汽輪機兩種典型碰磨故障的比較分析

張永軍

（山西大唐國際運城發(fā)電有限責任公司,山西運城 044602）

1 設備現(xiàn)況

某電廠2臺600 MW汽輪機為亞臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽、直接空冷凝汽式機組。高中壓缸采用合缸結構，高中壓轉子和低壓轉子均為無中心孔合金鋼整鍛轉子，高中壓轉子和1號低壓轉子、1號低壓轉子和2號低壓轉子、2號低壓轉子和發(fā)電機轉子均通過聯(lián)軸器剛性聯(lián)接。每根轉子均有2個支撐軸承支撐。

2 汽輪機振動異常情況簡介

2017年1月底至3月份，分別進行2臺汽輪機高中壓缸揭缸檢修工作，本次揭缸檢修的目的是隔板變形量的測量、隔板的金屬檢驗、以及汽封間隙的調整。在揭缸檢修前，2臺機組歷次啟動困難，分析原因為啟動過程中因汽封間隙小造成的徑向動靜碰磨，該原因在本次揭缸檢查中得到了確認。揭缸檢修后調整增大了汽封間隙，將設計公差的下限提高0.1 mm，機組啟動正常。機組運行2個月后，2號機組二瓦軸振逐漸開始增大，并且產生了振動波動不穩(wěn)定的現(xiàn)象，至6月底，二瓦軸振最大波動至210 μm。根據振動特征分析為二瓦外油擋的積碳碰磨，7月份停機檢查確認了該故障原因，處理后機組運行正常。

本文重點分析2臺汽輪機揭缸檢修前啟動過程的動靜碰磨振動特征和2號機積碳碰磨的振動特征。對比2種不同的碰磨現(xiàn)象，提出故障分析的要點、動靜碰磨后的應對措施和防止積垢碳化的措施。

3 汽輪機啟動過程汽封動靜碰磨引起的振動

3.1 啟動過程的振動數據

某次汽輪機沖轉時，一、二瓦軸振趨勢見圖1，波德圖見圖2。振動大時打閘停機，停機時最大振動為 1X，253 μm；1Y，174 μm；2X，228 μm；2Y，192 μm。升速過臨界時振動為1X，56 μm；1Y，57 μm；2X，69 μm；2Y，58 μm。惰走降速過臨界時振動為 1X，81 μm；1Y，77 μm；2X，182 μm；2Y，177 μm。轉速到零投入車，盤車電流39 A，高中壓轉子端部撓度4絲，與啟動前的盤車電流和撓度值相同。

圖1 汽輪機某次啟動一、二瓦軸振趨勢圖

圖2 汽輪機某次啟停機一、二瓦軸振波德圖

3.2 振動特征及分析

主要以高中壓轉子兩端一瓦、二瓦軸振進行分析，具有如下特征。

a）軸振增加明顯，瓦振較小，軸振大打閘停機時，瓦振為18 μm。

b）振動增大時，均表現(xiàn)為一倍頻分量的增大，轉子具有不平衡的特征[1]。

c）惰走降速過臨界明顯大于升速過臨界的振動值，二瓦軸振增大最顯著，約增大了100 μm。說明轉子發(fā)生了熱變形。需要說明的是，在極個別的某次啟動，振動大停機惰走過臨界轉速時的振動，與升速過臨界轉速時的振動無明顯差別，說明熱變形很快就恢復了正常。

d）振動增大過程，一倍頻振動分量的相位不穩(wěn)定，可達 30～80°的變化量。

e）中速暖機以及額定轉速振動增大發(fā)散過程，轉子的中心位置沒有發(fā)生大的變化，說明軸瓦的承載及工作狀態(tài)正常。

f）振動增長速度較快，30 min可增大180 μm，有時 20 min 可增大 180 μm。

g）振動增大時段多發(fā)生在剛達額定轉速時，多次還發(fā)生在剛并網之后。

根據振動的特征，基本確定了轉子與汽封的動靜碰磨造成轉子熱彎曲，進而引起振動增大。

3.3 應對措施

避免碰磨振動的根本對策是在檢修中合理確定汽封間隙的調整值，當機組已經檢修結束投入運行，若發(fā)生動靜碰磨，應從運行手段采取相應的措施。

根據調節(jié)級溫度選擇合理沖轉參數，控制好蒸汽參數，保證汽溫不大幅波動。

啟動過程根據調節(jié)級溫度、高中壓缸排汽溫度選擇合理軸封供汽溫度，充分疏水暖管后再投運。沖轉過程控制好軸封供汽溫度，嚴密監(jiān)視軸封供汽溫度，特別是高中壓軸封溫度，防止因軸封溫度突變引起軸封處動靜碰摩。

預留充足的啟動時間，提前對汽輪機預暖，必要時增加沖車次數使汽輪機得到充分膨脹。

優(yōu)化高壓和中壓調門的控制邏輯，合理分配高壓缸和中壓缸的進汽量。

各瓦振動無異常方可并網，在機組并網后延長低負荷暖機時間并緩慢升負荷。

動靜碰磨最大的危害是可能會發(fā)生大軸彎曲事故，據統(tǒng)計，彎軸事故90%是由轉軸碰磨引起的。機組啟動中，要重點對高中壓轉子2個軸瓦的振動重點監(jiān)視，關鍵點是振動的絕對值和變化增長的速率。首先過臨界轉速之前，與以往振動對比，本次啟動振動的絕對值明顯較大或者增長速度明顯較大，應果斷打閘停機，因為過了臨界轉速再停機，惰走過程還要再經過臨界轉速，可能造成振動的發(fā)散失控。若已經過了臨界轉速，當振動增長較快時，要在低于振動跳閘值提前打閘，防止事故的發(fā)生。

打閘停機后，根據振動變化情況，應及時或提前破壞真空，轉速至零及時投入盤車運行，4 h后，撓度恢復正常值方可重新啟動。

4 汽輪機積碳碰磨引起的振動

4.1 積碳碰磨的振動數據

2號汽輪機揭缸檢修后，機組啟動正常。運行2個月后，一至四瓦軸振產生波動現(xiàn)象，其中二瓦軸振波動量最大，隨著時間推移，振動波動量越來越大，至6月底，二瓦軸振最大波動至210 μm。波動趨勢見圖3，某2次波動數據見表1。

4.2 振動特征及分析

振動變化主要表現(xiàn)在高中壓轉子和1號低壓轉子的一至四瓦上。軸振變化大，瓦振變化小，說明軸瓦緊力及軸瓦的支撐系統(tǒng)剛度是正常的，故障原因應是轉子激振力變化引起的。

每次變化時間約0.5～2 h，且振動變化后均恢復至穩(wěn)定狀態(tài)。每次變化時，一倍頻振動變化的角度基本一致，只是大小的不同，說明故障的角度基本恒定。

從振動大小初步分析故障的軸向位置，應該距離二瓦較近。

振動變化是可逆的，并且振動是緩慢變化的，應排除轉子上零部件的故障。振動與負荷變化無明顯關系，與中低對輪螺栓的連接緊力無關。

振動與負荷、調門開度變化也無直接關系，振動變化以一倍頻為主，低倍頻的分量很小，說明振動變化不是自激振蕩引起的。

振動波動時，軸瓦烏金溫度沒有發(fā)生變化，說明軸瓦的載荷沒有變化。

圖3 波動趨勢圖

圖4 汽機二瓦外油擋積垢碳化現(xiàn)場圖片

振動變化時，蒸汽參數、軸封蒸汽溫度、真空、油溫、軸向位移、脹差等參數均無明顯變化，振動具有偶發(fā)性。但隨著時間的推移，偶發(fā)次數越來越多。

根據振動特征，基本確定動靜碰磨使轉子臨時熱彎曲造成振動的不穩(wěn)波動。查閱多個參考文獻的案例，診斷結論為二瓦外油擋積垢碳化碰磨故障，7月份停機檢查確認了該故障原因，與之前的分析一致，處理后機組運行正常。

表1 過熱器不同工況主要參數

4.3 防范措施

外油擋積垢碳化，必須具有一定的條件、且需要一段時間才會發(fā)生，具有以下特點[2]。

a)積垢碳化的條件：首先要有灰塵，再者外油擋漏油或者有油煙，最后是在高溫作用下逐步形成。

b)時間：密封齒間積垢碳化是逐漸形成的，一般在機組檢修后連續(xù)運行一段時間之后才出現(xiàn)，短則數月即可發(fā)生，長則數年之后才發(fā)生。

c)油擋積垢碳化易出現(xiàn)在高中壓轉子部分，即溫度較高的軸段，當然也有其他位置的個別案例。一般油污垢在高溫環(huán)境中才會碳化，才會形成質地堅硬的碳化物。

針對積垢碳化的特點，建議采取以下防范措施。

a)軸承箱油擋與高中壓缸保溫之間應有必要的空隙，一方面減弱高溫傳導，另一方面避免灰塵進入油擋。

b)要保證外油擋周圍環(huán)境的清潔。在進行保溫工作時潤滑油系統(tǒng)要停運，尤其是不讓軸承箱內形成負壓。保溫工作結束后，使用負壓吸塵將油擋周圍附近的灰塵和保溫碎屑徹底清理干凈。還要將汽輪機軸承箱表面及汽輪機周圍的灰塵清理干凈。

c)優(yōu)化油擋泄油孔的孔徑和數量的設計，保證回油的通暢。

d)提高檢修質量，防止軸瓦油封環(huán)漏油。

e)運行中調整維持主油箱負壓在最優(yōu)狀態(tài)，既要避免油煙通過外油擋溢出，又要減少灰塵進入軸承箱油擋。

f)正常運行期間，要保持高中壓缸化妝板內密閉空間衛(wèi)生的清潔。

5 兩種碰磨故障振動特征比較

汽封動靜碰磨和積碳動靜碰磨的機理均為，轉子產生了臨時的熱彎曲造成振動的增大，振動特征有如下相同之處。

a)頻譜均是以一倍頻為主。

b)振動相位均不穩(wěn)定。

c)一般軸振幅值大于瓦振。

兩種碰磨的區(qū)別。

a)積垢碳化發(fā)生在機組正常運行中。汽封動靜碰磨在啟動中容易發(fā)生，也有運行中發(fā)生的。

b)積碳碰磨振動是波動的，具有可恢復性，波動特征具有重復性。汽封動靜碰磨有時是波動的，有時是發(fā)散的，沒有規(guī)律性。

c)每次積碳碰磨一倍頻振動變化角度基本一致。汽封動靜碰磨相位變化比較隨機。

d)積碳碰磨振動是緩慢變化的。汽封動靜碰磨振動變化較快。

e)汽封動靜碰磨受蒸汽參數的影響較大。積碳碰磨與機組運行參數無關。

f)積碳碰磨具有隨機的偶發(fā)性。汽封動靜碰磨不具有這種特性。

g)積碳碰磨隨著時間天數的推移，越來越嚴重。汽封動靜碰磨不具有這種特性。

h)一旦發(fā)生積碳碰磨，無法自行消失，也無相應的運行手段，只能停機處理。汽封動靜碰磨可以通過運行的手段逐步磨汽封而減輕甚至消除癥狀。

i)汽封動靜碰磨一旦控制不好，有可能會造成轉子永久彎曲事故。積碳碰磨發(fā)展緩慢，目前尚無造成轉子永久彎曲事故的報道。

6 結束語

本文通過2種不同碰磨故障的比較分析，并提出了防范和應對措施，對同類型震動故障的分析處理有參考借鑒意義。

參考文獻:

[1] 施維新.汽輪發(fā)電機組振動及事故 [M].北京：中國電力出版社，2008:104-124.

[2] 張衛(wèi)軍,曹作旺.汽輪機油擋積垢碳化摩擦振動的診斷 [J].熱力透平，2011(4):282-285.