中反復(fù)的碰磨，油擋的個(gè)別部位已經(jīng)發(fā)黑，可見碰磨的程度之嚴(yán)重。

1.3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始晃度大的處理

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子400 r/min通頻幅值如表2所示。從表中數(shù)據(jù)我們可以看出，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子低轉(zhuǎn)速下晃度較大，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求(按照ISO標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組測試時(shí)振動(dòng)信號(hào)中的虛假成分不得超過容許振動(dòng)值的25%)。為了排除傳感器自身的故障，將5號(hào)軸承X方向與6號(hào)軸承X方向的傳感器進(jìn)行了對(duì)調(diào)，對(duì)調(diào)后振動(dòng)值仍沒有變化，因此排除了傳感器及線路自身的問題。另外，從振動(dòng)數(shù)據(jù)上看，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在越過第一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)其振動(dòng)值也不大，可以排除主軸彎曲導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子低速下晃度過大的問題。最后懷疑發(fā)電機(jī)主軸上存在高點(diǎn)或劃痕，停機(jī)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)在主軸上測點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置有一深度約為1 mm的劃痕，處理后晃度值恢復(fù)正常。

表2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子400 r/min通頻幅值

(單位：μm)

2 汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障處理

2.1 高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)故障

初定速時(shí)高中壓轉(zhuǎn)子各瓦振動(dòng)均表現(xiàn)優(yōu)良。在接下來進(jìn)行的電氣試驗(yàn)過程中，1號(hào)瓦振動(dòng)幅值隨時(shí)間推移逐步增大，最大值甚至達(dá)到了150 μm，1號(hào)瓦振動(dòng)增大的過程中2號(hào)瓦振動(dòng)幅值也有一定程度的增大，但相對(duì)1號(hào)瓦來說增加的幅度不大。鑒于高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)幅值與其軸封的溫度變化有直接關(guān)系，通過調(diào)整軸封溫度，有效控制了高中壓轉(zhuǎn)子的振動(dòng)，1號(hào)瓦振動(dòng)緩慢恢復(fù)到初定速時(shí)的狀態(tài)，振動(dòng)基本得到控制。繼續(xù)進(jìn)行電氣試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中2號(hào)瓦振動(dòng)幅值逐漸增大，最大達(dá)到145 μm。通過檢查相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)中壓缸上下缸溫差已經(jīng)超過50 ℃，超過了運(yùn)行說明規(guī)定的限值，于是通知運(yùn)行人員進(jìn)行調(diào)整。隨著溫差的逐步縮小，2號(hào)瓦振動(dòng)緩慢恢復(fù)到初始狀態(tài)。

穩(wěn)定狀態(tài)下各瓦振動(dòng)情況 如表3所示。

為提高機(jī)組效率，汽封間隙設(shè)計(jì)得都比較小，尤其是高中壓轉(zhuǎn)子汽封間隙?；ò惭b記錄查到高中壓轉(zhuǎn)子調(diào)閥端和發(fā)電機(jī)端汽封間隙值如表4、表5所示。

表3 穩(wěn)態(tài)3 000 r/min下各瓦振動(dòng)情況

表4 高中壓轉(zhuǎn)子調(diào)閥端軸封間隙

表5 高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)端軸封間隙

機(jī)組的說明書對(duì)于汽輪機(jī)的上下缸溫差作出了嚴(yán)格的規(guī)定，上下缸溫差是機(jī)組啟動(dòng)及運(yùn)行當(dāng)中一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，在2號(hào)瓦軸振過大時(shí)高中壓汽缸上下缸溫差如表6所示。

表6 汽輪機(jī)高中壓缸上下缸溫差情況

2.2 振動(dòng)故障機(jī)理分析

機(jī)組軸封在未達(dá)到自密封狀態(tài)前，軸封溫度的變化是導(dǎo)致碰磨的直接原因，特別是超臨界機(jī)組，為了提高機(jī)組效率，汽封間隙的設(shè)計(jì)值都非常小，運(yùn)行過程中很容易發(fā)生動(dòng)靜碰磨。

在正常情況下，上下缸的溫差沿軸向分布并不完全一致，其上缸的溫度是高于下缸的，膨脹也較多，最大值一般都是在調(diào)節(jié)級(jí)附近。相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明[3]，汽缸溫差增加10 ℃，調(diào)節(jié)級(jí)下部間隙約減小0.1 mm。而對(duì)于小間隙汽封機(jī)組來說，隔板汽封和軸端汽封的間隙本身就已經(jīng)設(shè)計(jì)得很小，個(gè)別值已經(jīng)低達(dá)0.3 mm。對(duì)于 50 ℃以上的溫差，調(diào)節(jié)級(jí)處的間隙會(huì)減小0.5 mm以上，這已經(jīng)遠(yuǎn)大于0.3 mm的間隙，徑向間隙消失將直接導(dǎo)致動(dòng)靜部分發(fā)生碰磨。一旦發(fā)生碰磨，碰磨部位發(fā)生熱彎曲，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。因此一般常規(guī)類型機(jī)組都有明確的規(guī)定，即上下缸溫差不得超過50 ℃，否則就應(yīng)該進(jìn)行檢查[4]。

汽輪發(fā)電機(jī)組在啟動(dòng)過程中，上下汽缸必然會(huì)存在一定的溫差，溫差的存在是正常的，但必須嚴(yán)格控制，防止上下缸溫差超過運(yùn)行規(guī)程的規(guī)定而導(dǎo)致動(dòng)靜部分的碰磨。當(dāng)主蒸汽流量增加到額定負(fù)荷的20%～30%時(shí)，溫差才能有一定幅度的減小，此時(shí)的上下缸溫差基本達(dá)到穩(wěn)定[5]。所以為了防止汽缸熱變形而產(chǎn)生動(dòng)靜碰磨故障，運(yùn)行過程中必須對(duì)上下缸溫差給予特別的關(guān)注，同時(shí)要對(duì)下汽缸采用合理的保溫措施，并確保疏水不在下汽缸內(nèi)積存。

2.3 小間隙汽封與振動(dòng)的關(guān)系

汽封與轉(zhuǎn)子碰磨的過程是十分復(fù)雜且非線性的，其影響因素也很多，理論分析需要對(duì)這個(gè)過程做適當(dāng)?shù)暮喕?。我們假定碰磨屬于彈性碰撞，且符合庫侖摩擦定律，那么，在笛卡爾X-Y坐標(biāo)系下汽封與轉(zhuǎn)子碰磨時(shí)軸徑的運(yùn)動(dòng)位置如圖2所示。

圖2 碰磨時(shí)軸徑運(yùn)動(dòng)位置示意圖

蒸汽參數(shù)的提高使得汽輪機(jī)漏汽損失成為了制約汽輪機(jī)效率的最主要因素[7]，為了減少漏汽損失，提高大參數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組的效率，小間隙汽封技術(shù)在很多機(jī)組上得到了普遍的應(yīng)用，而同時(shí)碰磨的故障也越來越多。這種技術(shù)對(duì)安裝和調(diào)試提出了更高的要求，在啟動(dòng)階段必須嚴(yán)格執(zhí)行啟動(dòng)曲線，控制好各個(gè)測點(diǎn)的軸振值，對(duì)可能發(fā)生的振動(dòng)進(jìn)行初步的預(yù)判，防止發(fā)生嚴(yán)重的動(dòng)靜碰磨，進(jìn)而導(dǎo)致彎軸事故。

采用小間隙汽封技術(shù)的機(jī)組較常規(guī)機(jī)組更容易發(fā)生動(dòng)靜碰磨故障，對(duì)于這種機(jī)組，在啟動(dòng)過程中的適度碰磨是必要的。只要我們?cè)谶\(yùn)行中采取了正確的處理方法，通過一段時(shí)間的磨合，就能使汽封間隙磨到理想的狀態(tài)。這樣既保證了機(jī)組的效率，又不會(huì)發(fā)生再次動(dòng)靜碰磨，這是小間隙汽封所要達(dá)到的最終目的。

3 結(jié) 論

本文通過介紹1臺(tái)350 MW小間隙汽封機(jī)組的啟動(dòng)過程，對(duì)啟動(dòng)過程中的振動(dòng)原因進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論：

1)對(duì)于350 MW等級(jí)超臨界小間隙汽封機(jī)組，啟動(dòng)過程中如果發(fā)生碰磨，轉(zhuǎn)速最好選擇在一階臨界轉(zhuǎn)速下，即250～350 r/min，這個(gè)區(qū)間是比較理想的。

2)發(fā)電機(jī)油擋位置為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子二階振型的高點(diǎn)，碰磨對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)影響很大，嚴(yán)重的碰磨可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子暫時(shí)性熱彎曲甚至永久彎曲。

3)對(duì)于小間隙汽封的機(jī)組，軸封溫度和上下缸溫差在運(yùn)行過程中尤為關(guān)鍵，對(duì)其要進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)視和嚴(yán)格控制，否則很容易發(fā)生動(dòng)靜碰磨故障。

4)機(jī)組良好的安裝質(zhì)量是安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提，施工和監(jiān)理單位應(yīng)該給予足夠的重視，避免一些低級(jí)的失誤影響機(jī)組的啟動(dòng)。