明 亮，陳瑞山，張 偉

（國(guó)家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，山西太原030006）

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)組是火力發(fā)電廠的核心設(shè)備，它的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。振動(dòng)水平是衡量機(jī)組安全可靠性最重要的指標(biāo)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在高溫高壓的蒸汽環(huán)境中高速運(yùn)轉(zhuǎn)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，振動(dòng)過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備部件的疲勞損壞，甚至使轉(zhuǎn)動(dòng)部件松動(dòng)、斷裂或飛脫，一些重大的毀機(jī)事故直接或間接地與振動(dòng)有關(guān)。在汽輪發(fā)電機(jī)組的各種振動(dòng)故障中，不平衡引起的振動(dòng)占70%以上，還有部分故障也可以通過(guò)平衡的手段使振動(dòng)得到改善。因此，現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是消除高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)的主要手段[1-2]。為此，本文以上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的型號(hào)C350-24.2/0.4/566/566350超臨界空冷、單軸、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機(jī)為例，分析機(jī)組振動(dòng)的原因[3]，并重點(diǎn)介紹如何對(duì)高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行配重，使機(jī)組的瓦振動(dòng)值達(dá)到合理。

1 機(jī)組概況

某廠2號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)是上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的型號(hào)為C350-24.2/0.4/566/566350的超臨界空冷、單軸、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機(jī)，配套QFSN-350-2型水氫冷汽輪發(fā)電機(jī)。該機(jī)組于2014年投產(chǎn)，2018年進(jìn)行了B級(jí)檢修，2020年進(jìn)行了A級(jí)檢修。2號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子（HPIP）、低壓轉(zhuǎn)子（LP）、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子（GEN）共同組成，各轉(zhuǎn)子均為雙支撐結(jié)構(gòu)。該機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動(dòng)情況

從2014年至2020年，2號(hào)機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子通過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速的振動(dòng)值逐年增大，期間在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了5次動(dòng)平衡。其中，2014年、2015年、2017年3次現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是因高中壓轉(zhuǎn)子通過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)大；第4次現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是因2018年B修時(shí)發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子過(guò)橋汽封處彎曲260 μm，返廠車削轉(zhuǎn)子啟動(dòng)后工作轉(zhuǎn)速振動(dòng)大；第5次現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡是因2020年A修時(shí)發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子過(guò)橋汽封處彎曲220 μm，返廠車削轉(zhuǎn)子啟動(dòng)后工作轉(zhuǎn)速振動(dòng)大。表1為2014年—2017年2號(hào)機(jī)組啟動(dòng)通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)1X、1Y、2X、2Y方向軸振動(dòng)數(shù)據(jù)；表2為2次車削轉(zhuǎn)子啟動(dòng)后工作轉(zhuǎn)速下振動(dòng)數(shù)據(jù)。

表1 過(guò)臨界振動(dòng)數(shù)據(jù)（基頻）

表2 工作轉(zhuǎn)速下振動(dòng)數(shù)據(jù)（基頻）

3 振動(dòng)特征及分析

3.1 振動(dòng)特征

a）在歷次啟機(jī)過(guò)程中，高中壓轉(zhuǎn)子通過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)1X、1Y、2X、2Y方向軸振動(dòng)多次出現(xiàn)振動(dòng)偏大的情況，且在進(jìn)行動(dòng)平衡處理后過(guò)一段時(shí)間再次出現(xiàn)，表明1瓦、2瓦的振動(dòng)是不斷增大的，在2017年4月17日開(kāi)機(jī)過(guò)程中，1X測(cè)點(diǎn)通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的最大振動(dòng)峰值達(dá)到了252 μm。

b）在升速通過(guò)高中壓轉(zhuǎn)子一階臨界區(qū)時(shí)，從1X、1Y、2X、2Y方向軸振動(dòng)頻譜來(lái)看，振動(dòng)成分以基頻分量為主，從相位關(guān)系上看，1瓦、2瓦振動(dòng)相位為同向，且每次振動(dòng)的相位基本一致，說(shuō)明高中壓轉(zhuǎn)子存在典型的一階質(zhì)量不平衡，且每次振動(dòng)惡化的方向基本一致。以上這些特征表明高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了漸變式永久性彎曲，從而造成該轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的不斷惡化，過(guò)臨界振動(dòng)不斷增大[4-7]。

c）在工作轉(zhuǎn)速下，從1X、1Y、2X、2Y方向軸振動(dòng)頻譜來(lái)看，振動(dòng)成分以基頻分量為主，從相位關(guān)系上看，相位為反向，振動(dòng)特征在各種運(yùn)行工況基本保持不變，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)較穩(wěn)定，說(shuō)明高中壓轉(zhuǎn)子存在典型的二階質(zhì)量不平衡。

3.2 振動(dòng)分析

造成轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中彎曲的原因很多，近年來(lái)多個(gè)電廠的國(guó)產(chǎn)300 MW和600 MW機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中發(fā)生了永久彎曲的情況，而且大部分機(jī)組表現(xiàn)為1～2 a正式運(yùn)行后在啟停過(guò)程中過(guò)臨界振動(dòng)持續(xù)惡化，主要原因有以下幾方面：一是高中壓轉(zhuǎn)子的毛坯在鍛造中存在較大的殘余應(yīng)力，在機(jī)加工前處理不當(dāng)，殘余應(yīng)力在安裝完畢投入運(yùn)行后逐漸釋放，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)永久性彎曲，而在機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，彎曲量會(huì)越來(lái)越大，在運(yùn)行中表現(xiàn)為啟停機(jī)過(guò)臨界時(shí)振動(dòng)值不斷變大。二是高中壓轉(zhuǎn)子中部工作溫度高。三是部分機(jī)組初期啟動(dòng)時(shí)高壓缸進(jìn)汽量很小，切閥后高缸進(jìn)汽量大增且溫度迅速上升。四是合缸高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速在1 500～1 700 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速在4 000 r/min以上，因工作轉(zhuǎn)速處于一階、二階臨界轉(zhuǎn)速間，一階、二階振型不平衡對(duì)工作轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)會(huì)有影響。五是轉(zhuǎn)子質(zhì)量較小，容易被蒸汽靜態(tài)力浮起，并被不均衡密閉流體力擾動(dòng)，同時(shí)軸承比壓較小，易發(fā)生油膜油壓波動(dòng)。六是變負(fù)荷通過(guò)70%負(fù)荷附近時(shí)，軸封供汽發(fā)生輔聯(lián)供汽與自密封供汽的切換，軸封供汽有一定的波動(dòng)。七是隨著節(jié)能減排要求的提高，高中壓缸內(nèi)間隙越來(lái)越小，更易發(fā)生動(dòng)靜碰摩。

通常對(duì)于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子永久性彎曲的處理方法有2種，一種是檢修時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)或返廠通過(guò)給轉(zhuǎn)子施加載荷進(jìn)行直軸，另一種是返制造廠在機(jī)床上對(duì)彎曲部分進(jìn)行車削。對(duì)一階不平衡進(jìn)行針對(duì)性處理后，在工作轉(zhuǎn)速下還可能出現(xiàn)二階不平衡的問(wèn)題，此時(shí)需再進(jìn)行針對(duì)性的處理。

4 故障處理

2號(hào)機(jī)組過(guò)臨界時(shí)振動(dòng)大的主要原因是高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了漸變式永久性彎曲，產(chǎn)生了較大的一階不平衡質(zhì)量。因此，2014年—2017年都在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行配重以減弱彎曲對(duì)振動(dòng)的影響。表3為2014年—2017年的配重記錄，表4為現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡后的振動(dòng)數(shù)據(jù)。

表3 2014年—2017年配重記錄

從表4可以看出，經(jīng)過(guò)在1、2瓦側(cè)和平衡活塞處（轉(zhuǎn)子中部）配重孔加平衡螺釘后，2號(hào)機(jī)組在通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速區(qū)過(guò)程中1X、1Y、2X、2Y軸振動(dòng)均在100 μm以下，振動(dòng)狀況都得到明顯改善。

表4 平衡后機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)（通頻）μm

在2018年B修和2020年A修中都對(duì)汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子返制造廠進(jìn)行了車削處理，檢修結(jié)束啟動(dòng)后在工作轉(zhuǎn)速下存在1X、1Y軸振動(dòng)偏大的問(wèn)題，為此對(duì)高中壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡。表5為高中壓轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)配重記錄，表6為現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡后1X、1Y、2X、2Y軸振動(dòng)數(shù)據(jù)。

表5 2018年和2020年配重記錄

表6 機(jī)組動(dòng)平衡后工作轉(zhuǎn)速下振動(dòng)數(shù)據(jù)（通頻）μm

從表6可以看出，動(dòng)平衡后，在工作轉(zhuǎn)速下1瓦、2瓦的振動(dòng)狀況得到明顯改善，振動(dòng)值達(dá)到合理水平。

5 結(jié)論

a）2號(hào)機(jī)組振動(dòng)異常的主要原因是高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了漸變式的永久性彎曲，產(chǎn)生了較大的一、二階質(zhì)量不平衡所致。

b）轉(zhuǎn)子永久性彎曲與質(zhì)量不平衡的振動(dòng)特征相似，均會(huì)產(chǎn)生工頻的激振力，在現(xiàn)場(chǎng)不能對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行處理的情況下，動(dòng)平衡是解決振動(dòng)問(wèn)題的有效措施。

c）經(jīng)過(guò)在高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)和中部的配重孔加平衡螺釘后，2號(hào)機(jī)組在過(guò)臨界、工作轉(zhuǎn)速下的各瓦振動(dòng)值均達(dá)到了良好的水平。