某汽輪發(fā)電機組汽流激振故障的分析和處理

楊 丹，傅行軍

(火電機組振動國家工程研究中心，南京210096)

汽流激振是汽輪發(fā)電機組現(xiàn)場運行中最常見的振動故障原因之一，是由汽輪機內(nèi)部汽流激振力作用下引起的轉(zhuǎn)子異常振動，通常與機組所帶負荷有關(guān)。近年來隨著機組容量的增大，由汽流激振引起的機組振動故障日益突出，已成為影響機組安全、穩(wěn)定運行的重要原因。目前，噴嘴配汽汽輪機組采用順序閥運行，即只有一個調(diào)節(jié)閥進行開度調(diào)節(jié)，其余調(diào)節(jié)閥保持全開或全關(guān)，處于非對稱性的部分進汽狀態(tài)，調(diào)節(jié)閥的動作又會使部分進汽的方式發(fā)生變化，很容易引發(fā)汽流激振問題［1］。

某電廠330 MW亞臨界汽輪機組在調(diào)試和運行中出現(xiàn)了高壓轉(zhuǎn)子低頻振動，且跟負荷關(guān)系密切。針對此現(xiàn)象，筆者通過調(diào)節(jié)閥試驗，基本確定了故障類型為汽流激振，結(jié)合振動特點及機理，給出了應(yīng)對該故障的方案。大修后，轉(zhuǎn)子低頻振動得到抑制，機組得以安全運行。

1 機組異常振動情況

某電廠330 MW汽輪機型號為C330/262-16.7/0.3/538/538的一次中間再熱、兩缸兩排汽、抽汽凝汽式機組，軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機轉(zhuǎn)子組成，共有7個瓦支撐。

機組軸系簡圖和進汽閥門布置分別見圖1和圖2。

圖1 軸系簡圖

圖2 閥門布置

該機組在調(diào)試和投運期間，對各軸瓦的振動進行監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，高中壓轉(zhuǎn)子在帶大負荷期間振動很不穩(wěn)定，存在較大波動，其中1號和2號瓦的軸振會出現(xiàn)比較大的半倍頻，而且振動的這種波動與負荷的關(guān)系很密切，通過幾次啟動和并網(wǎng)帶負荷，振動出現(xiàn)波動的負荷點重復(fù)性很好。為此對該機組進行閥門試驗分析，以確定故障類型并給出合理的治理方案。

2 振動試驗

2012-04-1 015:40:00現(xiàn)場進行了調(diào)節(jié)閥控制次序試驗，并監(jiān)測各瓦的振動和瓦溫情況。

2.1 順序閥降負荷振動試驗

閥門開啟順序為3+4→1→2(其中2號閥門關(guān)死)振動情況。試驗開始負荷為321MW，降負荷過程振動情況見表1～表3。

表1 2012-04-1015:41:00，負荷為321MW時的閥門軸振情況

表2 2012-04-1016:57:00，負荷為270MW時的閥門軸振情況

表3 2012-04-1018:10:00，負荷為210MW時的閥門軸振情況

由表1～表3可知:2號閥門不進汽時，降負荷過程機組振動狀況好，未出現(xiàn)低頻失穩(wěn)振動。

2.2 單閥進汽帶負荷振動試驗

2012-04-1 018:15:00開始進行單閥進汽，即全周進汽方式下的帶負荷振動試驗，機組負荷由210MW升至300MW過程穩(wěn)定，至300MW維持30min左右后，1號、2號、3號、4號軸振出現(xiàn)失穩(wěn)振動。隨著負荷升至320MW低頻振動加劇，低頻范圍為2227Hz，且各瓦低頻幅值不等，其中1號Y向軸振低頻值最大為50μm，此時1號Y向通頻振動為86μm、工頻振動24μm，振動以低頻25Hz為主;320MW時各瓦振動都較大，3號X向最大達到100μm。以1號閥門Y向為例，其在定速升負荷過程中軸振情況見表4。

表4 1號閥門Y向主要頻率的軸振幅 μm

由表4可看出:在單閥定速升負荷過程中，低于300MW時無明顯低頻成分的振動，此時軸瓦的振動以1倍頻成分為主，1號Y振動通頻值僅為30μm左右;但當(dāng)負荷超過300MW后，存在顯著低頻成分的振動頻譜，低頻以25Hz為主，且升至320MW時1號Y的低頻幅值遠超過工頻幅值，期間工頻幅值基本不變。

2.3 試驗過程中各軸瓦溫度

調(diào)節(jié)閥次序試驗過程中供油壓力和冷凝器出口油溫保持不變，同時監(jiān)測各軸瓦溫度，其中在單閥帶負荷至320MW時，2號瓦溫較高，達到94.3℃，其他瓦溫比較正常。2012-04-10機組振動失穩(wěn)前后各軸瓦溫度見表5。

表5 振動失穩(wěn)前后各軸瓦溫 ℃

3 振動分析及治理方案

一般認(rèn)為，單閥調(diào)節(jié)全周均勻進汽時，轉(zhuǎn)子所受的汽流切向力相互抵消，此時軸承承受轉(zhuǎn)子自重的載荷;順序閥部分進汽時，汽流對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生切向作用力，易引起軸承載荷的改變，由此對軸瓦溫度和軸振動產(chǎn)生不同的影響。

轉(zhuǎn)子汽流切向力受力圖見圖3，其中F是單個動葉片上受到的汽流切向力，F(xiàn)″是調(diào)節(jié)級動葉切向力的矢量和，將其沿水平、垂直方向分解，就可得到汽流對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的橫向作用力和豎向作用力，由此對轉(zhuǎn)子偏心和軸承載荷產(chǎn)生影響。

圖3 部分進汽時轉(zhuǎn)子汽流切向力受力圖

試驗過程中該機組的振動特點為:

(1)振動與負荷有密切關(guān)系，僅在接近滿負荷時出現(xiàn)。

(2)振動并非在升、降負荷時都出現(xiàn)。

(3)機組在300MW以下負荷時，無論負荷如何變動，機組均未發(fā)生振動。

(4)機組振動時，振動頻率以25Hz為主，3號瓦表現(xiàn)最為強烈，2號瓦次之。

機組在大修解體時發(fā)現(xiàn)中低對輪同心度測量超標(biāo)，高中壓通流部分動靜間隙略小，出現(xiàn)不同程度的摩擦，1號、2號瓦頂部間隙超標(biāo)。結(jié)合振動特點和瓦溫情況及大修時解體情況，分析該機組高中壓轉(zhuǎn)子的失穩(wěn)振動很可能是由剩余汽流力造成的。

由順序閥試驗可知:閥門2關(guān)閉后，閥門3和閥門4進汽切向力相互抵消，閥門1進汽對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生下壓作用力和向左的橫向作用力(見圖4)，使轉(zhuǎn)子中心向左下偏，軸瓦載荷增大，瓦溫升高，試驗結(jié)果表明此時振動不大。

圖4 順序閥下作用在轉(zhuǎn)子上的剩余汽流力

單閥試驗過程中，一直存在少量的高頻分量，尤其是2倍頻振動較明顯，這可能是轉(zhuǎn)子的對中性較差引起的。開啟閥門2后，理論上其進汽切向力與閥門1的進汽切向力相互抵消，振動應(yīng)該平穩(wěn);但試驗表明在升負荷過程中振動增大，低頻振動加劇，這可能是由高中壓通流部分間隙不均，進而產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子中心上偏的間隙汽流力所造成的。據(jù)此推測，在順序閥試驗時，閥門1的進汽切向力是使轉(zhuǎn)子中心向下偏的，抑制了該汽流力抬升轉(zhuǎn)子的作用，所以振動不大;而單閥時閥門1與閥門2的進汽切向力相互抵消，該汽流力被激發(fā)出來，使軸頸在軸承中漂移，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子渦動，造成軸振增大，但軸瓦載荷減小，所以瓦溫有所回落(見表3)。

結(jié)合機組振動情況及以上分析，建議在大修時做如下工作:

(1)檢查并調(diào)整中低壓對輪中心，使其上下高差、左右張口以及同心度偏差均符合標(biāo)準(zhǔn)。

(2)主要調(diào)整通流部分動靜間隙，特別是高中壓部分，注意冷態(tài)到熱態(tài)要保持動靜間隙均勻。

4 大修后振動測試

2012-05-31大修后首次開機，在升速及2012-06-05單閥進汽帶負荷過程中振動明顯減小，帶負荷時振動情況和各瓦溫見表6和表7。

表6 單閥帶負荷過程振動情況 μm/μm∠°

表7 單閥帶負荷過程中各瓦瓦溫 ℃

5 結(jié)語

該機組振動故障性質(zhì)為汽流激振失穩(wěn)振動。結(jié)合大修進行了中低對輪中心調(diào)整(軸瓦標(biāo)高的調(diào)整)，以改善軸瓦載荷分配和減小1號、2號瓦頂間隙等治理，提高軸瓦本身的穩(wěn)定性;同時，大修過程控制高中壓通流間隙均勻，減小了汽流失穩(wěn)力。通過治理，經(jīng)試驗驗證，機組穩(wěn)定性提高，低頻失穩(wěn)振動消除，機組振動達到允許范圍。

隨著中低對輪中心高差值的調(diào)整，軸系載荷分配趨于合理，3號振動明顯減小，汽輪機各瓦瓦溫趨于正常。

通過本次故障分析治理可發(fā)現(xiàn)，一般認(rèn)為汽流激振力是不利于機組運行的，要設(shè)法減小該力的大小，但如果能對該汽流力的性質(zhì)有所判斷，在不影響機組正常運行的情況下，也可以采用合適的閥序利用這部分汽流力，這樣不僅可以減少檢修的工作量，還可以使機組經(jīng)濟運行。

［1］李剛，胥建群，李玲，等.大型汽輪機組汽流激振及配汽優(yōu)化研究［J］.江蘇電機工程，2010，29(5):11-15.

［2］郝向中.600MW汽輪發(fā)電機組汽流激振原因分析及對策［J］.電力設(shè)備，2007，8(7):76-79.

［3］牟法海，石瑞平，王建，等.汽流激振故障的診斷與處理［J］.熱力透平，2010，39(1):75-78.

［4］黃來，駱名文，丁學(xué)俊，等.葉輪偏心間隙氣流激振力的數(shù)值模擬［J］.流體機械，2008，36(4):19-21.

［5］高生輝，王迎旭，于存喜，等.配汽方式對汽輪機安全的影響及順序閥優(yōu)化研究［J］.華北電力技術(shù)，2011，32(2):18-23.

［6］張法科.大型汽輪機不同噴嘴配汽方式對軸瓦溫度和軸振動的影響［J］.電力建設(shè)，2012，33(10):67-70.

［7］康松，楊建明，胥建群.汽輪機原理［M］.北京:中國電力出版社，2000.