陳 杰，童小忠

(浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點實驗室，浙江 杭州 311121)

0 引言

高參數(shù)汽輪機組是火電技術(shù)未來主要發(fā)展方向[1]，1 000 MW超超臨界汽輪發(fā)電機組由于其卓越的經(jīng)濟性在火力發(fā)電裝機容量中占據(jù)了可觀的份額[2]。相較于其它類型機組，該類型機組具有典型的軸系結(jié)構(gòu)為四缸、雙支撐布置，轉(zhuǎn)子總長度達37 m，加上發(fā)電機長度，汽輪發(fā)電機組總長度達54 m。如此長度的軸系布置更易于出現(xiàn)軸系振動的問題，這就對軸瓦穩(wěn)定性設計和安全運行提出了較高的要求[3-4]。

機組在大范圍變負荷運行過程中，長時間運行在非設計工況往往會引發(fā)轉(zhuǎn)子的振動;同時,引起振動的各因素之間還具有一定的耦合性。在國內(nèi)外相關(guān)研究中，有學者提出基于調(diào)節(jié)閥組開啟順序改造的解決方案[5]，嘗試利用該方案實現(xiàn)振動問題的解耦；另一方面，由于軸承失穩(wěn)引起的軸系振動也是該問題的典型特征之一[6]，最有效且最常用的解決方案是通過計算振幅與配重之間的耦合關(guān)系，以對軸瓦配重進行優(yōu)化設計[7]，進而改善機組的振動問題。

然而，對于某些超超臨界機組來說，在設計上會出現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子#1瓦側(cè)平衡孔被汽封邊遮擋一部分無法加重、#8，#9瓦軸振相位反相無法通過低發(fā)對輪加重降低#10瓦軸振等問題。對此，本文針對該機型特點，對#10、#2瓦進行了加重處理；在此基礎(chǔ)上，通過分析振動數(shù)據(jù)的規(guī)律，判斷出了導致振幅超限的原因，并給出相應處理建議。

1 機組概況

某電廠采用N1030-25.0/600/600超超臨界汽輪發(fā)電機。該機型首次采用節(jié)流配汽、1 200 mm低壓末級葉片。如圖1所示，機組的軸系結(jié)構(gòu)主要由高、中、低壓轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中低壓轉(zhuǎn)子分為低壓轉(zhuǎn)子A和低壓轉(zhuǎn)子B。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向從汽輪機往發(fā)電機看為逆時針方向旋轉(zhuǎn)。其中高壓、中壓轉(zhuǎn)子使用可傾瓦軸承支承，低壓轉(zhuǎn)子使用橢圓軸承支承，各轉(zhuǎn)子間由剛性聯(lián)軸器連接，共11道撐持軸承。

圖1 轉(zhuǎn)子軸系布置示意

該機組投產(chǎn)后，變工況運行時機組在短時間內(nèi)出現(xiàn)了#10瓦軸振幅值大，#1瓦軸振爬升；滑參數(shù)停機時#5，#6瓦軸振大等異?，F(xiàn)象。

綜上所述，亟需設計一套振動解決方案。

2 軸振幅值大的處理措施

2.1 #10瓦處理措施

自該機組在2014年9月投入運行以來，汽輪發(fā)電機組軸系穩(wěn)定，各軸瓦溫度正常，機組各主要參數(shù)符合設計要求。2016年3月機組第1次A修，未對軸系、軸瓦進行處理。A修結(jié)束后，機組啟動沖轉(zhuǎn)，達到轉(zhuǎn)速3 000 r/min后，#7～#10瓦振動幅值見表1。低壓B缸前后瓦、發(fā)電機前瓦的軸振幅值均在優(yōu)秀水平，#10瓦X、Y向軸振通頻幅值分別為20 μm、80 μm，10Y振動超過優(yōu)秀值76 μm。

表1 動平衡前、后#7～#10瓦振動幅值

由此可見，10Y振幅值變化不大，同時相位一直處在穩(wěn)定狀態(tài)。為確定10Y振動幅值大的原因，進行振動試驗，保持其他參數(shù)不變，分別進行變有功、變無功、變密封油溫、變氫溫試驗，10Y振動幅值無明顯變化。根據(jù)傳熱和材料本構(gòu)行為的數(shù)學模型[8]，判斷該振動為普通強迫振動，同時轉(zhuǎn)子可能存在一定程度上的不平衡問題?？紤]到#8，#9瓦振動反相，在低發(fā)對輪上加重將不利于#8瓦振動，嘗試在#10，#11瓦之間加重。加重方案為：在勵磁機風扇環(huán)上加重0.18 kg。

加重后機組重新啟動，10Y振動幅值較動平衡前降低，負荷876 MW下，10Y振動通頻幅值為67 μm，達到優(yōu)秀水平。

計算勵磁機風扇環(huán)上加重對10Y振動的影響系數(shù)幅值為50 μm/kg，為取得更好的動平衡效果需增加平衡塊重量。但風扇環(huán)上加重位置少，平衡塊質(zhì)量小，使得加重效果有限，有必要時可使用高密度平衡塊或加工質(zhì)量更大的平衡塊。

2.2 #1處理措施

機組投產(chǎn)后1X，1Y軸振幅值緩慢爬升，至2016年A修前，1X，1Y軸振通頻幅值分別達72 μm，85 μm。因高壓轉(zhuǎn)子靠#1瓦側(cè)平衡孔被汽封邊擋住一部分，無法安裝平衡塊，未做動平衡。A修完畢，機組正常運轉(zhuǎn)，但1X，1Y軸振幅值繼續(xù)緩慢增大，通頻幅值最終分別穩(wěn)定在95 μm，120 μm。

機組運行中，#1軸承3個金屬溫度測點測量值為61 ℃，76 ℃，51 ℃(最大偏差達25 ℃)，與該電廠另一臺同型號機組#1軸承金屬溫度72 ℃，87 ℃，67 ℃相比偏低10 ℃，說明#1軸承承載偏輕。2017年調(diào)停期間，#1軸承進行抬瓦處理，上抬0.13 mm。機組啟動后，#1軸承瓦溫未見明顯變化，1X，1Y軸振幅值未減小。

2017年C修期間，為降低#1瓦軸振幅值進行了以下處理：

(1)為縮小金屬溫度測量值偏差，將#1軸承向鍋爐側(cè)移動50 μm。

(2)機組多次啟停1X，1Y軸振均維持在同一水平，運行中相位穩(wěn)定，以1倍頻分量為主，與機組調(diào)試階段1X，1Y振動與負荷關(guān)聯(lián)程度大，機組高負荷下1X，1Y軸振幅值突增，且振動增量以低頻分量為主的現(xiàn)象不一致，可排除汽流激振與動靜部件碰磨耦合的因素[9]，由此判斷可能由于高壓轉(zhuǎn)子在質(zhì)量上存在一定程度的不平衡問題[10-11]。由于高壓轉(zhuǎn)子#1瓦側(cè)平衡孔被汽封邊遮擋，無法安裝平衡塊，加重位置只能選#2瓦側(cè)平衡孔。

加重前#1，#2瓦X，Y向軸振同相分量分別為：47.4 μm∠80.4°，61.0 μm∠311.2°?？紤]到#1，#2瓦軸振存在較大的同相分量，為避免動平衡后#2瓦軸振幅值增大過多，適當減小加重質(zhì)量。由于缺少同類機型轉(zhuǎn)子的影響系數(shù)，影響系數(shù)取經(jīng)驗值150 μm/kg，機械滯后角取20°。加重方案為：在高壓轉(zhuǎn)子#2瓦側(cè)平衡孔處加重0.35 kg。

動平衡后機組沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)，1X，1Y軸振通頻幅值曲線如圖2所示。滿負荷工況下1X，1Y軸振幅值均較動平衡前減小，1Y軸振通頻及1倍頻幅值均減小30 μm以上，但2X，2Y軸振幅值有所上升，見表2。因機組帶負荷，未進行加重調(diào)整。

表2 滿負荷工況下動平衡前、后#1，#2瓦振動幅值

圖2 動平衡后1X，1Y通頻振動幅值

由于#1，#2瓦振動同相分量大，動平衡降低#1瓦軸振幅值會提高#2瓦軸振幅值，后續(xù)處理時，為防止2Y軸振超過優(yōu)秀值范圍，在#2瓦側(cè)平衡孔的加重質(zhì)量以不超過0.15 kg為宜。

3 滑參數(shù)停機#5、#6瓦軸振大的原因分析

3.1 停機過程中振動情況

2017年1月機組調(diào)停，停機前低壓轉(zhuǎn)子A、低壓轉(zhuǎn)子B振動幅值均在75 μm以內(nèi)。機組負荷降至350 MW時，5Y，6Y軸振幅值分別為75 μm，46 μm，5Y，6Y軸振幅值出現(xiàn)爬升-回落-爬升的現(xiàn)象，如圖3所示。負荷降至150 MW時，5Y軸振幅值已達到152 μm，機組打閘停機。轉(zhuǎn)子惰走過程中，低壓轉(zhuǎn)子部分在過臨界轉(zhuǎn)速時出現(xiàn)了振動幅度較大的問題，5Y，6Y振動幅值分別達192 μm，256 μm。

圖3 機組滑停5Y，6Y振動異常曲線

3.2 原因分析

機組負荷350 MW以上時，#5，#6瓦軸振平穩(wěn)。負荷降至350 MW以后，5Y，6Y軸振開始爬升，同時低壓轉(zhuǎn)子B的前后軸承振動幅值也隨之變化，說明整個過程中5Y，6Y振動信號為真實信號。整個停機過程中，各瓦的振動幅值無階躍，可排除軸系部件飛脫的可能，振動為強迫振動。5Y，6Y振動幅值在打閘前已達到正常運行值的2倍以上，即疊加了新的臨時不平衡量，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子惰走過臨界轉(zhuǎn)速時振動幅值大的現(xiàn)象。以往的滑參數(shù)停機過程中，低壓轉(zhuǎn)子B曾發(fā)生過相似的問題，在后續(xù)的啟動及帶負荷過程中振動均恢復正常水平，說明這種臨時不平衡量不需要進行特殊處理。轉(zhuǎn)子在低負荷下產(chǎn)生熱彎曲的可能性較大，而低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子晃度大佐證了這一判斷。

引發(fā)低壓轉(zhuǎn)子熱彎曲的可能原因有碰磨和轉(zhuǎn)子遇冷。由于缸體剛度低，形變量大，使軸封水平方向的間隙變小，進而導致碰磨，產(chǎn)生熱彎曲；另一方面，打閘前及惰走過程中，軸封母管壓力異常波動(如圖4所示)，可能使軸封參數(shù)與轉(zhuǎn)子溫度不匹配，導致振動進一步爬升。

圖4 停機過程振動與軸封母管壓力曲線

隨后的2次機組啟動中，低壓缸各瓦振動均恢復正常，表明機組通流部件無本質(zhì)性變化。

建議機組滑參數(shù)停機時按運行規(guī)程控制好參數(shù)和滑停速率，減小降負荷變化速率，直至3 MW/min左右。加強對主蒸汽參數(shù)、軸封蒸汽參數(shù)的監(jiān)視，避免溫度、壓力出現(xiàn)大的波動，加強汽輪機本體及軸封疏水，防止啟停過程中出現(xiàn)汽輪機接觸冷汽或疏水不暢現(xiàn)象。停機過程20%負荷以下，適當降低機組真空運行(88～92 kPa)，防止低壓缸變形，影響機組振動。

4 結(jié)論

針對某1 030 MW機組投產(chǎn)后呈現(xiàn)出的振動情況，本文結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法與優(yōu)化調(diào)整操作對機組進行處理，得到如下結(jié)論：

(1)通過振動試驗及頻譜分析，判斷出#10瓦振動的問題是由于轉(zhuǎn)子不平衡引起的。隨后，本文在勵磁機風扇環(huán)處進行了該機組自出廠以來的首次加重0.18 kg后，10Y振動改善。

(2)由于振動頻譜中無低頻分量，判斷#1瓦振動與機組負荷無關(guān)，原因為高壓轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡所致。本文在#2瓦側(cè)平衡孔加重0.35 kg后，#1瓦振動下降。

(3)此外，機組滑參數(shù)停機#5、#6瓦軸振大為摩擦振動和轉(zhuǎn)子過臨界二者疊加造成，無需特殊處理。