黃國輝

（廣重集團有限公司汽輪機研究所，廣州 511495）

0 引言

抽冷式汽輪機等同于背壓機與冷凝式汽輪機合并而成，主要應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)。蒸汽在機組的高壓缸膨脹做功后，分成兩股汽流。一股通過閥門供給熱用戶；另一股經(jīng)過中低壓缸繼續(xù)做功，排入冷凝器，使蒸汽得到充分利用，是當(dāng)下最流行的機型[1]。冷凝器是冷凝式汽輪機的一個重要組成部分，其工作性能直接影響整個汽輪機組的熱經(jīng)濟性和安全性，一般通過法蘭與汽輪機排汽口剛性聯(lián)接。提高汽輪機的進汽參數(shù)和降低其排汽參數(shù)都能使得汽輪機的理想焓降增大，采用冷凝器降低并保持穩(wěn)定的排汽參數(shù)是其中最有效的辦法[2]。汽輪機組的安全、穩(wěn)定運行不僅與自身設(shè)計有關(guān)，與外部相關(guān)聯(lián)設(shè)備也有關(guān)系，而抽冷機組受到外界比背壓式機或純冷凝式機更為復(fù)雜，其中工業(yè)運行要素影響最為復(fù)雜，仍存在不少問題待解決[3]。因此，分析影響機組安全高效運行的因素，提出有效的改進措施。

汽輪機有靜子和轉(zhuǎn)子兩大部分。在工作時轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，靜子固定，因此轉(zhuǎn)子和靜子之間必須保持一定的間隙，不使相互摩擦，而振動指標(biāo)最能反映機組動靜摩擦故障。

在起動、運轉(zhuǎn)中，汽輪發(fā)電機組若振動較大，將帶來一系列不良或嚴(yán)重的后果[4-5]。例如，機組零部件承受很大動應(yīng)力，促使其材料疲勞或損壞；螺栓螺帽等緊固件松弛，造成汽缸中分面等處的蒸汽泄漏；動靜部分互相發(fā)生摩擦，軸承磨損加??；主軸彎曲；超速保安裝置誤動作；發(fā)電機轉(zhuǎn)子護環(huán)及線槽內(nèi)的填充物松弛、磨損，電氣絕緣磨破導(dǎo)致短路，勵磁機整流子及其碳刷磨損加劇；基礎(chǔ)臺板的混凝土澆灌體松動以及基礎(chǔ)甚至廠房出項裂縫；機組振動有時會釀成整機甚至整個廠房的毀壞。

其中，汽輪機的轉(zhuǎn)動部件與靜止部件發(fā)生摩擦就是引起機組振動的其中一個原因。汽輪機在安裝檢修后機組動靜部件之間的間隙過小或運行時熱膨脹不均勻都會發(fā)生摩擦，此摩擦力周期性地作用在轉(zhuǎn)子上，造成機組振動。針對某15 MW抽冷機組升速過程中，由于冷凝器安裝質(zhì)量差、發(fā)生偏移，最終引起轉(zhuǎn)子與靜子發(fā)生摩擦，導(dǎo)致振動超標(biāo)，汽輪轉(zhuǎn)速無法達到額定轉(zhuǎn)速表面現(xiàn)象，目前還未見類似案例研究。本文利用實際汽輪機本體運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合揭缸檢查，驗證了分析的合理性，最終給出了相應(yīng)的整改方案。

1 故障現(xiàn)象

某15 MW抽冷機組于2014年9月交付給用戶并進行了沖轉(zhuǎn)，正常額定運行了半年時間。由于發(fā)電機故障需要停機檢修，檢修完后，機組正常運行了半個月，因汽輪機機組振動值超過規(guī)范要求，逼迫停機，開缸檢修動靜間隙修復(fù)后，對轉(zhuǎn)子更換汽封片并動平衡，合缸。再次運行，這次只運行了26 h，再次出現(xiàn)機組振動值超標(biāo)現(xiàn)象，停機檢修。再次修復(fù)動靜間隙后裝回，但這次按振動要求，怎樣也無法達到額定轉(zhuǎn)速。

根據(jù)現(xiàn)場振動數(shù)據(jù)及檢修人員反映，存在以下現(xiàn)象。

（1）每次故障檢修都發(fā)現(xiàn)汽機后端（后軸承座位置）的中心線會下沉，比齒輪箱低1 mm，3次累計下沉了3 mm。

（2）3次檢修，轉(zhuǎn)子軸封、圍帶頂都發(fā)現(xiàn)有新的碰擦，超差數(shù)據(jù)增加，如圖1所示。

圖1 動葉片葉頂磨損

（3）末3、4級隔板的左側(cè)都有碰擦，右側(cè)沒有，而且底部和上部磨損很輕微，如圖2所示。

圖2 隔板左側(cè)汽封片磨損

（4）前后軸承上半球體，著色檢查到色情況比較差，只有40%左右，如表1所示。

（5）后軸承振動值上升速度比前軸承快。

（6）冷凝器支座安裝質(zhì)量差，如圖3所示。

（7）后缸中分面發(fā)生變形，如圖4所示。

表1 前后軸承檢查結(jié)果mm

圖3 冷凝器彈簧支座安裝基礎(chǔ)

圖4 后汽缸水平中分面測量數(shù)據(jù)

根據(jù)以上給出的數(shù)據(jù)，初步診斷為后汽缸發(fā)生了剛度變化，產(chǎn)生變形，前后汽缸發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，引起整個動靜通流間隙改變，發(fā)生動靜摩擦，導(dǎo)致機組振動。同時也懷疑后汽缸的變形是由于冷凝器的安裝質(zhì)量引起的，需要在現(xiàn)場揭缸進一步做試驗診斷，確定故障原因并給出合理的整改方案。

2018年底，在機組現(xiàn)場，按目前故障停機狀態(tài)對本體再一次揭缸進行冷凝器灌水試驗，在冷凝器的4個彈簧支座分別布置4個落地式垂直位移測量點，用直尺測量讀數(shù)。在右后支座橫向和軸向兩端面打磨2個φ30 mm的測量面，布置軸向位移及橫向位移各一個測量點，用千分表測量讀數(shù)，共做6組數(shù)據(jù)。試驗?zāi)康氖菣z查冷凝器負重對汽輪機本體中分面變形量的影響，及冷凝器灌水前與排水后彈簧支座測量儀表數(shù)據(jù)是否一致性，從而確定故障原因?，F(xiàn)場灌水試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 冷凝器灌水試驗數(shù)據(jù)mm

2 故障原因分析確認

故障原因分析如下。

（1）由圖1～2可以看出，汽輪機的動葉葉頂、隔板汽封及軸封的破損，尤其是末3、4級磨損比較嚴(yán)重，這是由于動靜碰撞摩擦造成，從而引起振動的原因。

（2）由圖4可以看出，后缸在自然狀態(tài)下，最大變形量發(fā)生在后汽缸水平中分面右后角。已經(jīng)發(fā)生了永久變形，而且無法恢復(fù)，導(dǎo)致了這個后缸的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶著前汽缸一起發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

（3）由圖3可以看出，冷凝器的支座安裝質(zhì)量差，支座基礎(chǔ)不平整，而且4個彈簧支座基礎(chǔ)高度設(shè)計不一致，導(dǎo)致使用鋼板來補償這樣不穩(wěn)定的支撐方式，這是導(dǎo)致冷凝器受重后發(fā)生位移并不能歸位的基本原因，而且4個支座與冷凝器殼體的焊接也沒有找平。

（4）由表1的數(shù)據(jù)可以看出，軸承的間隙已經(jīng)達到了設(shè)計最大水平，而且后軸承的頂隙最大，這也是后軸承振動值升速快的原因。

（5）表2中，從冷凝器6次的灌水試驗數(shù)據(jù)可以看出，4個支座在冷凝器滿水與排空時垂直位移變化量無幾，都能恢復(fù)同一數(shù)值。但是，右后支座的橫向和軸向的位移每一次都在發(fā)生變化，而且做完第6次試驗后，靜放24 h，數(shù)據(jù)也沒有恢復(fù)到最初數(shù)值，故而可以得出正確的故障原因，就是由于冷凝器支座安裝質(zhì)量差，運行時，冷凝器灌水狀態(tài)下，不斷地在橫向、軸向方向發(fā)生偏移，造成后汽缸變形，從而引起了動靜摩擦，機組振動。這也與圖2隔板在中分面附近的汽封的左側(cè)磨損嚴(yán)重現(xiàn)象相吻合。

3 整改措施

基于檢查結(jié)果及試驗數(shù)據(jù)分析，為了確保機組正常運行，并防止同類故障發(fā)生，結(jié)合現(xiàn)場用戶清單，提出了以下整改措施。

（1）根據(jù)廠家的冷凝器安裝說明要求，如圖5所示，重新對冷凝器對中定位，對4個支座基礎(chǔ)重新堆砌，確保水平，對冷凝器的支座撐板焊接時保證水平度，找水平。整改后如圖6所示。

圖5 彈簧支座基礎(chǔ)安裝要求

圖6 整改后冷凝器彈簧支座基礎(chǔ)

（2）對于本體更換新后汽缸，及更換磨損和損壞零部件，重新調(diào)整通流間隙，重新找中。

（3）對于冷凝器，重新更換焊接4個支撐板，嚴(yán)格按廠家要求施工，定位安裝基準(zhǔn)線、安裝標(biāo)高。調(diào)整彈簧支座，保證冷凝器安裝定位線調(diào)整至水平，然后冷凝器進行充水試驗，保證前后數(shù)據(jù)不得超過要求值。

（4）重新按設(shè)計要求聯(lián)接進汽管、抽汽管、排汽縮頸、發(fā)電機等設(shè)備，按廠家啟動操作要求沖轉(zhuǎn)汽輪機[6]。

（5）對轉(zhuǎn)子進行回廠修復(fù)，維修前測量轉(zhuǎn)子各級外徑在同一相位點的徑向跳動量，更換受損汽封片并修復(fù)磨損的葉頂，然后按維修轉(zhuǎn)子動平衡速度只允許達到1.1倍額定轉(zhuǎn)速[7]進行全速動平衡，并達到圖紙要求。

最終，整改后按廠家關(guān)于機組安裝要求說明，重新合缸、暖機、沖轉(zhuǎn)等規(guī)程順序開機，機組一次沖轉(zhuǎn)成功，順利升速到額定轉(zhuǎn)速，在沒有投入抽汽情況下，機組輸出功率達到11 MW，達到設(shè)計要求，如圖7所示。在額定工況下，機組振動值完全符合設(shè)計要求，機組的振動情況得以解決。

圖7 整改后機組運行數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

汽輪機通流部分轉(zhuǎn)子與靜子之間的間隙對于機組的效率和安全運行相當(dāng)重要。間隙越小效率越高，但也容易發(fā)生動靜摩擦，導(dǎo)致機組振動。間隙大，則會增加漏氣損失，降低機組的效率[8]。因此，機組發(fā)生振動后必須馬上找出故障原因，及時排除，才能保證對機組正常運行。除了機組本體自身原因外，各關(guān)聯(lián)設(shè)備的安裝質(zhì)量也是至關(guān)重要的一環(huán)，如蒸汽管道熱變形會產(chǎn)生推力、抽汽管道工況變化都要求其安裝合理性；運行層基礎(chǔ)剛度、質(zhì)量設(shè)計同樣也會引起整個機組振動[6]。就像本次故障，就是現(xiàn)場施工設(shè)計支座基礎(chǔ)不合理，質(zhì)量不過關(guān)而造成一連串的故障，還需要逐一排查才能找出原因，而且為了機組安全高效運行也必須逐一排查找原因。