汽輪機(jī)冷態(tài)啟動過程中動靜碰摩分析與處理

唐貴基，譚秀婷，，盧盛陽

(1.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北 保定 071003；2.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

汽輪機(jī)冷態(tài)啟動過程中動靜碰摩分析與處理

唐貴基1，譚秀婷1，2，盧盛陽2

(1.華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北 保定 071003；2.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

針對大型汽輪發(fā)電機(jī)組冷態(tài)啟動過程中經(jīng)常出現(xiàn)由動靜碰摩振激發(fā)的不穩(wěn)定振動故障的情況，分析了動靜碰摩常見原因、振動特征及相關(guān)措施，通過對汽輪機(jī)組冷態(tài)啟動過程中碰摩故障案例的分析，總結(jié)了振動特征和故障原因，并提出具體處理措施以消除機(jī)組異常振動。

汽輪機(jī)；冷態(tài)啟動；振動故障；動靜碰摩

0 引言

碰磨屬于大型汽輪機(jī)組運行中較為多見的不穩(wěn)定振動故障，在新投產(chǎn)的機(jī)組或檢修后啟動過程中經(jīng)常發(fā)生，正常運行中也時有發(fā)生，容易導(dǎo)致振動的波動、突變甚至大軸彎曲。 據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)300 MW汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生的彎軸事故中，有80%以上是由于碰摩引起的[1]。原國家電力公司“25項反措”中防止大軸彎曲中特別強(qiáng)調(diào)動靜碰摩。因汽缸膨脹不暢、缸體變形、基礎(chǔ)沉降等原因會造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子與汽缸不同心，當(dāng)為了提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性或檢修工藝控制不當(dāng)?shù)仍蛟斐蓜屿o間隙偏小時就易發(fā)生動靜碰磨[2]。動靜碰磨會使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生彈性彎曲，如控制不當(dāng)極易造成大軸永久彎曲等惡性事故[3]。通過對某電廠汽輪機(jī)冷態(tài)啟動過程中出現(xiàn)的碰摩故障案例分析，探討了其振動特征、原因，并作出處理，并對相關(guān)問題提出建議。

1 動靜碰摩原因及振動特征

1.1 動靜碰摩的原因

動靜碰摩是指轉(zhuǎn)子在做旋轉(zhuǎn)運動時與固定的汽缸(及附件)間發(fā)生的碰撞摩擦[4]。在汽輪機(jī)停機(jī)時，轉(zhuǎn)子與汽缸之間有一定的間隙；在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，由于轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡等因素使其轉(zhuǎn)軸中心與靜子中心產(chǎn)生偏差，這樣轉(zhuǎn)子與汽缸間的最小間隙會減?。划?dāng)兩者間最小間隙消除時，兩者將發(fā)生碰摩故障[5]。引起動靜碰摩的因素復(fù)雜多樣[6]，常見的有以下幾種: 轉(zhuǎn)軸的振動過大；可能由軸系不穩(wěn)定、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)子熱彎曲等因素引起。軸系不對中；特別是機(jī)組冷熱態(tài)啟動軸承標(biāo)高發(fā)生改變從而引的不對中會使動靜間隙減小導(dǎo)致碰摩。動靜間隙小；可能因為設(shè)計缺陷、安裝誤差以及檢修時調(diào)整的動靜間隙沒有達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。缸體跑偏、彎曲或變形；機(jī)組啟動過程中，上下缸溫差較大，可能發(fā)生彎曲變形，進(jìn)而引起碰摩。

1.2 動靜碰摩的振動特征

在汽輪機(jī)啟動過程中，升速至臨界轉(zhuǎn)速前容易引發(fā)高中壓轉(zhuǎn)子碰磨故障，轉(zhuǎn)速很高及負(fù)荷很大時，低壓轉(zhuǎn)子容易發(fā)生碰摩[7]。機(jī)組啟動過程中發(fā)生碰摩時，升速或暖機(jī)過程中振動逐漸增大，碰摩初始軸承振動幅值和相位會隨時間波動，具體表現(xiàn)為振動慢慢爬升，打閘后振動經(jīng)常伴有沖高現(xiàn)象然后緩慢回落，降速過程較升速過程振動大得多。初期碰摩故障的頻譜特征是以基頻變化為主[8]，嚴(yán)重時常伴有分頻、倍頻等，于此同時相位也隨之變化。若機(jī)組在高運速中：高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生動靜碰磨，即使降速振動也會很大，降速至臨界時振動通常會超過報警值[9]，但是低壓轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩，降速至臨界時通常振動值變化幅度不大。

1.3 碰摩故障處理措施

發(fā)生動靜碰磨時軸振較瓦振反應(yīng)靈敏，因此沖車過程中應(yīng)密切監(jiān)視軸振變化趨勢，振動增大較快時應(yīng)及時打閘[10]，不要等到振動保護(hù)動作；因動靜碰磨引起振動過大造成機(jī)組停運后，需經(jīng)低速暖機(jī)(磨合)或充分盤車消除熱彎曲。機(jī)組在高速或帶負(fù)荷過程中：如果出現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨現(xiàn)象時，不能立即停機(jī)，需降速至高于臨界且振動較小的轉(zhuǎn)速下運行一段時間在停機(jī)，以防直接停機(jī)造成機(jī)組過臨界轉(zhuǎn)速時振動太大；若低壓轉(zhuǎn)子發(fā)生碰磨，則需提高排汽壓力來消除機(jī)組振動。

2 實例分析

2.1 某電廠11號汽輪機(jī)

2.1.1 機(jī)組概況

某電廠11號汽輪機(jī)額定功率為300 MW、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、額定主蒸汽壓力為16.7 MPa,機(jī)組軸系由高中壓合缸轉(zhuǎn)子(HIP)、低壓轉(zhuǎn)子(LP)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(G)及集電環(huán)轉(zhuǎn)子(E)組成。汽輪輪機(jī)兩個轉(zhuǎn)子為雙支承方式，發(fā)電機(jī)與集電環(huán)采用三支承，高中壓轉(zhuǎn)子1號、號2瓦為落地式可傾；低壓轉(zhuǎn)子3號、4號瓦在排汽缸上；發(fā)電機(jī)5號、6號瓦為端蓋式橢圓瓦。

2.1.2 機(jī)組振動情況及處理措施

2016年11月12日11號汽輪機(jī)大修后首次沖車，按冷態(tài)啟動方式進(jìn)行，在500 r/min摩擦檢查時各軸承振動未見異常，摩檢結(jié)束后升速，轉(zhuǎn)速升至1 240 r/min進(jìn)行暖機(jī)，在暖機(jī)期間1號、2號、3號、 4號軸承振動均明顯上升，其中2號軸承振動變化明顯，X方向振動由剛升速至1 240 r/min的18∠261/29(基頻∠相位/通頻： μm∠°/μm)升至111∠350/117，4號軸承X方向振動由剛升速至1 240 r/min的14∠279/22升至82∠258/93，出于保護(hù)，汽輪機(jī)打閘投盤車[13]，連續(xù)盤車4 h。

連續(xù)盤車4 h后繼續(xù)沖車，升速至1 250 r/min后，繼續(xù)暖機(jī)，暖機(jī)過程中1號、2號、3號、 4號軸承振動又明顯增大，其中2號軸振變化仍很明顯，X方向振動達(dá)到208∠286/209，再次升速至暖機(jī)時的2號軸承振動Bode圖見圖1，各軸承振動變化值如表1所示。

圖1 再次沖至1 240 r/min暖機(jī)時2X振動Bode

表1 1 250 r/min時及暖機(jī)后各軸振變化

項目基頻∠相位/通頻:μm∠°/μm升速至1250r/min1250r/min暖機(jī)后1X6∠107/2054∠101/691Y7∠20/2176∠208/842X8∠194/21208∠286/2092Y7∠304/19114∠145/1273X22∠132/2961∠208/743Y14∠15/24125∠290/128

由表1數(shù)據(jù)可知，在1 250 r/min暖機(jī)時，汽輪機(jī)各軸承發(fā)生了較嚴(yán)重的動靜碰摩，考慮到該轉(zhuǎn)速在高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速以下，1號、2號軸承振動較大，過臨界困難，因此機(jī)組再次打閘，投盤車。

連續(xù)盤車4 h后機(jī)組繼續(xù)啟動，機(jī)組在經(jīng)過高中壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時各軸承振動無明顯變化，機(jī)組升速至2 050 r/min暖機(jī)。暖機(jī)過程中，機(jī)組振動無明顯變化，暖機(jī)結(jié)束后，順利沖至3 000 r/min。機(jī)組沖車至3 000 r/min各軸承振動值見表2。

表2 3 000 r/min各軸承振動

項目基頻∠°/通頻項目基頻∠°/通頻1X8∠130/211Y7∠217/202X15∠255/312Y9∠317/263X17∠282/293Y19∠68/35

由表2數(shù)據(jù)可知，汽輪機(jī)沖車至3 000 r/min各軸承振動情況優(yōu)良。機(jī)組進(jìn)行電氣試驗與汽輪機(jī)的主汽門、調(diào)門嚴(yán)密性試驗完畢后，并網(wǎng)進(jìn)行帶負(fù)荷暖機(jī)，嚴(yán)密性試驗期間2號軸振圖見圖 2。

圖2 嚴(yán)密性試驗期間2X振動Bode

暖機(jī)結(jié)束后進(jìn)行機(jī)械超速試驗，兩次機(jī)械超速試驗動作轉(zhuǎn)速分別為3 270 r/min和3 260 r/min，機(jī)械超速試驗合格。機(jī)械超速試驗過程中，各軸承振動未出現(xiàn)明顯增大。

機(jī)械超速試驗結(jié)束后再次并網(wǎng)升負(fù)荷，機(jī)組負(fù)荷逐漸升至300 MW，在升負(fù)荷過程中各軸承振動穩(wěn)定，未發(fā)生明顯上升。300 MW負(fù)荷時，汽輪機(jī)各軸承振動值見表3。

表3 300 MW負(fù)荷時各軸承振動

項目基頻∠°/通頻項目基頻∠°/通頻1X14∠110/301Y3∠67/362X11.5∠114/242Y8∠203/193X8∠191/253Y12∠253/24

2.2 某電廠1號汽輪機(jī)

2.2.1 機(jī)組概況

某電廠1號汽輪機(jī)組的額定功率為300 MW、額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、額定主蒸汽壓力為16.7 MPa。機(jī)組軸系由高中壓合缸轉(zhuǎn)子(HIP)、低壓轉(zhuǎn)子(LP)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(G)及集電環(huán)轉(zhuǎn)子(E)組成。汽輪機(jī)兩個轉(zhuǎn)子為雙支承方式，發(fā)電機(jī)與集電環(huán)采用三支承，高中壓轉(zhuǎn)子1號、2號瓦為落地式可傾瓦；低壓轉(zhuǎn)子 3號、4號瓦在排汽缸上；發(fā)電機(jī) 5號、6號瓦為端蓋式橢圓瓦，見圖3。

圖3 機(jī)組軸系布置

2.2.2 機(jī)組振動情況及處理措施

2017年1月8日該機(jī)組小修后啟動，第一次啟動，按冷態(tài)啟動方式進(jìn)行。在500 r/min低速暖機(jī)時各軸承振動未見異常，升至2 040 r/min進(jìn)行中速暖機(jī)，暖機(jī)過程中，機(jī)組各軸承振動隨著暖機(jī)時間的延長，振動值均出現(xiàn)爬升，其中1Y(1號軸承Y方向)振動變化最為突出，暖機(jī)結(jié)束時振動由50.8 μm升至81.2 μm，圖4為1Y振動Bode圖，各軸承振動數(shù)據(jù)見表4。

圖4 2 040 r/min暖機(jī)后1Y振動Bode

表4 2 040 r/min暖機(jī)后各軸振情況

項目基頻∠°/通頻項目基頻∠°/通頻1X64∠194/751Y71∠294/81.22X64∠217/722Y52∠309/60.13X69∠195/78.44Y59∠290/67

引起振動變化的主振頻率為基頻，基頻相位由309°變?yōu)?94°，說明高壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了熱彎曲，引起熱彎的原因是汽缸內(nèi)發(fā)生了動靜碰摩。暖機(jī)75 min后，機(jī)組打閘，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至1 600 r/min時，進(jìn)入臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，汽輪機(jī)各軸承振動均超過報警值，其中2X振動值最大達(dá)到209 μm，通過對各軸承振動情況分析，可知降速過程中振動突增的原因是：中速暖機(jī)過程中汽缸內(nèi)產(chǎn)生動靜碰摩，降速過程中通過高中壓臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時產(chǎn)生共振，碰摩加劇，引起振動進(jìn)一步增大。

機(jī)組盤車5 h后繼續(xù)沖車，仍按照冷態(tài)啟動方式進(jìn)行。沖車過程中未進(jìn)行暖機(jī)，直接沖至3 000 r/min。在沖車過程中碰摩現(xiàn)象一直存在，升至1 487 r/min和1 620 r/min時，進(jìn)入低壓轉(zhuǎn)子和高中壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，各軸承振動增大，但是均沒有到報警值。隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，振動值迅速回落，3 000 r/min定速后汽缸膨脹4.0 mm，脹差1.5 mm，各軸承振動值均小于50 μm。圖4為升速過程中1Y軸承振動Bode圖，定速后各軸承振動值如表5所示。

表5 定速3 000 r/min時各軸振情況

項目基頻∠°/通頻項目基頻∠°/通頻1X35.5∠190/471Y39∠285/51.72X16.5∠235/362Y15.5∠320/333X17.2∠224/323Y16∠321/30

由表5中振動數(shù)據(jù)，可知定速3 000 r/min時只有1Y振動值大于50 μm,但是仍在優(yōu)良范圍內(nèi)。

機(jī)組定速后進(jìn)行主汽門、調(diào)門嚴(yán)密性試驗，試驗結(jié)束后重新沖車至3 000 r/min，進(jìn)行了兩個小時的并網(wǎng)前電氣試驗，電氣試驗結(jié)束后，汽缸膨脹5.9 mm，脹差6.2 mm。由于3 000 r/min空負(fù)荷維持了大約2 h，高中壓缸軸承振動明顯好轉(zhuǎn)，各軸承振動見表6。

表6 嚴(yán)密性試驗后各軸振情況

項目基頻∠°/通頻項目基頻∠°/通頻1X28.2∠206/381Y35∠296/41.42X14.2∠241/272Y13.3∠336/273X12.3∠232/243Y12∠321/22.3

3 結(jié)束語

探討了動靜碰摩故障的原因、振動特征及措施。并通過對實際案例的分析著重探討了汽輪機(jī)組啟動過程中出現(xiàn)不穩(wěn)定振動情況，根據(jù)振動特征，判定故障均為高中壓缸動靜碰摩，并作出相應(yīng)的處理措施，兩起振動故障均是經(jīng)過多次低速暖機(jī)或充分盤車來消除熱彎曲。

某電廠11號機(jī)組大修后冷態(tài)啟動：機(jī)組在1 250 r/min暖機(jī)時，由于此時汽缸進(jìn)汽量小，暖缸效果并不明顯，反而使汽缸內(nèi)出現(xiàn)碰摩，造成汽輪機(jī)各軸承振動增大，不得不打閘停機(jī)連續(xù)盤車，這樣大大延長了啟動時間；根據(jù)振動學(xué)理論：在高于一階臨界轉(zhuǎn)速的20 50 r/min進(jìn)行暖機(jī)時，由于碰摩產(chǎn)生的不平衡力與轉(zhuǎn)子熱彎曲成反相，一般不會使轉(zhuǎn)子越摩越彎，產(chǎn)生惡性循環(huán)，所以在2 050 r/min暖機(jī)時碰摩產(chǎn)生的振動較1 250 r/min暖機(jī)時的振動要小得多。建議機(jī)組冷態(tài)啟動時取消1 250 r/min暖機(jī)轉(zhuǎn)速，適當(dāng)延長2 050 r/min暖機(jī)時間；汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子為新?lián)Q轉(zhuǎn)子，由于轉(zhuǎn)子的殘余應(yīng)力釋放需要一定的時間，有可能會引起高中壓轉(zhuǎn)子啟停過臨界振動增大。因此，建議在機(jī)組停機(jī)后盡量不要投快冷。因為如果汽缸內(nèi)溫度場變化快時，會加快轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力的釋放。

某電廠1號機(jī)組大修后冷態(tài)啟動：機(jī)組中速暖機(jī)時，由于汽缸內(nèi)部件受熱不均，可能是由于隔板汽封、葉片圍帶汽封以及軸端汽封與轉(zhuǎn)子碰摩使機(jī)組振動過大；機(jī)組在2 040 r/min打閘惰走至1 600 r/min左右振動突然增大，主要是在中速暖機(jī)過程中汽缸內(nèi)產(chǎn)生碰摩，降速過程中通過高中壓臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時產(chǎn)生共振，碰摩加劇，引起振動進(jìn)一步增大；機(jī)組在3 000 r/min空負(fù)荷維持了2 h以上，汽缸內(nèi)組件受熱均勻、高中壓缸膨脹正常，汽輪機(jī)各軸承振動明顯好轉(zhuǎn)。

建議今后在冷態(tài)啟動過程中適當(dāng)延長機(jī)組的空負(fù)荷暖機(jī)時間，在機(jī)組并網(wǎng)前，盡量確保汽缸充分受熱膨脹，并網(wǎng)后升負(fù)荷過程中嚴(yán)格按照機(jī)組冷態(tài)升負(fù)荷曲線進(jìn)行。

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本文責(zé)任編輯：丁 力

Diagnosis Analysis and Treatment for Rub-impact Between Movingand Stationary Parts in Cold Starting-up Process of Steam Turbine

Tang Guiji1，Tan Xiuting1,2，Lu Shengyang2

(1.North China Electric Power University Department of Mechanical Engineering Baoding 071003，China; 2.Hebei Electric Power Academy of Sciences,Shijiazhuang 050021，China )

This paper introduces common causes,vibration characteristics and relevant measures about the rub-impact between moving and stationary parts.And through the analysis of the case about the cold starting-up process of the steam turbine, discusses the vibration characteristics and the cause of the problem, and gives the concrete measures to eliminate the abnormal vibration.

steam turbine; vibration fault; rub-impact between moving and stationary parts

TM311

：A

：1001-9898(2017)04-0028-04

2017-03-24

唐貴基(1962-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事結(jié)構(gòu)動特性測試與分析、振動與噪聲控制、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等方面的教學(xué)和研究工作。