章 鵬，楊振華，滕千里，馬振方

（杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012）

0 引言

某57 MW背壓式汽輪機(jī)帶30%電負(fù)荷后進(jìn)行調(diào)門嚴(yán)密性試驗，打閘停機(jī)時盤車裝置無法投入，原因不明，緊急進(jìn)行悶缸處理，38 h 后系統(tǒng)恢復(fù)正常。

目前，國內(nèi)許多工程人員及專家學(xué)者已經(jīng)對盤車裝置無法投入的原因進(jìn)行了大量探討，如盤車系統(tǒng)故障［1］、頂軸油泵頂起高度不足［2］、軸封抱死［3-4］、動靜碰磨［5-7］、斷油燒瓦［8］以及大軸彎曲［9］等。為了查明確切原因，提高工程安裝質(zhì)量，消除設(shè)備缺陷，優(yōu)化運(yùn)行方式，有必要對該案例進(jìn)行深入研究。

1 汽輪機(jī)概況

該機(jī)組由上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)制造，型號為CB57-9.1/3.3/0.981/535，型式為單軸、單缸、反流、反動抽背式，額定功率54 MW，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，額定進(jìn)汽量475 t/h，最大進(jìn)汽量500 t/h，主汽壓力9.1 MPa（a），主汽溫度535 ℃，調(diào)整抽汽壓力，調(diào)整抽汽流量為163.858 t/h，額定背壓，共設(shè)有2個主汽閥和4個高壓調(diào)節(jié)汽閥，分兩組布置在高、中壓缸的兩側(cè)，另有一座缸抽汽調(diào)門位于氣缸上部，連接高、中壓缸，用于調(diào)節(jié)中壓抽汽壓力。該機(jī)組軸系剖面如圖1所示，汽輪機(jī)軸系總長6.35 m，轉(zhuǎn)子重約17.5 t，液壓盤車和手動盤車均位于機(jī)頭。其中轉(zhuǎn)子的死點(diǎn)位于調(diào)閥端的徑向推力軸承，汽缸的死點(diǎn)處于外缸調(diào)閥端下貓爪配合處，轉(zhuǎn)子與靜子均向電機(jī)側(cè)膨脹。

圖1 機(jī)組軸系剖面

2 事件概述

2021 年4 月16 日19：30，機(jī)組并網(wǎng)帶30%電負(fù)荷運(yùn)行4 h 后解列，開始進(jìn)行調(diào)門嚴(yán)密性試驗。此時汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，主汽溫520 ℃，主汽壓8.46 MPa，頂軸油泵停運(yùn)，盤車電磁閥關(guān)閉，軸加風(fēng)機(jī)停運(yùn)，機(jī)組軸承振動最大40 μm，軸瓦溫度最高70 ℃，轉(zhuǎn)子偏心27 μm，軸向位移0.18 mm，脹差-0.86 mm，高、中壓缸上缸溫度474 ℃，上下缸溫差4 ℃。

此時進(jìn)行調(diào)閥嚴(yán)密性試驗，試驗條件為排汽放空閥全開且背壓為大氣壓，最低轉(zhuǎn)速1 200 r/min，不滿足DL/T 711—2019《汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)試驗導(dǎo)則》要求。分析原因，是由于主汽調(diào)閥本體的漏汽孔對調(diào)門嚴(yán)密性試驗產(chǎn)生了干擾。鑒于此，決定在排汽背壓不大于0.4 MPa的情況下，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)門嚴(yán)密性試驗。隨著排汽放空閥的緩慢關(guān)閉，背壓逐漸升高，轉(zhuǎn)速降至1 000 r/min 以下，試驗合格，打閘停機(jī)。

停機(jī)后，按照運(yùn)行規(guī)程，機(jī)組投入液動盤車，盤車轉(zhuǎn)速5 r/min，轉(zhuǎn)子偏心20 μm，3 min 后轉(zhuǎn)速突降至0，就地檢查頂軸油壓：1號軸承6 MPa、2號軸承3.7 MPa/4.3 MPa、3 號軸承9 MPa、4 號軸承5.5 MPa，與調(diào)整頂起高度時一致。檢查潤滑油壓未見異常，重新投入盤車，仍無法盤動。嘗試進(jìn)行手動盤車，發(fā)現(xiàn)阻力較小，于是重新投運(yùn)液動盤車，盤車運(yùn)行2 s 后，轉(zhuǎn)速再次降至0，且無法手動盤動，決定采取悶缸的方式處理，并間隔2 h 嘗試進(jìn)行一次手動盤車，每2 h 進(jìn)行一次缸體及各抽汽逆止閥前疏水，每次持續(xù)1 min。

至4月17日22：00，手動盤車方可進(jìn)行，但阻力較大，隨后每15 min 翻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子180°，至4 月18日10：00，手動盤車已無阻力，投入液動盤車后，偏心值正常，再次沖轉(zhuǎn)、帶負(fù)荷及96 h 整套啟動試運(yùn)期間均無異常。

3 原因分析

3.1 嚴(yán)密性試驗誘導(dǎo)碰磨

調(diào)門嚴(yán)密性試驗用于檢驗調(diào)門的嚴(yán)密程度，保證在任何工況下，調(diào)門均可嚴(yán)密關(guān)閉，防止汽輪機(jī)超速，該機(jī)組調(diào)門嚴(yán)密性試驗安排在機(jī)組帶30%電負(fù)荷之后進(jìn)行，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速與排汽背壓關(guān)系見圖2。

圖2 最低轉(zhuǎn)速與背壓的關(guān)系

由于調(diào)門上平衡孔的存在，當(dāng)排汽背壓為大氣壓時，最低轉(zhuǎn)速只能維持在1 200 r/min。為了模擬背壓機(jī)組的實際運(yùn)行工況，制訂了逐漸提高排汽背壓至0.4 MPa，控制轉(zhuǎn)速在1 000 r/min以內(nèi)為試驗合格的調(diào)門嚴(yán)密性試驗方案。在試驗過程中，當(dāng)排汽背壓逐漸升至0.15 MPa 時，轉(zhuǎn)速降至900 r/min，打閘停機(jī)后出現(xiàn)動靜碰磨事件。

調(diào)門嚴(yán)密性試驗前，機(jī)組已沖轉(zhuǎn)帶負(fù)荷運(yùn)行4 h，期間上下缸溫偏差在4 ℃以內(nèi)，排除了汽缸拱背致轉(zhuǎn)子汽封徑向抱死的可能性，判斷是調(diào)門嚴(yán)密性試驗后，蒸汽流量減少，高、中壓轉(zhuǎn)子收縮不均誘導(dǎo)了動靜部件的軸向碰磨，而機(jī)組的振動和偏心可直觀揭示動靜碰磨過程。

3.2 振動及轉(zhuǎn)子偏心

汽輪機(jī)振動是監(jiān)視機(jī)組是否正常運(yùn)行的重要參數(shù)，振幅隨時間的延續(xù)而逐漸增加是動靜碰磨的典型特征［10］，然而在帶負(fù)荷期間，4個軸承各方向振動均在40 μm 以下，表明調(diào)門嚴(yán)密性試驗前機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)。圖3所示為試驗過程中1號軸承振動及轉(zhuǎn)子偏心實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖3 振動及轉(zhuǎn)子偏心變化

圖3 中1 號軸承X 方向振動在轉(zhuǎn)速降至1 500 r/min 時快速上升是由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速處于臨界區(qū)域，當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降至1 100 r/min以下后，1號軸承X 方向振動下降至正常水平，且振動變化不是突變性振動，可排除轉(zhuǎn)子部件脫落故障［11-13］。汽輪機(jī)打閘后，轉(zhuǎn)速由60 r/min 突降至5 r/min，轉(zhuǎn)子偏心瞬時上升至79 μm，表明轉(zhuǎn)子與靜止部件發(fā)生了動靜碰磨，且隨著動靜部件接觸面積的增加，轉(zhuǎn)子阻力矩變大，最終導(dǎo)致盤車無法重新投入。

確定動靜碰磨發(fā)生的部位，有利于改進(jìn)設(shè)計，而對各段的脹差進(jìn)行校核計算是行之有效的方法。

3.3 轉(zhuǎn)子及缸體膨脹計算

蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)后，轉(zhuǎn)子和汽缸均受熱膨脹，轉(zhuǎn)子質(zhì)量小且軸系長，受熱應(yīng)力的影響更大，即轉(zhuǎn)子與汽缸相比溫升更快、膨脹更大。轉(zhuǎn)子膨脹與汽缸膨脹之差即為脹差［14］，脹差超限是動靜部件軸向碰磨的主要原因。

資料表明影響脹差的因素主要有高、中壓缸熱膨脹ΔZ1，轉(zhuǎn)子熱膨脹ΔZ2，轉(zhuǎn)子由于輪盤離心力引起的軸向變形Z3以及轉(zhuǎn)速引起的軸向位移Z4，脹差Z0計算公式為：

徐鴻［15-16］等考慮了輪盤傳熱對轉(zhuǎn)子膨脹量的影響，并對轉(zhuǎn)子膨脹的計算方法進(jìn)行了修正，對于級數(shù)較多的大型機(jī)組可在一定程度上提高計算精度，但對于本機(jī)組而言，Z3值較小可以忽略，轉(zhuǎn)速引起的軸向位移Z4一般在進(jìn)行瞬態(tài)計算時需加以考慮，為簡化模型，這里同樣不予考慮。

因汽缸或轉(zhuǎn)子軸向存在溫度梯度，在計算熱膨脹時，將計算區(qū)域分成了多個區(qū)段，分別以兩端邊界溫度的平均值代表區(qū)段內(nèi)整體溫度，邊界處視為絕熱條件［17］。缸體熱膨脹ΔZ1計算公式為：

式中：N為區(qū)段數(shù)；Li為計算區(qū)段i的軸向長度；tm為區(qū)段內(nèi)的平均溫度；t0為環(huán)境溫度，一般取20 ℃；αi為材料的線膨脹系數(shù)。轉(zhuǎn)子熱膨脹ΔZ2的計算與式（2）同理。

建立高、中壓轉(zhuǎn)子及汽缸膨脹的計算模型，其軸向分段情況如圖4 所示。其中轉(zhuǎn)子材料為30Cr1Mo1NiV，總跨度5 000 mm；高壓外缸缸體材料為鉻鉬鋼鑄件（ZG20CrMo）；高壓內(nèi)缸材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)鉻鉬鋼鑄件（ZG15Cr2Mo1），以高壓外缸的相對死點(diǎn)為進(jìn)汽中心線，膨脹計算結(jié)果如表1所示。

圖4 高壓缸轉(zhuǎn)子及汽缸膨脹計算模型

由表1數(shù)據(jù)可知，帶負(fù)荷運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)子與外缸脹差達(dá)到了-3.59 mm，已經(jīng)超出機(jī)組允許的最大脹差（-3.1 mm）。為抵消脹差帶來的影響，汽輪機(jī)的靜止部分和轉(zhuǎn)動部分之間預(yù)留了軸向間隙，沿軸向各部位脹差計算值與汽封間隙尺寸對比數(shù)據(jù)見表2。由表2 數(shù)據(jù)可知，機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時，距離死點(diǎn)的位置越遠(yuǎn)，脹差累積值越大，但各點(diǎn)脹差均未超出汽封間隙設(shè)計值。

表1 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及缸體膨脹計算結(jié)果

表2 脹差與汽封間隙對照

圖5 所示為實時監(jiān)測的轉(zhuǎn)子以及汽缸膨脹值，4 h帶負(fù)荷期間轉(zhuǎn)子和汽缸膨脹已經(jīng)失去監(jiān)視，計算得到實際脹差為-3.59 mm。發(fā)電機(jī)解列后，轉(zhuǎn)子絕對膨脹減小1.4 mm后即發(fā)生了動靜碰磨。

圖5 膨脹實時監(jiān)測值

分析認(rèn)為：發(fā)電機(jī)解列，失去蒸汽對軸系的加熱作用后，轉(zhuǎn)子軸系溫度梯度逐漸減小，高壓轉(zhuǎn)子快速收縮是轉(zhuǎn)子絕對膨脹減小的主要原因，而低壓轉(zhuǎn)子膨脹保持不變，即高壓缸1級靜葉處累計脹差擴(kuò)大了1.4 mm，負(fù)脹差為3.08 mm，達(dá)到了汽封間隙的設(shè)計值下限，造成了動靜碰磨。

4月18日10：00缸溫下降，汽缸膨脹與轉(zhuǎn)子膨脹恢復(fù)監(jiān)視，此時脹差為-2.9 mm，手動盤車恢復(fù)，高壓缸側(cè)出現(xiàn)摩擦聲，連續(xù)盤車2 h后摩擦聲消失，與前述碰磨區(qū)域的判斷相互印證。

3.4 座缸閥的影響

此外，在機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行期間發(fā)現(xiàn)調(diào)整抽汽溫度顯著高于設(shè)計溫度50 ℃以上，且座缸閥前后壓差較大，汽缸溫度也明顯高于理論值，分析運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)機(jī)組調(diào)節(jié)級后蒸汽溫度與調(diào)整抽汽溫度溫差很小，表明高壓通流做功能力較差，且機(jī)組調(diào)整抽汽壓力與座缸閥后壓力偏差較大，判斷原因可能是座缸閥處于全關(guān)憋壓狀態(tài)，然而分散控制系統(tǒng)畫面顯示座缸閥已全開。

取17 MW時的運(yùn)行數(shù)據(jù)，將座缸閥前壓力設(shè)定至5.01 MPa，對座缸閥憋壓工況進(jìn)行計算，結(jié)果見表3，得到調(diào)整抽汽溫度理論計算值為494.6 ℃，與現(xiàn)場調(diào)整抽汽溫度基本吻合。據(jù)表3數(shù)據(jù)可基本確定座缸閥出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象，經(jīng)過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)座缸閥確實處于關(guān)閉狀態(tài)。

表3 運(yùn)行參數(shù)及理論計算值

綜上所述，因座缸閥憋壓，高壓缸實際運(yùn)行溫度高于設(shè)計值，缸體已過度膨脹，此時進(jìn)行快速降負(fù)荷操作，負(fù)脹差極易超出設(shè)計值，造成動靜碰磨。

經(jīng)過重新校準(zhǔn)座缸閥開關(guān)位，檢查機(jī)組缸體、軸系均無損傷，重新核算機(jī)組軸向間隙的設(shè)置，確定調(diào)整抽汽超溫、超壓狀況不影響機(jī)組的正常啟停及盤車要求之后，機(jī)組重新投入運(yùn)行，各項參數(shù)正常，甩100%負(fù)荷試驗成功，且未再出現(xiàn)動靜碰磨事件。

4 結(jié)語

此次汽輪機(jī)動靜碰磨事件，一方面由于座缸調(diào)閥開關(guān)位置反饋錯誤，導(dǎo)致汽輪機(jī)高壓缸憋壓，并在4 h 帶負(fù)荷并網(wǎng)期間持續(xù)偏離設(shè)計工況運(yùn)行，調(diào)整抽汽溫度和汽缸溫度高于設(shè)計值工作時轉(zhuǎn)子及汽缸已過度膨脹；另一方面，在調(diào)門嚴(yán)密性試驗后，轉(zhuǎn)子軸向溫度梯度變小，具體表現(xiàn)為高壓段轉(zhuǎn)子急劇收縮，導(dǎo)致高壓缸第1—3 級動靜葉處的汽封間隙發(fā)生碰磨，最終迫使液動盤車停車。在分析該事件的原因后提出如下建議：

1）當(dāng)負(fù)脹差逐漸增大時，應(yīng)盡快分析原因，切勿貿(mào)然打閘停機(jī)，否則將導(dǎo)致負(fù)脹差進(jìn)一步擴(kuò)大，嚴(yán)重時將造成動靜碰磨事件；反之，正脹差增加至極限時，快速停機(jī)是可取的操作方式。

2）對于本機(jī)組而言，因調(diào)門設(shè)計有平衡孔，在排汽背壓為大氣壓的條件下進(jìn)行調(diào)門嚴(yán)密性試驗時，最低轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，符合制造廠的標(biāo)準(zhǔn)要求，調(diào)門嚴(yán)密性試驗合格。

3）機(jī)組運(yùn)行過程中應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視，保證機(jī)組運(yùn)行在整定值范圍內(nèi)，若出現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)超出設(shè)計范圍，應(yīng)及時分析原因，避免重大事故的發(fā)生。