趙英淳,李 哲,魏志棟,程嘉其
(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)西北電力試驗(yàn)研究院有限公司,西安 710054;2.國家電投集團(tuán)能源科技工程有限公司,上海 200233)
新建汽輪機(jī)機(jī)組由于試運(yùn)環(huán)境惡劣、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及機(jī)組安裝水平的不同,首次冷態(tài)啟動(dòng)過程中易發(fā)生因動(dòng)靜碰磨[1]、汽輪機(jī)上下缸溫差大[2]、缸體膨脹不暢[3]、潤滑油油質(zhì)差[4]等原因?qū)е碌恼駝?dòng)故障,嚴(yán)重危害汽輪機(jī)機(jī)組的安全運(yùn)行。汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障現(xiàn)象和原因之間往往并非一一對應(yīng)的關(guān)系,分析過程經(jīng)常陷于反向推理思維,但由于現(xiàn)場技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)有限,推理思維不能推出事故真實(shí)原因,導(dǎo)致啟動(dòng)過程反復(fù)甚至導(dǎo)致事故擴(kuò)大。本文介紹了某汽輪機(jī)機(jī)組首次冷態(tài)啟動(dòng)出現(xiàn)的3號瓦振動(dòng)異常的問題,以及對振動(dòng)故障的分析、判斷和處理過程,旨在對新建機(jī)組汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)過程中的振動(dòng)控制提供可借鑒的思路。
某電廠新建660 MW機(jī)組選用北重阿爾斯通(北京)電氣裝備有限公司生產(chǎn)的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、間接空冷凝汽式汽輪機(jī)。機(jī)組共設(shè)計(jì)有7個(gè)支撐軸承,其中1號瓦和7號瓦為可傾瓦,2號至6號瓦為橢圓瓦,軸承座均為落地布置,汽輪發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)下方設(shè)計(jì)彈簧隔振裝置。高中壓汽缸膨脹死點(diǎn)位于中低壓缸之間的3號軸承箱底部橫向定位鍵與縱向?qū)蜴I的交點(diǎn)處,轉(zhuǎn)子膨脹死點(diǎn)位于推力軸承處,推力軸承布置在高壓缸與中壓缸之間的2號軸承箱中。機(jī)組軸系支撐圖如圖1所示。
圖1 機(jī)組軸系支撐示意圖
機(jī)組啟動(dòng)方式為高中壓缸聯(lián)合啟動(dòng)。汽輪機(jī)升速過程中,從盤車轉(zhuǎn)速至2 000 r/min范圍內(nèi),汽輪機(jī)主要通過增加高壓缸進(jìn)汽流量來提高轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至2 000 r/min以上時(shí),中低壓缸開始緩慢進(jìn)汽,參與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。汽輪機(jī)高、中壓缸下半各設(shè)計(jì)了一個(gè)缸溫測點(diǎn),根據(jù)溫度測點(diǎn)的絕對值和變化率計(jì)算得出對應(yīng)汽缸的熱應(yīng)力。同時(shí)設(shè)計(jì)了應(yīng)力主保護(hù):熱、冷應(yīng)力大于102%,延時(shí)5 min跳機(jī);熱應(yīng)力大于105%,延時(shí)1 min跳機(jī);冷應(yīng)力大于105%,無延時(shí)跳機(jī)。啟動(dòng)過程中,如需調(diào)整汽輪機(jī)的暖機(jī)轉(zhuǎn)速點(diǎn)和暖機(jī)停留時(shí)間,還應(yīng)充分考慮汽輪機(jī)高中壓缸熱應(yīng)力控制問題。
機(jī)組軸系設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速及低壓轉(zhuǎn)子葉片設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間如表1所示。
表1 汽輪發(fā)電機(jī)組各轉(zhuǎn)子及葉片設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速
2020年06月08日機(jī)組進(jìn)行首次冷態(tài)啟動(dòng)。沖轉(zhuǎn)前,主、再熱蒸汽參數(shù)符合要求,高、中壓缸左側(cè)絕對膨脹5.62 mm,右側(cè)絕對膨脹4.29 mm,高壓缸脹差0.87 mm,中壓缸脹差0.34 mm,低壓缸脹差9.21 mm。潤滑油壓0.176 MPa,潤滑油溫40 ℃,偏心59.63 μm。沖轉(zhuǎn)過程中,主、再熱蒸汽參數(shù)保持穩(wěn)定。
11∶28機(jī)組開始首次冷態(tài)啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)。11∶33 轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)進(jìn)行打閘摩擦檢查。11∶42摩擦檢查結(jié)束后,重新定速500 r/min進(jìn)行暖機(jī),高壓缸缸溫82 ℃,中壓缸缸溫89 ℃,高壓缸熱應(yīng)力50%,中壓缸熱應(yīng)力2%。500 r/min暖機(jī)時(shí)各瓦軸振最大值28 μm,暖機(jī)結(jié)束時(shí)高壓缸缸溫175 ℃,中壓缸缸溫93 ℃。高壓缸熱應(yīng)力39.9%,中壓缸熱應(yīng)力1%。12∶04升速至1 200 r/min,此時(shí)3X振動(dòng)為68 μm,并持續(xù)上漲,無穩(wěn)定趨勢,12∶13 3X振動(dòng)上漲至240 μm,達(dá)到跳閘值,振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作,引發(fā)汽輪機(jī)跳閘。跳閘前高壓缸缸溫248 ℃,中壓缸缸溫99 ℃,高壓缸熱應(yīng)力70%,中壓缸熱應(yīng)力4%。13∶00機(jī)組投入盤車狀態(tài),偏心為63.4 μm。盤車4 h過程中,偏心始終穩(wěn)定在63 μm。首次沖轉(zhuǎn)及惰走過程中,高中壓缸膨脹及高中低壓缸脹差變化穩(wěn)定,無跳變現(xiàn)象。首次啟動(dòng)過程中各瓦軸振變化數(shù)據(jù)如表2所示。
表2 首次啟動(dòng)過程中各瓦軸振變化數(shù)據(jù)
首次沖轉(zhuǎn)時(shí)3X方向振動(dòng)在1 030 r/min附近出現(xiàn)過峰值,該轉(zhuǎn)速可能就是中壓轉(zhuǎn)子的實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速??紤]到1 200 r/min的轉(zhuǎn)速距低壓轉(zhuǎn)子1階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間(1 222~1 422 r/min)太近,對3號瓦振動(dòng)可能會(huì)造成的影響,第2次沖轉(zhuǎn)決定將暖機(jī)轉(zhuǎn)速暫定為1 125 r/min。
17∶48進(jìn)行第2次沖轉(zhuǎn),沖轉(zhuǎn)前,主、再熱蒸汽參數(shù)符合過熱度及缸溫匹配要求,高壓缸絕對膨脹為7.33 mm,中壓缸絕對膨脹為4.59 mm,高壓脹差2.9 mm,中壓脹差0.95 mm,低壓脹差10.04 mm。潤滑油壓0.176 MPa,潤滑油溫40 ℃,偏心63.2 μm。沖轉(zhuǎn)過程中,主再熱蒸汽參數(shù)保持穩(wěn)定。
機(jī)組500 r/min暖機(jī)開始時(shí),高壓缸缸溫209 ℃,中壓缸缸溫103 ℃,高壓缸熱應(yīng)力50%,中壓缸熱應(yīng)力1%。暖機(jī)8 min后,高壓缸缸溫204 ℃,中壓缸缸溫103 ℃,高壓缸熱應(yīng)力34%,中壓缸熱應(yīng)力0%。18∶04繼續(xù)升速至1 125 r/min進(jìn)行暖機(jī),高壓缸缸溫254 ℃,中壓缸缸溫109℃,高壓缸熱應(yīng)力75%,中壓缸熱應(yīng)力5%。暖機(jī)30 min后,高壓缸缸溫286 ℃,中壓缸缸溫107 ℃,高壓缸熱應(yīng)力61%,中壓缸熱應(yīng)力2%。繼續(xù)升速至1 200 r/min,此時(shí)的3X振動(dòng)值為145 μm,仍在緩慢上升,最高至204 μm后開始緩慢下降,最終降至135 μm后穩(wěn)定。第2次啟動(dòng)過程中各瓦軸振變化數(shù)據(jù)如表3所示。
表3 第二次啟動(dòng)過程中各瓦軸振變化數(shù)據(jù)
在1 125 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)行暖機(jī)的過程中,采用差別振動(dòng)診斷測試法對3號瓦基礎(chǔ)剛度進(jìn)行就地測量檢查,機(jī)組基礎(chǔ)、臺板、軸承座振動(dòng)均不大于5 μm,且差別振動(dòng)小于2 μm。雖然3X振動(dòng)已經(jīng)趨于穩(wěn)定,但振動(dòng)幅值仍比較大。考慮到汽輪機(jī)軸系還未通過臨界區(qū),為防止升速過程中軸振在臨界區(qū)快速增長,再次引發(fā)跳閘,進(jìn)而在惰走期間發(fā)生振動(dòng)發(fā)散,對轉(zhuǎn)子造成損傷,所以決定打閘停機(jī),使汽輪機(jī)惰走至盤車狀態(tài)。盤車4 h過程中,偏心由68 μm緩慢降至63 μm后穩(wěn)定。第2次沖轉(zhuǎn)及惰走過程中,高中壓缸膨脹及高中低壓缸脹差變化穩(wěn)定,無跳變現(xiàn)象。
為提高振動(dòng)故障診斷效率及準(zhǔn)確性,在收集振動(dòng)現(xiàn)象及相關(guān)數(shù)據(jù)后,本文采用正向推理診斷技術(shù)來分析此次振動(dòng)故障,過程如下:
1)通過對比振動(dòng)故障源附近的軸振、瓦振變化,采用差別振動(dòng)測量法,排除支撐力剛度或油膜剛度變化對振動(dòng)的影響。轉(zhuǎn)軸相對振動(dòng)振幅與激振力近似成正比,與油膜和支持軸瓦組成的支撐系統(tǒng)動(dòng)剛度成反比[5]。對2次沖轉(zhuǎn)過程中3Y振動(dòng)幅值水平進(jìn)行分析,認(rèn)為3號軸承處油膜剛度良好,3號瓦瓦振很小。對3號軸承座進(jìn)行的差別振動(dòng)測試結(jié)果證明,3號軸承座支撐動(dòng)剛度良好,瓦塊及支撐系統(tǒng)未發(fā)生共振。由此可以判斷造成3X振動(dòng)大的原因就是轉(zhuǎn)子激振力大。
2)根據(jù)振動(dòng)頻譜分析,確認(rèn)振動(dòng)故障類別。2次沖轉(zhuǎn)時(shí)汽輪機(jī)在1 200 r/min轉(zhuǎn)速停留過程中,3X的主要振動(dòng)分量及變化量為基頻分量,占比超過95%,這證明振動(dòng)故障為普通強(qiáng)迫振動(dòng)。
3)根據(jù)振幅和相位隨時(shí)間或工況變化的情況,確認(rèn)不平衡類別。由于機(jī)組并未并網(wǎng),所以可排除不對稱電磁力這一因素。機(jī)組各轉(zhuǎn)子間均為剛性連接,亦可排除聯(lián)軸器套裝緊力不足這一因素。2次沖轉(zhuǎn)過程中汽輪機(jī)在轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)3X振幅的變化趨勢顯示:首次沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速至1 200 r/min時(shí),3X振動(dòng)上漲很快,9 min即從68 μm上升至240 μm,導(dǎo)致機(jī)組跳閘,整個(gè)沖轉(zhuǎn)過程中汽輪機(jī)進(jìn)汽的時(shí)間僅有約36 min;第2次沖轉(zhuǎn)時(shí),汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速升至1 200 r/min后,3X方向振動(dòng)先緩慢上漲至204 μm,后降至135 μm,趨于穩(wěn)定。2次啟動(dòng)過程現(xiàn)象可進(jìn)一步排除聯(lián)軸器同心度和平直度差這個(gè)因素。由此得出造成轉(zhuǎn)子激振力大的原因就是轉(zhuǎn)子存在不穩(wěn)定不平衡。
4)根據(jù)振動(dòng)的轉(zhuǎn)速特性、負(fù)荷特性、時(shí)滯特性等規(guī)律,運(yùn)用排除法逐步縮小故障范圍,確認(rèn)排查方向。沖轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)子偏心值穩(wěn)定,且與原始偏心值基本相同。500 r/min時(shí)各瓦軸振均小于30 μm,證明2次沖轉(zhuǎn)前軸系各轉(zhuǎn)子不存在暫態(tài)或永久熱彎曲,原始撓度良好。在臨界轉(zhuǎn)速下,造成軸系激振力增大的原因有二:轉(zhuǎn)子形成了新的熱彎曲,以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在接近臨界轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速區(qū)間下停留。由于第2次沖轉(zhuǎn)過程中,在1 200 r/min轉(zhuǎn)速下暖機(jī)時(shí),3X的振動(dòng)出現(xiàn)過約70 μm的波動(dòng),因此可以判斷造成激振力增大的主要原因是轉(zhuǎn)子形成了新的熱彎曲。2次停機(jī)后,惰走過程中3X振動(dòng)峰值(首次269 μm,第2次123 μm)均超過了升速過程中的峰值(首次127 μm,第2次98 μm),這也證明了該判斷。高壓缸缸體疏水溫度在高壓缸進(jìn)汽后快速上漲,這證明其管路通暢,無積水。各瓦軸封進(jìn)汽溫度正常,且測取軸封系統(tǒng)的疏水管道溫度正常。根據(jù)上述情況,可排除缸體進(jìn)水或軸封帶水造成轉(zhuǎn)子熱彎曲的因素。由于3X振動(dòng)變化時(shí)滯大于2.5 min,因此判斷造成轉(zhuǎn)子熱彎曲,進(jìn)而引起振動(dòng)異常的原因是3號軸承箱附近發(fā)生了動(dòng)靜碰磨。2次沖轉(zhuǎn)記錄也證明了這一判斷:第1次沖轉(zhuǎn)時(shí),碰磨直接進(jìn)入中期,導(dǎo)致振動(dòng)幅度在9 min內(nèi)快速上漲至跳閘值,惰走時(shí)最高幅值為269 μm,客觀擴(kuò)大了碰磨處的動(dòng)靜間隙;第2次沖轉(zhuǎn)時(shí),動(dòng)靜間隙已經(jīng)擴(kuò)大,碰磨回到早期階段,振動(dòng)幅值波動(dòng),且超過30 μm。
5)根據(jù)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和參數(shù)變化規(guī)律,鎖定產(chǎn)生故障的具體位置。由于前2次沖轉(zhuǎn)機(jī)組最高轉(zhuǎn)速升至1 200 r/min,中壓缸幾乎還沒有進(jìn)汽,且3號軸承箱是機(jī)組的膨脹死點(diǎn),汽輪機(jī)脹差、膨脹測點(diǎn)變化穩(wěn)定,與進(jìn)汽及缸溫變化相符,因此可排除缸內(nèi)發(fā)生動(dòng)靜碰磨的可能性。由于該機(jī)組軸封安裝間隙大于0.5 mm,且未出現(xiàn)軸封帶水運(yùn)行的問題,亦可排除軸封碰磨的可能性。最有可能造成碰磨的故障源即為3號軸承箱內(nèi)部的油擋、軸瓦和輔助軸承等處。由于2次啟動(dòng)過程中軸瓦溫度均正常,因此可排除軸瓦與轉(zhuǎn)軸直接碰磨的可能性。
由于轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速下已發(fā)生碰磨,如果采用提高升速率強(qiáng)行通過臨界區(qū)的方法,則易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子在跳閘停機(jī)惰走至臨界轉(zhuǎn)速時(shí),自身的不平衡激振力引起的振幅迅速增大。尤其是已發(fā)生熱彎曲的轉(zhuǎn)子惰走至1階臨界轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)軸熱彎曲高點(diǎn)與轉(zhuǎn)軸振動(dòng)位移方向相同,轉(zhuǎn)子會(huì)越磨越彎,振動(dòng)成倍擴(kuò)大,引發(fā)彎軸事故。機(jī)組如果繼續(xù)升速,則將接近軸系的連續(xù)臨界區(qū),在1階臨界轉(zhuǎn)速下沒有更高轉(zhuǎn)速的暖機(jī)點(diǎn),且第2次沖轉(zhuǎn)時(shí),汽輪機(jī)在1 200 r/min停留時(shí),3X振動(dòng)幅值已穩(wěn)定在135 μm,這證明在該轉(zhuǎn)速下停留已沒有消除剩余碰磨點(diǎn)、擴(kuò)大動(dòng)靜間隙的意義。故決定停機(jī),對3號軸承箱內(nèi)部的油擋間隙和輔助軸承與轉(zhuǎn)軸之間的間隙進(jìn)行檢查,尋找碰磨故障源。
2020年06月10日,打開3號軸承箱進(jìn)行檢查,軸承箱中壓缸側(cè)轉(zhuǎn)子劃痕及油擋積垢圖如圖2所示。從圖2(a)中可見3號軸承箱的右側(cè)調(diào)閥端(靠中壓缸處)油擋由內(nèi)向外第1齒處的大軸表面有輕微劃痕,此處油擋間隙只有0.035 mm,已發(fā)生碰磨。同時(shí),發(fā)現(xiàn)油擋中分面處有油漆、密封膠類柔性附著物。從圖2(b)、(c)中可見此類柔性附著物填充了油檔間空隙,它們均為產(chǎn)生動(dòng)靜碰磨的隱患。
(a)右側(cè)調(diào)閥端(靠中壓缸處)油擋劃痕
采取以下2項(xiàng)措施對檢查出現(xiàn)的問題進(jìn)行了處理:將3號軸承右側(cè)油擋間隙由0.035~0.05 mm調(diào)整至0.1 mm,左側(cè)油擋間隙調(diào)整至0.25~0.3 mm;對油擋空隙處的油漆、密封膠等柔性附著物進(jìn)行了清理。
為降低低壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速對3號軸承振動(dòng)的影響,需對原設(shè)計(jì)冷態(tài)啟動(dòng)曲線進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí),考慮汽輪機(jī)升速過程中的進(jìn)汽規(guī)律和暖機(jī)效果,將500 r/min轉(zhuǎn)速下的暖機(jī)時(shí)間延長,以緩解因汽輪機(jī)在1 125 r/min轉(zhuǎn)速下無法長時(shí)間停留而造成的暖機(jī)時(shí)間和效果不足的問題??筛鶕?jù)汽輪機(jī)在1 125 r/min轉(zhuǎn)速下暖機(jī)時(shí)振動(dòng)變化的情況適當(dāng)減少該轉(zhuǎn)速下的暖機(jī)時(shí)間。暫定在1 800 r/min附近增加一個(gè)高速暖機(jī)點(diǎn),以防止汽輪機(jī)直接升速至3 000 r/min后可能出現(xiàn)的高壓缸熱應(yīng)力大的問題。
軸承箱檢查工作結(jié)束后,機(jī)組第3次啟動(dòng),過程中機(jī)組分別在500 r/min、1 125 r/min和1 800 r/min停留暖機(jī)25 min、29 min和41 min,并最終機(jī)組成功定速3 000 r/min,首次定速后各瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)如表4所示。此次沖轉(zhuǎn),汽輪機(jī)在1 125 r/min暖機(jī)過程中3X振動(dòng)從59 μm最高升至71 μm,遠(yuǎn)小于第2次沖轉(zhuǎn)時(shí)的最高值204 μm和最終穩(wěn)定值135 μm,證明之前存在的動(dòng)靜碰磨故障已經(jīng)消除。
表4 第3次啟動(dòng)定速3 000 r/min各瓦軸振數(shù)據(jù)
升速過程中,對各瓦振動(dòng)的轉(zhuǎn)速特性曲線進(jìn)行分析后,得到了機(jī)組軸系各轉(zhuǎn)子的實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間,如表5所示。
表5 汽輪發(fā)電機(jī)組各轉(zhuǎn)子實(shí)測臨界轉(zhuǎn)速
本次啟動(dòng)中,在機(jī)組1 800 r/min轉(zhuǎn)速下高速暖機(jī)時(shí)1號、5號軸承振動(dòng)一直緩慢上升,這是該轉(zhuǎn)速距高壓轉(zhuǎn)子1階臨界轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子2階臨界轉(zhuǎn)速很近導(dǎo)致的,證明汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速不宜在該轉(zhuǎn)速下長時(shí)間停留。機(jī)組第4次啟動(dòng)過程中,將500 r/min下的暖機(jī)時(shí)間延長至1 h,1 125 r/min下暖機(jī)停留30 min,1 800 r/min下暖機(jī)時(shí)間縮短至6 min。啟動(dòng)過程中,最大振動(dòng)出現(xiàn)在1 130 r/min下暖機(jī)結(jié)束時(shí)4號(X:122 μm、Y:25 μm)、5號(X:103 μm、Y:64 μm)軸承處,這是由于該轉(zhuǎn)速靠近低壓轉(zhuǎn)子的實(shí)際臨界區(qū),且低壓轉(zhuǎn)子積累了一定熱彎曲后在該轉(zhuǎn)速下停留,因此激振力增大。高壓缸熱應(yīng)力最大為剛定速3 000 r/min時(shí)的60%。本次定速3 000 r/min后各瓦振動(dòng)數(shù)據(jù)見表6。總結(jié)對比2次沖轉(zhuǎn)過程中各參數(shù)變化規(guī)律,之前選定的1 800 r/min轉(zhuǎn)速下汽輪機(jī)暖機(jī)點(diǎn)可以取消。
表6 第4次啟動(dòng)定速3 000 r/min各瓦軸振數(shù)據(jù)
最終優(yōu)化后的冷態(tài)啟動(dòng)方案為:汽輪機(jī)自盤車轉(zhuǎn)速升速至500 r/min后,暖機(jī)不少于60 min,然后升速至1 125 r/min,暖機(jī)30 min,最后升速至3 000 r/min進(jìn)行高速暖機(jī),或直接并網(wǎng)進(jìn)行初負(fù)荷暖機(jī)。
本文對某新建660 MW機(jī)組首次冷態(tài)啟動(dòng)遇到的振動(dòng)異常事故進(jìn)行了分析,對故障原因進(jìn)行了判斷,并采取了有效措施,認(rèn)為類似的故障可以采用振動(dòng)故障正向推理診斷技術(shù),通過對沖轉(zhuǎn)過程參數(shù)變化趨勢及振動(dòng)頻譜圖的分析,可快速、準(zhǔn)確地找到振動(dòng)故障源,解決汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)過程的碰磨振動(dòng)故障問題,有效避免因盲目升速導(dǎo)致轉(zhuǎn)子過臨界后出現(xiàn)嚴(yán)重的碰磨問題,而可能發(fā)生的轉(zhuǎn)子永久彎曲的事故。研究成果對新建汽輪發(fā)電機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過程中振動(dòng)控制提供了可借鑒的思路。