300MW汽輪機(jī)氣流激振的問題及策略研究

張卓霖

摘 要：本次研究首先介紹了汽輪機(jī)組氣流震蕩的機(jī)理特征和一般解決措施，然后針對(duì)某電廠的300MW汽輪機(jī)組在調(diào)試期間出現(xiàn)的氣流震蕩問題的原因進(jìn)行了深層分析，原因分析顯示，導(dǎo)致汽輪機(jī)出現(xiàn)氣流震蕩問題的原因，主要包括了氣封腔內(nèi)壓力周相變化引起的激振力和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩不平衡引起的激振力，并針對(duì)問題原因，提出了相應(yīng)的處理措施，希望通過本次研究對(duì)同行有所助益。

關(guān)鍵詞：300MW汽輪機(jī) 氣流激振問題 應(yīng)對(duì)措施

中圖分類號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2018）12-0-01

在火力發(fā)電廠運(yùn)行過程中，隨著機(jī)組參數(shù)的不斷提升，汽輪機(jī)組出現(xiàn)氣流激振的概率也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。該種問題的出現(xiàn)會(huì)給整個(gè)電廠的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響，因此，加大對(duì)大型汽輪機(jī)主汽流激振問題產(chǎn)生的原因分析，并采取針對(duì)性措施將其解決，就顯得十分重要了。本文主要結(jié)合實(shí)際案例分析了某電廠300MW汽輪機(jī)組在調(diào)試運(yùn)行期間發(fā)生氣流激振的現(xiàn)象，然后分析了該種問題產(chǎn)生的原因，制定了相應(yīng)的應(yīng)變措施，現(xiàn)將具體研究?jī)?nèi)容介紹如下：

一、汽輪機(jī)主汽流激振產(chǎn)生的特征

當(dāng)汽輪機(jī)組發(fā)生氣流激振后，由于屬于自激振動(dòng)，解決這些問題，是不能采用平衡方法將其消除。一般情況下，汽輪機(jī)汽流機(jī)轉(zhuǎn)換容易發(fā)生在高壓和中壓轉(zhuǎn)子上，并且發(fā)生一次之后，會(huì)循環(huán)往復(fù)的再次出現(xiàn)。此外，導(dǎo)致汽輪機(jī)機(jī)組出現(xiàn)氣流激振的主要頻率相對(duì)較低，而產(chǎn)生各種故障有時(shí)還會(huì)與汽輪機(jī)組近期調(diào)門的開啟順序和開密度存在一定聯(lián)系。

二、機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀

某電廠的兩臺(tái)300MW的亞臨界機(jī)組，為東方汽輪機(jī)生產(chǎn)的優(yōu)化機(jī)型，型號(hào)為CAK300/271-16.67/0.4/538/538（合缸），其中一號(hào)機(jī)組在正式投入使用，第一次啟動(dòng)后，當(dāng)負(fù)荷升高到209MW時(shí)，2號(hào)軸承X向軸震動(dòng)幅度不斷提升，振動(dòng)幅度達(dá)到了報(bào)警值。高壓缸脹差2.3mm，低壓缸脹差4.9mm，熱膨脹左右兩側(cè)分別為24.8mm和23.9mm。當(dāng)負(fù)荷升高到240MW后，2號(hào)軸承x向軸振動(dòng)超標(biāo)，造成了兩次跳機(jī)現(xiàn)象。結(jié)合DCS數(shù)據(jù)采集結(jié)果，2號(hào)軸承x向軸振動(dòng)頻率在27Hz，從震動(dòng)出現(xiàn)階段性變化到保護(hù)性動(dòng)作，中間間隔時(shí)間10秒。此后，在第二次啟動(dòng)帶負(fù)荷運(yùn)行過程中，又重復(fù)出現(xiàn)了上述故障。

三、汽輪機(jī)主汽流激振原因分析

通過多次機(jī)組啟動(dòng)帶負(fù)荷運(yùn)行出現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象分析，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高到總負(fù)荷的70%左右后，振動(dòng)過大的現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)，具有發(fā)生的突發(fā)性，而最大振動(dòng)現(xiàn)象主要發(fā)生在汽輪機(jī)的高中壓轉(zhuǎn)子上，由此可以看出，汽輪機(jī)處發(fā)生震動(dòng)和負(fù)荷的提升有著直接聯(lián)系，振動(dòng)頻率約為27赫茲，具有明顯的自激振動(dòng)特點(diǎn)。結(jié)合該型機(jī)組在投入運(yùn)行過程中存在的振動(dòng)問題和最近幾年大型機(jī)組振動(dòng)處理經(jīng)驗(yàn)，初步判斷為振動(dòng)現(xiàn)象是由氣流振動(dòng)引起。而氣流激振往往發(fā)生在大中型的汽輪機(jī)高壓或中壓轉(zhuǎn)子上，使得轉(zhuǎn)子突然發(fā)生震動(dòng)，且往往出現(xiàn)在機(jī)組并網(wǎng)投入使用負(fù)荷逐漸增大過程中。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷不斷增大后，突發(fā)性振動(dòng)通常有一個(gè)限定負(fù)荷，超過此負(fù)荷之后，立即會(huì)出現(xiàn)氣流激振，而當(dāng)負(fù)荷降低到某一數(shù)值時(shí)，機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象消失，恢復(fù)到正常。通過對(duì)本次汽輪機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行綜合分析，通過對(duì)本次汽輪機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行綜合分析，汽輪機(jī)主汽流激振原因主要包含以下幾個(gè)方面：

1.葉頂間隙激振力

汽輪機(jī)組在安裝或調(diào)試運(yùn)行過程中，氣缸跑偏會(huì)造成轉(zhuǎn)子相對(duì)于氣缸是發(fā)生相對(duì)位移，使得葉頂間隙發(fā)生改變。葉頂間隙小的一側(cè)，在氣流作用下，橫向力變大，葉頂間隙大的一側(cè)由于氣流作用力較小，使得橫向力相對(duì)較小，造成氣流作用于轉(zhuǎn)子中心上的力不平衡，促使轉(zhuǎn)子發(fā)生自激振動(dòng)。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)研究表明，葉頂間隙激振力很容易發(fā)生在參數(shù)較高的汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子上。

2.汽封氣流激振力

汽輪機(jī)組在設(shè)計(jì)過程中，由于設(shè)計(jì)方案存在問題，或者在運(yùn)行過程中參數(shù)調(diào)整不合理，使得汽輪機(jī)組內(nèi)部產(chǎn)生了軸系動(dòng)態(tài)偏心，造成軸封和隔板汽封腔室內(nèi)蒸汽周向分布不均勻，從而在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生了來自于不同方向不平衡的力矩作用，從而使得轉(zhuǎn)子發(fā)生了自激振動(dòng)。

3.轉(zhuǎn)子上靜態(tài)蒸汽作用力

在汽輪機(jī)組運(yùn)行過程中，內(nèi)部高壓缸進(jìn)氣方式是非對(duì)稱性的，由于來自各個(gè)方面的力不平衡，使得轉(zhuǎn)子受高壓蒸氣作用也存在不平衡，一方面造成高壓轉(zhuǎn)子軸頸在軸承上的荷載出現(xiàn)不平衡變化，另一方面會(huì)造成高壓轉(zhuǎn)子的徑向上位置發(fā)生偏移，而汽輪機(jī)流通部分的間隙出現(xiàn)變化，最終導(dǎo)致傳子上臺(tái)軸承的受力特性發(fā)生變化，傳子運(yùn)行失去穩(wěn)定，導(dǎo)致汽輪機(jī)組氣流激振產(chǎn)生。

4.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子不平衡導(dǎo)致的激振力

在汽輪機(jī)組安裝調(diào)試運(yùn)行過程中，氣缸出現(xiàn)跑偏，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)徑向位移等現(xiàn)象，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)氣流激振。當(dāng)轉(zhuǎn)子相對(duì)于氣缸發(fā)生了位置偏移之后，會(huì)造成蒸汽在轉(zhuǎn)子上的功徑向力分布不均勻，轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中，很容易導(dǎo)致出現(xiàn)渦動(dòng)。

四、300MW汽輪機(jī)氣流激振問題的解決對(duì)策

1.增加支撐系統(tǒng)阻尼

首先，在汽輪機(jī)組運(yùn)行過程中，要調(diào)整好汽缸和轉(zhuǎn)子的位置，避免轉(zhuǎn)子和汽缸在運(yùn)行過程中，中心發(fā)生位置偏移；其次，逐漸增大轉(zhuǎn)子與隔板之間的軸向間隙。通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)和多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以得到隨著噴嘴、靜液和動(dòng)葉之間的軸向間隙不斷增大，可以明顯減弱氣流渦所產(chǎn)生的激振力，但這種方式會(huì)顯著降低汽輪機(jī)的內(nèi)在運(yùn)行效率；再次，對(duì)調(diào)速汽門的開啟程序進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，這樣能夠有效避免轉(zhuǎn)子在單側(cè)蒸汽力作用下出現(xiàn)明顯的位置偏移，并在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生了不平衡力矩；第四，增加軸瓦阻尼，例如可以通過減少軸瓦間的間隙，增加軸瓦之間的長(zhǎng)度，選擇使用粘性較大的潤(rùn)滑劑等。同時(shí)還可以選擇質(zhì)量和穩(wěn)定性較好的軸瓦，增加擠壓油膜，阻尼器等，這樣都能夠很好的減少激振力產(chǎn)生；最后，提高轉(zhuǎn)子的臨界速度。在汽輪機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，最有效的解決對(duì)策是逐漸改變調(diào)門得開啟順序，或者采用順閥運(yùn)行方式，其減弱效果是十分明顯的。

2.調(diào)整潤(rùn)滑油參數(shù)

在汽輪機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行情況下，將各個(gè)閥恢復(fù)到四閥同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，然后逐步提升潤(rùn)滑油壓力至0.2MPa，及時(shí)查看汽輪機(jī)組振動(dòng)變化情況之后，逐步提高潤(rùn)滑油溫度，提升到44℃，進(jìn)一步升高汽輪機(jī)負(fù)荷，逐漸降低，潤(rùn)滑油溫度下降到37℃，進(jìn)一步查看振動(dòng)變化情況。

3.調(diào)節(jié)閥升降調(diào)整和閥序調(diào)整

通常情況下，汽輪機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，不會(huì)出現(xiàn)氣流激振問題，因此在負(fù)荷180MW以下，可以將順序閥改為為單閥運(yùn)行模式，然后逐步提高汽輪機(jī)組負(fù)荷到200MW左右，等到機(jī)組振動(dòng)穩(wěn)定10分鐘后，每升高5MW穩(wěn)定10分鐘，當(dāng)機(jī)組發(fā)生氣流震蕩時(shí)，投入功率實(shí)施閉環(huán)控制，穩(wěn)定主汽參數(shù)和負(fù)荷，觀察汽輪機(jī)組振動(dòng)變化規(guī)律。該項(xiàng)工作在開展之前，汽輪機(jī)組已經(jīng)處于振動(dòng)不穩(wěn)定狀態(tài)，因此在開展每一項(xiàng)操作時(shí)，如果汽輪機(jī)組振動(dòng)較大，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)上漲20μm，則需要停止試驗(yàn)，關(guān)閉開啟閥門，如果震動(dòng)上漲到35μm，則需要停止試驗(yàn)，并降低汽輪機(jī)組負(fù)荷直到震動(dòng)停止。在操作過程中，主要包含以下幾方面內(nèi)容：首先，單閥狀態(tài)調(diào)整。人工調(diào)整2號(hào)閥開度，將剩余的閥投入到自動(dòng)閉環(huán)控制，逐步關(guān)小2號(hào)閥開度，直到完全關(guān)閉，然后逐步開啟2號(hào)閥法，恢復(fù)到原有開啟狀態(tài)，隨后逐步增大2號(hào)閥的開度。在對(duì)2號(hào)閥開度進(jìn)行控制過程中，如果發(fā)現(xiàn)振動(dòng)波動(dòng)較大，通頻震動(dòng)上漲，則需要停止操作，恢復(fù)到原有狀態(tài)；其次，單閥狀態(tài)試驗(yàn)。依次試驗(yàn)2號(hào)閥、3號(hào)閥、4號(hào)閥、1號(hào)閥的開啟程度對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響，通過全面實(shí)驗(yàn)分析，確定閥門的開啟順序。該項(xiàng)工作完畢之后，將汽輪機(jī)的負(fù)荷下降到180MW，切換全新的閥門開啟順序，以新的順序閥曲線逐漸升高負(fù)荷，在升高過程中，如果汽輪機(jī)組振動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，逐步升高至額定功率；最后，做好監(jiān)控和登記工作。在整個(gè)試驗(yàn)調(diào)整過程中，操作人員，運(yùn)行人員應(yīng)該密切監(jiān)視1x、1y、2x、2y四個(gè)測(cè)試點(diǎn)的振動(dòng)值，一旦任意一個(gè)振動(dòng)值超過了120μm，應(yīng)該停止調(diào)整試驗(yàn)。如果實(shí)驗(yàn)操作過程中，振動(dòng)頻率不斷增大，則需要停止實(shí)驗(yàn)操作，同時(shí)快速降低機(jī)組負(fù)荷到穩(wěn)定狀態(tài)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，相關(guān)人員要做好數(shù)據(jù)記錄，各個(gè)閥門開張順序開張程度、汽輪機(jī)負(fù)荷、進(jìn)氣壓力、流量軸承瓦溫以及回油溫度的登記記錄工作。

總之，大容量汽輪機(jī)組氣流激振問題普遍存在，而導(dǎo)致各種問題出現(xiàn)的原因多種多樣十分復(fù)雜。在整個(gè)機(jī)組運(yùn)行調(diào)試期間，就要求技術(shù)人員采用對(duì)機(jī)組擾動(dòng)最小的高調(diào)門運(yùn)行方式，通過合理調(diào)控閥門順序，開張角度，控制氣流的流速，防止氣缸加熱不均勻，提高潤(rùn)滑油溫度等措施，保證機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定性，避免相關(guān)參數(shù)出現(xiàn)大幅度變化，而對(duì)機(jī)組正常運(yùn)行產(chǎn)生危害。

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