汽輪機的運行和故障分析

趙立民代軍禮 都占軍 杜富生

（青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司)

汽輪機的運行和故障分析

趙立民*代軍禮 都占軍 杜富生

（青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司)

分析了NK40/56型汽輪機的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，就該汽輪機的穩(wěn)定運行問題進行了詳細闡述。對該汽輪機運行中常發(fā)生的故障進行了分析，并提出了處理措施。

汽輪機調(diào)速器超速保護裝置軸振動軸位移

1 汽輪機簡述

青海鹽湖工業(yè)股份有限公司化工分公司采用NK40/56型凝汽式汽輪機驅(qū)動20 000 Nm3/h空分裝置上的空壓機、增壓機。在機組額定工況下，汽輪機進汽參數(shù)為：壓力3.7 MPa，溫度420℃，流量46.2 t/h，排汽壓力0.01 MPa，機組轉(zhuǎn)速6 100 r/min，汽輪機輸出功率11 176 kW，汽耗率4.09 kg/（kW·h）。主蒸汽由汽輪機左側(cè)下方進入速關(guān)閥，經(jīng)高壓調(diào)節(jié)汽閥進入汽輪機通流部分。蒸汽在膨脹段作功后壓力降至排汽壓力，然后進入凝汽器。進入凝汽器的排汽與循環(huán)水進行熱交換，生成凝結(jié)水匯集在熱井中。凝結(jié)水由凝結(jié)水泵輸送到鍋爐給水系統(tǒng)。為保證凝汽器安全經(jīng)濟地運行，通過熱井液位變送器、液位調(diào)節(jié)器及液位調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)熱井液位的高度，防止凝汽器超壓。為保持凝汽器中蒸汽凝結(jié)時建立的真空和良好的換熱效果，由抽汽器將漏入凝汽器的空氣（包括未凝蒸汽）不斷抽出。為防止汽缸前汽封處高溫蒸汽漏入軸承箱造成軸承溫度升高及潤滑油中帶水，防止后汽封處空氣漏入排汽缸而使真空惡化，汽輪機還采用了閉式汽封系統(tǒng)，主要由氣動汽封壓力調(diào)節(jié)器以及管道、調(diào)節(jié)閥等組件實現(xiàn)汽輪機本體的密封。

汽輪機各組件前汽缸、平衡管、封汽管路、低壓缸、排汽安全閥、抽汽器等統(tǒng)一接至疏水膨脹箱，其它疏水由閥門直接排至地溝。汽輪機調(diào)節(jié)及潤滑油系統(tǒng)由油站潤滑油泵分兩路分別接至汽輪機潤滑油、調(diào)節(jié)油總管，再分別輸送至汽輪機軸承箱及調(diào)節(jié)系統(tǒng)，最后通過回油總管回到潤滑油站油箱。為減少因油量變化而引起的油壓波動，在調(diào)節(jié)油管道上加裝一液壓蓄能器，以保證汽輪機正常運行。

2 汽輪機控制系統(tǒng)

該汽輪機采用電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)速傳感器、電液轉(zhuǎn)換器、油動機、調(diào)節(jié)汽閥和WOODWARD 505電子調(diào)速器等組成。其功能是控制機組的轉(zhuǎn)速（功率），使之在給定范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。WOODWARD 505電子調(diào)速器接收兩個轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測的汽輪機轉(zhuǎn)速信號，取最大值與轉(zhuǎn)速設(shè)定值進行比較，如果不一致，則輸出一個執(zhí)行信號（4～20 mA電流），經(jīng)電液轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二次油壓（0.15～0.45 MPa）信號，二次油通過油動機操縱調(diào)節(jié)汽閥，調(diào)節(jié)進汽量，以維持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

汽輪機啟動指開啟速關(guān)閥。啟動系統(tǒng)由速關(guān)組合件中的手動換向閥和速關(guān)閥組成。手動換向閥用于開啟速關(guān)閥。速關(guān)組合件具有遠程自動或手動停機以及速關(guān)閥實驗活動的功能。速關(guān)閥上的行程開關(guān)指示速關(guān)閥狀態(tài)（打開或關(guān)閉）。只有當速關(guān)閥完全開啟后，才允許沖轉(zhuǎn)汽輪機。

汽輪機還配有電子式軸位移／軸振動監(jiān)測儀表和三選二超速保護裝置。當汽輪機的軸位移或軸振動過大，或機組超速時，電子安全保護系統(tǒng)發(fā)出停機信號給配置的停機電磁閥，切斷速關(guān)油路，同時泄掉油路中的速關(guān)油，使速關(guān)閥迅速關(guān)閉。手動停機閥也是速關(guān)組合件的組成部分，用于就地手動緊急停機。

汽輪機還配有軸瓦溫度檢測儀表。在汽輪機啟動或升速過程中，汽輪機轉(zhuǎn)子在離心力的作用下會靠向一側(cè)，這時軸瓦的溫度可能不正常，等轉(zhuǎn)子在浮空狀態(tài)下運行時所檢測到的溫度才是軸瓦的真實溫度。若軸瓦溫度偏高，可采用聯(lián)鎖或手動停機。

為確保機組啟動（或停機）過程順利進行及機組安全，汽輪機按要求還可配置下述監(jiān)視儀表。

汽缸熱膨脹指示器：裝在汽輪機前支座處，由指針直接指示汽缸的絕對膨脹量。

汽缸絕對膨脹儀：用于檢測汽缸的熱膨脹。

差脹檢測儀：由傳感器、前置器、顯示儀、繼電器模塊等組成，用于檢測汽缸與轉(zhuǎn)子的差脹。

偏心監(jiān)測儀：用于指示轉(zhuǎn)子彎曲的幅度，從而判斷是否可以正常啟動。

汽缸溫度監(jiān)控儀：用熱電偶分別測量汽缸上、下半溫度，并由控制器發(fā)出指令限制機組轉(zhuǎn)速。

3 汽輪機啟動前的準備工作

（1）蒸汽系統(tǒng)

速關(guān)閥前主蒸汽管路隔離及旁路閥關(guān)閉；

速關(guān)閥、調(diào)節(jié)汽閥關(guān)閉；

主蒸汽管及抽汽管路排大氣疏水閥開，汽缸、平衡管及抽汽管路接至疏水膨脹箱管路上的疏水閥關(guān)閉；

軸封供汽管路進汽閥、疏水閥關(guān)閉；

抽汽速關(guān)閥、隔離閥關(guān)閉；

汽封冷卻器的進汽閥、疏水閥關(guān)閉。

（2）油系統(tǒng)

油質(zhì)檢驗合格；

油箱油位正常；

油泵進、出口隔離閥以及冷油器和濾油器的進出閥門均為開啟狀態(tài)；冷油器、濾油器的切換閥處于單側(cè)工作位置；冷油器進水閥關(guān)閉，排水閥打開；

油箱油溫若低于20℃，需用加熱器進行加熱，或使油泵提前投入運轉(zhuǎn)來提高油溫，汽輪機啟動時軸承進油溫度必須≥35℃。

（3）開動油泵

外泵供油的汽輪機，啟動電動主油泵。油泵運轉(zhuǎn)后，振動、聲響正常，出口油壓穩(wěn)定，調(diào)節(jié)油油壓≥0.8 MPa，潤滑油總管油壓為0.25 MPa；

從各回油視窗觀察各軸承回油是否正常，檢查所有油管路接口無油。

（4）啟動排油煙機

在正常運行時，油箱、回油箱、回油管及軸承座內(nèi)腔形成微弱負壓，一般真空度為50～100 Pa，汽輪機啟動前，油箱真空度可略高于此值。若真空度過高，則會有大量不潔空氣和蒸汽被吸入油系統(tǒng)。

4 汽輪機試運轉(zhuǎn)分析

汽輪機的啟動是指汽輪機從靜止狀態(tài)逐漸過度到承擔(dān)一定負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)的過程。

啟動過程中，汽輪機主要構(gòu)件（汽缸、轉(zhuǎn)子等）的工作條件和受力發(fā)生劇烈、復(fù)雜的變化，其主要影響因素和突出的特征是受熱。啟動時進入汽輪機的高溫蒸汽通過凝結(jié)放熱和對流放熱形式向與其接觸的構(gòu)件傳熱，構(gòu)件被加熱而溫度升高，因此受熱構(gòu)件必然要產(chǎn)生熱膨脹，而熱膨脹受到約束就會產(chǎn)生熱變形、熱應(yīng)力。盡管在啟動過程中熱膨脹、熱變形、熱應(yīng)力以及汽缸與轉(zhuǎn)子的差脹是不可避免的，但只要明白其產(chǎn)生的原因及變化的特點，通過正確操作可將其控制在允許的范圍內(nèi)，確保機組順利啟動和安全運行而不造成危害。

蒸汽進入汽輪機，首先是流進速關(guān)閥，閥殼受熱后溫度分布不均勻，會在閥殼中產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。為改善閥殼的受力狀態(tài)，啟動時閥殼需要有一定時間的預(yù)熱。通常，閥殼預(yù)熱是配合低速暖機一起進行的。

蒸汽進入汽缸后，先加熱汽缸內(nèi)壁和法蘭，由于傳熱過程存在熱阻，所以在汽缸內(nèi)、外壁以及法蘭內(nèi)、外側(cè)之間會有很大的溫差，汽缸內(nèi)壁的熱膨脹大于外壁的熱膨脹，于是造成汽缸及法蘭在水平和垂直方向產(chǎn)生熱膨脹，這樣有可能使動、靜體在徑向發(fā)生碰擦。如果溫差過大致使應(yīng)力超過允許值，則汽缸和法蘭產(chǎn)生塑性變形，甚至在汽缸的調(diào)節(jié)區(qū)域產(chǎn)生裂紋。汽缸一旦產(chǎn)生塑性變形，必然造成汽缸中分面密封失效而漏汽。

除高參數(shù)全周進汽及WK型汽輪機外，大多數(shù)汽輪機采用上半進汽結(jié)構(gòu)，加之下缸散熱比上缸快，因此，啟動時上缸溫度明顯高于下缸溫度。上、下缸之間存在溫差，若溫差過大，就會使汽缸產(chǎn)生向上拱曲的熱變形，有可能使動、靜部分在徑向發(fā)生碰擦。另外，如果轉(zhuǎn)子在靜止狀態(tài)下受熱，轉(zhuǎn)子上、下部分溫度分布不均勻，也會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲。一般轉(zhuǎn)子的熱彎曲屬彈性變形，但若處置不當，在轉(zhuǎn)子撓度較大的情況下沖動轉(zhuǎn)子，不但機組振動加劇，而且動、靜體產(chǎn)生碰擦又會進一步加大轉(zhuǎn)子彎曲程度，造成塑性永久變形。因此一定要防止在靜止狀態(tài)下加熱轉(zhuǎn)子。

在汽輪機啟動、停機過程中，汽缸和轉(zhuǎn)子由于受熱條件、材料、質(zhì)量等因素的不同，其軸向熱膨脹也不相同，兩者熱膨脹量之差稱為差脹。啟動過程中，汽缸在高溫蒸汽影響下，以死點（在排汽端）為基礎(chǔ)沿軸線向前膨脹。與此同時，作為轉(zhuǎn)子軸向定位支點的前軸承或推力軸承支座也隨之向前位移。由于轉(zhuǎn)子的通流部分被蒸汽所包圍，加之轉(zhuǎn)子質(zhì)量遠小于汽缸質(zhì)量，因此轉(zhuǎn)子溫度升高比汽缸快，轉(zhuǎn)子沿軸線方向伸長量大于汽缸熱膨脹量，且轉(zhuǎn)子熱脹方向與汽缸熱脹方向相反，這時差脹為正差脹，而停機過程中汽缸與轉(zhuǎn)子的差脹為負差脹。差脹如達到規(guī)定的極限值，表明動、靜體軸向間隙小于要求的最小間隙。對汽輪機與被驅(qū)動機之間配用剛性聯(lián)軸器的機組，差脹值過大有可能使被驅(qū)動機動、靜體軸向間隙改變超出限定范圍，若動、靜體發(fā)生碰擦必然造成設(shè)備損壞事故。

在汽輪機啟動過程中，隨著蒸汽參數(shù)的升高和流量的增加，汽缸內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子外表層溫度不斷升高。由于汽缸內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子中心部位的溫升滯后于汽缸內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子外表層的溫度變化，因此，汽缸外壁和轉(zhuǎn)子外表層產(chǎn)生壓應(yīng)力。而機組停機過程是汽缸、轉(zhuǎn)子的冷卻過程，隨著蒸汽參數(shù)的下降和流量的減小，轉(zhuǎn)子表面溫度低于中心部位溫度，汽缸內(nèi)壁溫度低于外壁溫度，使汽缸內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子外表層產(chǎn)生拉應(yīng)力。這樣，汽輪機由開機到停機便完成了一個交變熱應(yīng)力循環(huán)，也稱之為低周疲勞。低周疲勞損耗汽輪機的使用壽命，使汽輪機老化，容易出事故。因此，機組運行時應(yīng)盡可能減少開、停次數(shù)，避免頻繁改變負荷。

汽輪機進汽壓力、溫度同時達到上限值時，這種工況每次連續(xù)運行時間不應(yīng)超過15～30 min，全年累計不應(yīng)超過20 h。

采用壓力開關(guān)和熱電偶監(jiān)視壓力、溫度的汽輪機，當蒸汽壓力、溫度達到設(shè)定的極限值時，發(fā)出報警或停機信號。

在汽輪機啟動或運行的特定情況下，汽輪機進汽壓力、溫度可不同于正常運行時的要求。

汽輪機正常停車時，按汽輪機說明書規(guī)定進行停機準備工作和停機；原動機是電機，按電機停機按鈕，同時應(yīng)聯(lián)鎖油站電動油泵同時開啟，注意停車過程中有無異常現(xiàn)象。記錄正常停車時間。

汽輪機在轉(zhuǎn)速降至接近0 r/min時盤車機構(gòu)投入工作，盤車重錘開關(guān)嚙合到位，盤車電機啟動，連續(xù)盤車。采用電動盤車的汽輪機，在轉(zhuǎn)子將要停止轉(zhuǎn)動時，盤車機構(gòu)投入工作（有0轉(zhuǎn)速監(jiān)測時可自動投入），連續(xù)盤車。配用液壓盤車機構(gòu)的汽輪機，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動后，開始持續(xù)盤車。停機后，連續(xù)或持續(xù)盤車時間應(yīng)不少于3 h。之后改換為定期盤車，先是每隔30 min盤車一次，4 h后每隔40 min將轉(zhuǎn)子盤轉(zhuǎn)180°一次，24 h后每隔2 h盤轉(zhuǎn)180°一次，機組重新啟動前2 h再改換為連續(xù)或持續(xù)盤車。若停機時間較長，在汽缸溫度≤150℃后可停止盤車（沒有汽缸溫度測點的汽輪機，這時汽缸溫度可由汽缸軸向熱膨脹量近似估算得出，也可在汽缸的適當部位撬開保溫層插入溫度計測量）。

停機后潤滑油系統(tǒng)仍需運行一段時間，當冷卻器出油溫度≥35℃，前軸承回油溫度＜40℃，且油泵停運后軸承溫升＜15℃時，油泵、冷卻器可停止工作。

盤車時須向軸承供油，有頂軸的汽輪機，盤車時須先使頂軸系統(tǒng)投入工作。

停機后，調(diào)速器、抽汽調(diào)節(jié)器以及其他輔助設(shè)備恢復(fù)到啟動前的初始狀態(tài)。

停機后嚴防機組發(fā)生轉(zhuǎn)子反向轉(zhuǎn)動。

5 汽輪機運行故障分析

5.1 不正常振動

汽輪機是高速旋轉(zhuǎn)機械，因此運行中總是存在不同程度和不同方向的振動。限定范圍的振動不會造成危害，是允許的。由于各種原因，機組運行過程中尤其是在其啟動時會出現(xiàn)振動異常。產(chǎn)生不正常振動的原因很多。根據(jù)以往處理現(xiàn)場振動問題的統(tǒng)計，振動異常大多是由于安裝不符合要求或運行維護不當所引起的。汽輪機和機組啟動、運行過程中出現(xiàn)振動異常，主要可以從下述兩個方面查找原因，并根據(jù)振動特征借助頻譜儀或Benfly3500測振系統(tǒng)等其他設(shè)備進行測試、分析，判明原因并加以解決。

5.1.1 安裝或檢修質(zhì)量不良

（1）汽輪機轉(zhuǎn)子與汽缸對中不好。汽輪機安裝時若轉(zhuǎn)子與汽缸找中不好，在汽輪機單機試車時就會出現(xiàn)振動異常。汽輪機啟動過程中，隨著轉(zhuǎn)速和機內(nèi)溫度的升高，由于動、靜體產(chǎn)生碰擦，在軸振動幅度增大的同時還伴有刺耳的尖叫聲，振動信號中有高頻分量，振動波形攪亂。

處理措施：停機后對汽輪機和壓縮機的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行復(fù)校對中，修復(fù)或更換損壞的汽封。

（2）汽輪機轉(zhuǎn)子與被驅(qū)動機轉(zhuǎn)子對中不好。汽輪機單機試車良好，機組試車出現(xiàn)振動異常，振動波形有二倍頻諧波，大體上可判定振動異常是由轉(zhuǎn)子對中不好所致。檢測軸承座殼體振動，軸向振幅增大表明端面平行度超差，徑向振幅增大通常是不同軸度偏差過大所致，這兩種偏差往往同時存在。

處理措施：停機，重新調(diào)整轉(zhuǎn)子對中狀態(tài)。若因外部原因一時不允許校正對中值，可臨時在轉(zhuǎn)子的缸外輔助平衡面上進行不平衡校正，不過這僅是一種權(quán)益之計。徹底的解決辦法是在機組停機后，將轉(zhuǎn)子對中調(diào)整到正確位置并復(fù)校轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)。

5.1.2 運行操作

（1）已投入運行的機組，在啟動和改變負荷的過程中產(chǎn)生的振動大多與操作不當有關(guān)。如前次停機后沒有正常盤車，之后啟動時又未充分暖機。在升速時出現(xiàn)振動異常且在前、后汽封處能清楚地聽到金屬擦聲，那就表明轉(zhuǎn)子已產(chǎn)生軸偏（即彎曲，配有偏心監(jiān)視器的汽輪機可利用儀表監(jiān)測轉(zhuǎn)子彎曲的幅度）。這時應(yīng)降低轉(zhuǎn)速，等振動正常后，保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定（不得在禁止停留區(qū)域內(nèi)）,暖機15 min后再升速。若重復(fù)3次異常振動仍不能消除，那就只能停機，檢查、修復(fù)轉(zhuǎn)子。運行中負荷的變化過快時，會因受熱件熱脹不均勻產(chǎn)生變形而引起振動。若增加負荷時出現(xiàn)振動，應(yīng)立即減負荷或降速，待穩(wěn)定后再按啟動曲線給的負荷（或轉(zhuǎn)速）變化率加負荷。減負荷出現(xiàn)振動時，同理反向操作。

（2）驅(qū)動壓縮機的機組在減小壓縮機流量時操作不慎或防喘振系統(tǒng)整定不當，使工況進入喘振區(qū)，壓縮機出口壓力大幅波動，整個機組及壓縮機排汽管產(chǎn)生強烈振動并伴有巨大聲響。

處理措施：緊急停機，規(guī)范操作，防止壓縮機工況進入喘振控制限定的區(qū)域。

5.2 速關(guān)閥開啟不正常

操作不當會引起速關(guān)閥不能正常開啟。用啟動調(diào)節(jié)器開啟速關(guān)閥的汽輪機，開啟速關(guān)閥過程中，啟動油與速關(guān)油進行切換，但當調(diào)節(jié)器手輪連續(xù)操作且速度過快時，油缸中速關(guān)油的升壓速度小于啟動油的卸壓速度，造成活塞盤與活塞脫開，致使速關(guān)閥無法開啟。正常操作應(yīng)該是，操作手輪時注意觀察壓力表，在速關(guān)油壓開始建立和啟動油壓開始下降時，操作要盡可能緩慢。停機幾分鐘，然后繼續(xù)操作，就可使速關(guān)閥正常開啟。

6 結(jié)論

（1）汽輪機運行正常與否，主要與其機械安裝關(guān)系緊密，更與操作人員的操作水平緊密相關(guān)。

（2）汽輪機故障的檢測和分析與儀表檢測元件密不可分，因此所有儀表檢測元件必須按設(shè)備實際提供的數(shù)據(jù)安裝牢固，控制系統(tǒng)邏輯測試正確無誤。這樣才能正確分析出故障原因，為設(shè)備長周期安穩(wěn)運行保駕護航。

[1] GB 50093—2002.自動化儀表工程施工及驗收規(guī)范[S].

[2] SH 3521—1999.石油化工儀表工程施工技術(shù)規(guī)程[S].

Analysis on the Failure and Operation of Steam Turbine

Zhao Limin Dai Junli Dou Zhanjun Du Fusheng

Analyzed structure and control system of NK40/56 steam turbine,and described the stable operation problems in detail.Analyzed common failures in the steam turbine operation,and put forward treatment measures.

Steam turbine;Speed governor;Overspeed protective device;Shaft vibration;Shaft displacement

TK 26

*趙立民，男，1971年生，工程師。格爾木市，816000。

2011-12-22）