汽流激振機(jī)理分析及某330 MW 汽輪機(jī)故障處理

姜廣政，傅行軍

(東南大學(xué)火電機(jī)組振動(dòng)國(guó)家工程研究中心，江蘇南京 210096)

汽流激振是由蒸汽激振力激發(fā)的在汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的一種自激振動(dòng)現(xiàn)象。隨著汽輪發(fā)電機(jī)組向大容量、高參數(shù)方向發(fā)展，汽流激振問(wèn)題越來(lái)越突出，20 世紀(jì)七八十年代，美國(guó)、俄羅斯等國(guó)在發(fā)展超臨界機(jī)組過(guò)程中都遇到了不同程度的汽流激振問(wèn)題，近二十多年來(lái)，我國(guó)的汽流激振問(wèn)題也較突出[1]。

1 汽流激振機(jī)理

目前關(guān)于汽流激振方面的研究還不是很成熟，初步分析表明，由于蒸汽對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)形成了一個(gè)作用在轉(zhuǎn)子偏心垂直方向上并與轉(zhuǎn)子線速度方向同向的切向力，在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，若該力所做的功大于系統(tǒng)阻尼消耗的能量，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，形成汽流激振。汽流激振力主要來(lái)源有3個(gè)方面：（1）葉頂間隙不均勻產(chǎn)生的激振力；（2）密封間隙不均產(chǎn)生的激振力；（3）部分進(jìn)汽和轉(zhuǎn)子偏心等因素產(chǎn)生的靜態(tài)汽流力[2]。

2 汽流激振故障的一般特征

（1）對(duì)負(fù)荷較敏感，具有突發(fā)性。汽流激振一般出現(xiàn)在負(fù)荷逐漸增加的過(guò)程中，且一般發(fā)生在較高負(fù)荷區(qū)。存在一個(gè)門(mén)檻負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷超過(guò)這一閾值后，汽流激振立即被激發(fā)；負(fù)荷降至該值以下，汽流激振消失，振動(dòng)恢復(fù)正常[3]。

（2）汽流激振嚴(yán)重時(shí)，低頻振動(dòng)的頻率通常等于轉(zhuǎn)子固有頻率，但大多數(shù)情況下，振動(dòng)頻率以工頻的一半為主。

（3）汽流激振引起的低頻振動(dòng)有時(shí)與調(diào)節(jié)閥的開(kāi)啟順序和開(kāi)度有關(guān)。通過(guò)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)啟順序，能夠避免或減小低頻振動(dòng)幅值[4]。

3 某330 MW 機(jī)組汽流激振實(shí)例分析

3.1 機(jī)組概況

某電廠1 號(hào)機(jī)組為東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的330 MW 機(jī)組，機(jī)組型號(hào)為C330/262-16.7/0.3/538/538。軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，共有7個(gè)瓦支撐。機(jī)組軸系如圖1 所示，閥門(mén)布置如圖2 所示。機(jī)組順序閥調(diào)門(mén)次序?yàn)?，4—1—2。

圖1 軸系圖

圖2 閥門(mén)布置

3.2 振動(dòng)情況

機(jī)組在單閥帶大負(fù)荷過(guò)程中，1 號(hào)瓦和2 號(hào)瓦的軸振會(huì)出現(xiàn)比較大的低頻振動(dòng)。根據(jù)機(jī)組的振動(dòng)情況，現(xiàn)場(chǎng)決定進(jìn)行調(diào)門(mén)次序試驗(yàn)。

（1）15:40 開(kāi)始，機(jī)組從320 MW 順序閥降負(fù)荷。如表1 所示。

表1 順序閥降負(fù)荷時(shí)各瓦振動(dòng)數(shù)據(jù) μm/μm∠°

根據(jù)振動(dòng)數(shù)據(jù)可知，在順序閥降負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組振動(dòng)正常，并未出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。

（2）18:10時(shí)，負(fù)荷降至210 MW，此時(shí)，切換機(jī)組運(yùn)行方式為單閥，然后進(jìn)行升負(fù)荷試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)軸系振動(dòng)情況，數(shù)據(jù)及頻譜圖如表2、圖3、圖4、圖5 所示。

（3）22:50時(shí)，負(fù)荷為250 MW，切換機(jī)組運(yùn)行方式為順序閥（3，4—1—2），進(jìn)行升負(fù)荷試驗(yàn)，此時(shí)并未出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)數(shù)據(jù)如表3 所示。試驗(yàn)過(guò)程中各瓦瓦溫情況如表4 所示。

表2 單閥升負(fù)荷時(shí)各瓦振動(dòng)數(shù)據(jù) μm/μm∠°

圖3 18:52時(shí)300 MW 負(fù)荷1Y 頻譜圖

圖4 19:40時(shí)300 MW 負(fù)荷1Y 頻譜圖

圖5 22:00時(shí)320 MW 負(fù)荷1Y 頻譜圖

表3 順序閥升負(fù)荷時(shí)各瓦振動(dòng)數(shù)據(jù) μm/μm∠°

表4 試驗(yàn)過(guò)程中各瓦瓦溫情況

3.3 振動(dòng)特征及原因分析

單閥運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)荷低于300 MW時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)低頻振動(dòng)，且各瓦振動(dòng)幅值均不大，負(fù)荷剛帶到300 MW時(shí)，1 瓦出現(xiàn)了少量的低頻振動(dòng)，但振動(dòng)仍以工頻為主，如圖3 所示。保持機(jī)組在300 MW 負(fù)荷運(yùn)行一段時(shí)間后，振動(dòng)發(fā)散，1 瓦的低頻振動(dòng)幅值超過(guò)工頻成為主要振動(dòng)，且低頻成分為25 Hz，如圖4 所示。隨著負(fù)荷增加，振動(dòng)逐漸增大，到320 MW時(shí)，1Y，2Y，3X 均已超過(guò)75 μm，見(jiàn)表2。且低頻振動(dòng)現(xiàn)象越來(lái)越明顯，如圖5 所示。由于振動(dòng)對(duì)機(jī)組所帶負(fù)荷變化較敏感，當(dāng)負(fù)荷大于300 MW 之后，振動(dòng)迅速增加，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，且低頻振動(dòng)頻率以半頻為主，故判斷故障為汽流激振。造成汽流激振失穩(wěn)的原因可以分為2個(gè)部分：（1）汽流作用在轉(zhuǎn)子上的失穩(wěn)力較大。（2）軸系穩(wěn)定性差。

機(jī)組在單閥運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)，而在順序閥沒(méi)有失穩(wěn)現(xiàn)象，其原因可能為在順序閥下剩余汽流力作用在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生一個(gè)向下的力，增加軸承載荷，提高了軸系穩(wěn)定性，而在單閥情況，因噴嘴配汽產(chǎn)生的剩余汽流力為0，而軸系自身穩(wěn)定性不好，則引發(fā)失穩(wěn)。另結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程瓦溫分析，見(jiàn)表4。在單閥320 MW 負(fù)荷時(shí)，1瓦、2 瓦瓦溫較順序閥明顯降低，表明1 瓦、2 瓦載荷減小，穩(wěn)定性變差，且1 瓦、2 瓦之間溫度相差過(guò)大。故判斷是軸系載荷分配不合理，導(dǎo)致軸系穩(wěn)定性較差。

3.4 處理方案

結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程振動(dòng)數(shù)據(jù)、瓦溫及大修有關(guān)解體情況，需進(jìn)行改善軸系負(fù)荷分配等措施，提高軸系穩(wěn)定性。決定調(diào)整2 瓦標(biāo)高至比3 瓦低0.45 mm。同時(shí)盡量減小軸系對(duì)中偏差，調(diào)整中低對(duì)輪和低發(fā)對(duì)輪的張口值，控制通流部分動(dòng)靜間隙，特別是高中壓部分，注意保持冷態(tài)到熱態(tài)動(dòng)靜間隙均勻。有條件盡量減小1 號(hào)、2 號(hào)瓦頂部間隙。方案實(shí)施后，機(jī)組在單閥和順序閥滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)達(dá)到優(yōu)秀水平，且不再出現(xiàn)低頻振動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)汽流激振的機(jī)理、特征進(jìn)行了簡(jiǎn)單地闡述，指出了產(chǎn)生汽流激振的主要原因可以歸結(jié)為2 點(diǎn)：（1）汽流作用在轉(zhuǎn)子上的失穩(wěn)力較大。（2）軸系自身穩(wěn)定性較差。故可以從這2 點(diǎn)著手解決汽流激振問(wèn)題。針對(duì)本文提到的某330MW 機(jī)組發(fā)生的汽流激振故障，通過(guò)調(diào)整2 瓦的標(biāo)高來(lái)增加軸系的穩(wěn)定性，從而很好地抑制了失穩(wěn)現(xiàn)象。

[1]楊建剛.旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)分析與工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007：131-132.

[2]楊建剛，朱天云，高 偉.汽流激振對(duì)軸系穩(wěn)定性的影響分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1998，18（1）.

[3]張學(xué)延，王延博，張衛(wèi)軍.大型汽輪機(jī)汽流激振問(wèn)題的分析和處理[J].熱力發(fā)電，2004（2）：47-55.

[4]崔亞輝，張俊杰，徐福海，等.某臺(tái)300 MW 汽流激振故障的分析和處理[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2012，54（2）：158-160.