300 MW供熱機(jī)組突發(fā)性振動(dòng)分析及處理措施

董 曄

(河北華電石家莊鹿華熱電有限公司，石家莊 050200)

振動(dòng)是汽輪發(fā)電機(jī)組健康狀況的重要指標(biāo)，振動(dòng)超標(biāo)時(shí)會(huì)影響設(shè)備安全及正常生產(chǎn)，需要進(jìn)行處理，現(xiàn)場(chǎng)主要采取停機(jī)檢修或加重的方式消除故障缺陷，但這種處理方式涉及面廣、工作量大，受現(xiàn)場(chǎng)人力、物力、工期、效益甚至社會(huì)影響等諸多因素的制約，因此不容易實(shí)現(xiàn)。在振動(dòng)故障原因的基礎(chǔ)上，根據(jù)振動(dòng)機(jī)理預(yù)判振動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)，通過采取合理的簡(jiǎn)便控制措施經(jīng)常能達(dá)到滿意的效果，對(duì)某些振動(dòng)故障來說是現(xiàn)場(chǎng)處理的有效手段。下面介紹某臺(tái)300 MW供熱機(jī)組出現(xiàn)的突發(fā)性振動(dòng)特征及采取的運(yùn)行控制措施，為類似振動(dòng)故障的現(xiàn)場(chǎng)處理提供參考。

1 振動(dòng)概況

某供熱機(jī)組為C300/220-16.7/0.3/537/537型沖動(dòng)式、亞臨界、中間再熱、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子及集電環(huán)轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子之間均采用剛性聯(lián)接。軸系由7個(gè)軸承支撐，汽輪機(jī)2個(gè)轉(zhuǎn)子為雙支承方式，發(fā)電機(jī)與集電環(huán)采用三支承。低壓轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速為1 750 r/min。

機(jī)組于2004年投產(chǎn)以來軸系振動(dòng)一直較小，于2007年8月20日大修后啟動(dòng)，運(yùn)行正常，軸系振動(dòng)在優(yōu)良范圍內(nèi)，連續(xù)運(yùn)行5個(gè)月后于2008年1月20日供熱期內(nèi)首次出現(xiàn)突發(fā)性振動(dòng)，持續(xù)約20 min后逐步消失，隨后于1月21日、22日再次出現(xiàn)，突發(fā)性振動(dòng)有間隔時(shí)間縮短、持續(xù)時(shí)間逐次增長(zhǎng)的惡化趨勢(shì)。振動(dòng)增大后運(yùn)行人員通過調(diào)整負(fù)荷、采暖抽汽、低壓軸封溫度等參數(shù)抑制振動(dòng)并使振動(dòng)恢復(fù)，但采取的措施關(guān)聯(lián)性、再現(xiàn)性不強(qiáng)，具有隨機(jī)性。如果不采取措施，振動(dòng)則呈發(fā)散趨勢(shì)，振動(dòng)幅值最大超過跳閘值，因此突發(fā)性振動(dòng)出現(xiàn)后運(yùn)行人員只能盲目調(diào)整運(yùn)行工況，嚴(yán)重威脅著機(jī)組的安全運(yùn)行及供熱區(qū)居民的正常生活。

2 振動(dòng)測(cè)試分析

現(xiàn)場(chǎng)接入振動(dòng)儀器后進(jìn)行負(fù)荷、采暖抽汽、低壓軸封溫度等關(guān)聯(lián)參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)未能激發(fā)出振動(dòng)，于是進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，于2008年1月23日5:40捕捉到第四次突發(fā)性振動(dòng)，當(dāng)時(shí)運(yùn)行工況、參數(shù)穩(wěn)定，負(fù)荷240 MW、真空-98 kPa、低壓軸封溫度150 ℃、潤(rùn)滑油溫度為39 ℃、供熱抽汽量120 t/h。

2.1 突發(fā)性振動(dòng)特征

2.1.1 振動(dòng)部位

突發(fā)性振動(dòng)主要發(fā)生在低壓轉(zhuǎn)子，對(duì)相鄰?fù)哒駝?dòng)有一定影響，其余瓦波動(dòng)較小，軸振變化遠(yuǎn)大于軸瓦振變化。3號(hào)軸瓦振動(dòng)變化量最大，測(cè)試時(shí)3號(hào)軸振由65 μm最大變化到148 μm,瓦振由16 μm最大變化到35 μm， 4號(hào)、2號(hào)、5號(hào)軸瓦振動(dòng)變化依次減小。振動(dòng)趨勢(shì)見圖1。

2.1.2 幅值相位特性

正常運(yùn)行時(shí)低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)一直小幅波動(dòng)，在突發(fā)性振動(dòng)發(fā)生前存在緩慢爬升趨勢(shì)，然后在幾十秒內(nèi)迅速增大到高位后大幅波動(dòng)，經(jīng)調(diào)整運(yùn)行工況振動(dòng)逐步回落但存在反復(fù)，而整個(gè)過程振動(dòng)工頻幅值、相位基本穩(wěn)定，見圖2。

圖1 振動(dòng)趨勢(shì)

圖2 振動(dòng)幅值相位趨勢(shì)

2.1.3 頻率特性

正常運(yùn)行時(shí)存在幅值為4～6 μm的20 Hz低頻分量，突發(fā)振動(dòng)時(shí)該20 Hz低頻分量成為主頻，其它頻率分量穩(wěn)定，振動(dòng)Waterfall圖見圖3。

圖3 振動(dòng)Waterfall示意

2.1.4 軸心軌跡

振動(dòng)突發(fā)時(shí)軸心軌跡發(fā)生畸變，正常運(yùn)行時(shí)為不規(guī)則的橢圓形，突發(fā)性振動(dòng)后呈現(xiàn)多重交叉的8字形，軸心軌跡圖見圖4。

圖4 振動(dòng)軸心軌跡

2.1.5 現(xiàn)場(chǎng)檢查

振動(dòng)增大時(shí)現(xiàn)場(chǎng)聽到明顯的“咚咚”聲；3號(hào)軸瓦頂軸油壓力只有0.5 MPa，較其它瓦明顯偏低；3號(hào)軸瓦溫較相鄰?fù)叩?號(hào)軸瓦溫度明顯偏低，最大相差32 ℃。

2.1.6 升降速振動(dòng)特性

某次熱態(tài)啟動(dòng)過程中低壓轉(zhuǎn)子在1 200 r/min出現(xiàn)振動(dòng)峰值，相位變化劇烈，與突發(fā)性振動(dòng)的主頻率相對(duì)應(yīng)，而在設(shè)計(jì)值1 750 r/min附近沒有出現(xiàn)明顯臨界特性，見圖5。

圖5 低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)BODE

2.2 原因分析

由振動(dòng)性質(zhì)分析3號(hào)軸瓦發(fā)生了油膜失穩(wěn)，且處于失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，表明軸瓦穩(wěn)定性降低，因此對(duì)外界干擾比較敏感。

正常運(yùn)行時(shí)軸頸上的載荷、油膜壓力及阻尼力保持平衡，軸頸在軸承內(nèi)繞其中心高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)外界存在的各種擾動(dòng)使軸頸離開平衡位置產(chǎn)生初始偏移時(shí)，油膜變形將產(chǎn)生一個(gè)沿變形方向的彈性恢復(fù)力和一個(gè)垂直于變形方向的切向分力，這個(gè)切向分力就是破壞軸頸在軸承內(nèi)的穩(wěn)定性引起渦動(dòng)的失穩(wěn)分力，一旦發(fā)生渦動(dòng)以后因?yàn)檎麄€(gè)轉(zhuǎn)子在圍繞平衡位置渦旋使失穩(wěn)分力更大，增大的切向力進(jìn)一步推動(dòng)軸頸渦動(dòng)，愈演愈烈[1]。由于受到阻尼力的約束，渦動(dòng)幅度不會(huì)無限放大，決定于失穩(wěn)力輸入能量與阻尼力消耗能量的平衡，二者失衡時(shí)造成渦動(dòng)幅度的收斂或發(fā)散，二者平衡時(shí)則處于失穩(wěn)的臨界狀態(tài)，表現(xiàn)為振動(dòng)的隨機(jī)性、突發(fā)性、可控性以及對(duì)運(yùn)行參數(shù)的敏感性[2]。

軸瓦穩(wěn)定性是滑動(dòng)軸承的動(dòng)特性，除與軸瓦型式有關(guān)外，還與軸頸在軸瓦中的位置有關(guān)，即決定于軸頸中心與軸瓦中心之間偏心距e的大小，e越大穩(wěn)定性越好。

(1)

式中：P為比壓；ψ為軸承相對(duì)間隙；μ為潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度；ω為轉(zhuǎn)速。由式(1)看出，軸瓦的穩(wěn)定性與軸瓦參數(shù)、載荷、潤(rùn)滑油及轉(zhuǎn)速有關(guān)。

現(xiàn)場(chǎng)檢查，軸瓦工藝參數(shù)、聯(lián)軸器中心偏差等檢修數(shù)據(jù)均在規(guī)程要求范圍內(nèi)，振動(dòng)突發(fā)時(shí)運(yùn)行工況基本穩(wěn)定，但根據(jù)瓦溫、頂軸油壓力、實(shí)測(cè)臨界轉(zhuǎn)速值等數(shù)據(jù)分析，3號(hào)軸瓦載荷較小，影響系統(tǒng)動(dòng)力特性，一方面使軸系臨界轉(zhuǎn)速降低，另一方面系統(tǒng)阻尼及轉(zhuǎn)子渦動(dòng)轉(zhuǎn)速同步下降，如果渦動(dòng)頻率接近轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時(shí)渦動(dòng)振幅共振放大極易發(fā)散產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)。該機(jī)組冷態(tài)找中心時(shí)預(yù)留一定的偏差量(中低對(duì)輪設(shè)計(jì)值為低側(cè)高0.38 mm)以補(bǔ)償熱態(tài)下軸承標(biāo)高的變化，使機(jī)組運(yùn)行中軸系保持平滑曲線，但實(shí)際運(yùn)行中由于低壓轉(zhuǎn)子座缸式軸承受真空影響較大，而2號(hào)軸承靠近中壓排汽缸受其熱輻射影響使軸承升高較多，現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)高偏差實(shí)測(cè)超過0.5 mm，超過預(yù)留的偏差量，造成3號(hào)軸瓦輕載，使其處于失穩(wěn)的邊緣，易發(fā)生油膜失穩(wěn)。

3 處理措施

據(jù)該機(jī)突發(fā)性振動(dòng)性質(zhì)及檢查結(jié)果分析，消除突發(fā)性振動(dòng)的途徑主要從提高3號(hào)軸瓦的穩(wěn)定性著手。軸瓦穩(wěn)定性除了與軸瓦型式有關(guān)外，與載荷、間隙比呈遞增關(guān)系，與轉(zhuǎn)速、潤(rùn)滑油粘度呈遞減關(guān)系，因此可以采取以下措施。

a. 改變軸瓦參數(shù)：可通過更換穩(wěn)定性好的軸瓦型式、下瓦開槽、減小軸瓦長(zhǎng)徑比、減小軸承頂部間隙增加橢圓度等實(shí)現(xiàn)。

b. 提高軸瓦載荷：可通過調(diào)整軸承座標(biāo)高來實(shí)現(xiàn)，即通過加(減)墊片調(diào)高(低)載荷低(高)軸承的標(biāo)高。依據(jù)傳遞矩陣法計(jì)算得出的各瓦標(biāo)高變化0.1 mm對(duì)3號(hào)軸瓦載荷的相對(duì)影響見表1，可看出調(diào)整3號(hào)瓦標(biāo)高影響載荷最敏感。

表1 各軸瓦標(biāo)高調(diào)整0.1 mm對(duì)3號(hào)軸瓦載荷的影響

軸承號(hào)1號(hào)2號(hào)3號(hào)4號(hào)載荷影響0.5%9.7%11.8%4.2%

c.降低潤(rùn)滑油粘度：可通過關(guān)小冷卻水門提高進(jìn)油溫度來實(shí)現(xiàn)。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)條件及各處理手段的可操作性，確定先提高潤(rùn)滑油溫運(yùn)行、再利用檢修機(jī)會(huì)調(diào)整軸瓦標(biāo)高的處理方案。隨后將潤(rùn)滑油溫提高至運(yùn)行上限值45 ℃后，振動(dòng)逐漸恢復(fù)并一直穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

通過運(yùn)行過程控制消除振動(dòng)故障是現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)處理的有效手段之一，可大大簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)處理過程而且效果明顯，通過調(diào)整油溫抑制油膜失穩(wěn)造成的突發(fā)性振動(dòng)是現(xiàn)場(chǎng)較為實(shí)用的手段。但這種處理方式也存在較大的責(zé)任和風(fēng)險(xiǎn)，也不能消除振動(dòng)根源，因此宜作為現(xiàn)場(chǎng)處理振動(dòng)的首選輔助措施。基于上述分析，該機(jī)組于2008年9月檢修時(shí)將3號(hào)軸瓦標(biāo)高抬高0.1 mm 并將油溫恢復(fù)正常范圍，修后2號(hào)、3號(hào)軸瓦溫由修前的70 ℃/82 ℃、55 ℃/50 ℃變?yōu)?7 ℃/72 ℃ 、64 ℃/58 ℃，溫差趨于合理，運(yùn)行至今沒有再發(fā)生突發(fā)性振動(dòng)故障。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸頌元.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)[M].北京：中國(guó)電力出版社,2000.

[2] 施維新.汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)與事故[M].北京：中國(guó)電力出版社,1998.