新型350 MW超臨界供熱機組調試期間故障分析及處理

安宗武，孟穎琪，劉超，李長海，吳忠勝

(1.西安熱工研究院有限公司，西安 710032； 2.深能保定發(fā)電有限公司，河北 保定 072150)

1 設備概況

某電廠350 MW級供熱機組是哈爾濱汽輪機廠有限責任公司首次采用高、中壓分缸結構的機型，低壓缸進汽采用360°蝸殼式全周進汽方式。為進一步提高汽輪機缸效率，高、中壓缸通流部分應用了小間隙汽封、多級小隔板套結構等新技術，其中高壓轉子1～6級葉頂汽封采用刷式汽封，剩余部分和中、低壓轉子葉頂汽封采用鑲片式不可調整汽封，高、中壓缸靜葉圍帶噴涂可磨耗涂層，以進一步減小徑向間隙。

使用新型汽封后，汽輪機通流部分的軸向和徑向間隙比常規(guī)機組顯著縮小，依據設計和小間隙啟動報告[1]，在汽輪機啟動過程中允許動、靜部件輕微摩擦而不會引起過大的振動，同時也不會磨損轉子表面。

2 機組軸系及臨界轉速

機組軸系由高壓、中壓、低壓、發(fā)電機4根轉子構成，采用“N+1”支撐方式，為落地式軸承座，各轉子之間均通過聯(lián)軸器剛性連接。高壓與低壓轉子兩端各有一個軸承支撐，采用四瓦塊可傾瓦式軸承；中壓轉子無支承，電機轉子兩端為橢圓瓦軸承支撐。推力軸承布置在#2軸承處的高壓轉子上，是整個軸系的相對死點。機組臨界轉速見表1，軸系組成如圖1所示。

3 機組振動情況

2017年11月28日，#1機組首次沖轉，歷經20h的多次沖轉、磨合，定速3 000 r/min，完成空負荷和電氣并網前的試驗后進入帶負荷試運行階段。在此期間，機組共出現(xiàn)了9次因軸瓦振動過大被迫打閘停機的故障，其中沖轉過程中因#1瓦、#2瓦、#6瓦軸振大保護跳機6次，帶負荷期間因#2瓦軸振大保護跳機3次。機組振動問題已嚴重制約了試運行進度，危及設備安全。

表1 軸系臨界轉速 r/min

圖1 機組軸系示意

汽輪機首次沖轉前主蒸汽壓力為5.5 MPa、溫度為417 ℃，再熱蒸汽壓力為0.40～0.80 MPa、溫度為420 ℃，凝汽器真空度為-89 kPa，潤滑油溫度為38 ℃，軸封母管蒸汽溫度約為280 ℃，偏心28 mm。

3.1 碰摩振動

2017-11-28 T 01:24，汽輪機冷態(tài)沖轉，升速率為100 r/min，至500 r/min時打閘摩擦檢查無異常，升速至600 r/min低速暖機約40 min，此過程機組各軸瓦振動均正常。02:41，機組繼續(xù)升速至933 r/min時，#6瓦軸振6X從15 μm升至192 μm，6Y從14 μm升至205 μm，手動打閘停機。降速至800 r/min時，#6瓦軸振6X為28 μm，6Y為33 μm，軸振明顯下降。轉速到零后投入連續(xù)盤車。

03:20，機組沖轉，升速過程中，在1 300，1 418r/min轉速下，#2瓦軸振2X從57 μm快速升至392 μm，2Y從55 μm快速升至307 μm，同時#3瓦軸振3X從16 μm爬升至283 μm，3Y從14 μm爬升至192 μm，因機組軸振過大保護動作跳閘2次。跳閘后，隨著轉速的下降振動幅值也緩慢下降，但轉速降至218 r/min時，#3瓦軸振出現(xiàn)了攀升又回落的現(xiàn)象。

從圖1可見，勵磁機小軸是和發(fā)電機轉子同軸鑄造，沒有設計穩(wěn)定軸承，外伸端載荷較輕，有一定的晃動。啟動時密封油溫度低，密封瓦在一階臨界轉速前出現(xiàn)振動突變，#6瓦應為早期碰摩。

由于該機組高、中壓通流部分采用了小間隙、多級小隔板和靜葉圍帶可磨涂層技術，不但軸向和徑向動靜間隙小，而且涂層需要不斷磨合，很容易發(fā)生碰摩。從升速過程中#2，#3瓦的振動頻譜和趨勢圖可以看出，振動以基頻成分為主，相位變化大，振幅波動大于30 μm；跳閘后轉速下降過程中，振動較大且幅值下降緩慢，有抖動趨勢，判斷轉軸發(fā)生了徑向、軸向碰摩[2]。

根據汽輪機小間隙汽封特點，若暖機不充分、涂層磨合時間短，則容易發(fā)生碰摩，必須采取應對措施。(1)分別在600，800，1 000 r/min停留約10 min，監(jiān)測軸振變化趨勢并階梯升速，然后快速通過臨界轉速區(qū)域；(2)修改汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)高、中壓缸流量控制曲線，由轉速計算的流量指令按照 3∶1的閥位比例分配給高、中壓閥門，增大高壓缸流量以提升暖機效果，盡量減小因膨脹不良而產生的動靜碰摩；(3)及時調整軸封供汽的溫度在正常范圍內，避免因軸封溫度過高引起局部膨脹而產生碰摩；(4)提高發(fā)電機密封油溫度，降低黏度，增強油的流動性，使密封瓦膨脹，增大與轉軸之間的間隙，減少碰摩的幾率。

采取上述措施后汽輪機再次沖轉，#2，#3，#6軸瓦振動良好。

3.2 振動測量支架共振

機組沖轉過程中，過臨界區(qū)時，在2 242，2 233，2 284 r/min轉速下，#1瓦軸振振幅分別突升至跳閘值以上約2 s，振動波形較陡，導致機組因振動過大保護動作跳機。此振動出現(xiàn)在臨界區(qū)附近，突升時間很短，波峰很大，但又能很快恢復至正常值，3次振幅突升時的轉速也很接近。查看頻譜圖，突升發(fā)生時相位穩(wěn)定，基頻分量不大，因此可排除碰摩，應該與測量裝置元件共振有關。

檢查測量裝置，測量該機組#1，#2，#3瓦的軸振時，是將電渦流傳感器固定在支架上，支架又固定在軸承座上，由于固定支架剛度不足，在臨界區(qū)發(fā)生了共振，出現(xiàn)了較強的振動突變。利用停機機會打開軸承上蓋，對固定支架采取了加厚、拉筋等加強措施，有效解決了支架共振問題。另外，將機組啟動程序的臨界區(qū)調整為1 350～2 350 r/min(原設定為1 000～2 200 r/min)，使之在2 200 r/min左右能快速通過從而避免共振。采取上述措施后，沖轉過程中#1瓦再未出現(xiàn)過振幅突變問題，振動水平良好。

11月28日，從啟動到定速歷時20多h，經充分暖機和較長時間的靜葉圍帶涂層磨合，軸向和徑向間隙適應性不斷改善，碰摩逐漸減輕直至消失。2017-11-28 T 22:05，汽輪機定速3 000 r/min穩(wěn)定運行，振動為優(yōu)良水平，各軸瓦振動值見表2。

表2 各軸承振動數(shù)據 μm

3.3 中壓缸膨脹不良

2017-12-01 T 03:40，機組首次并網帶初負荷，各軸瓦振動正常。帶80 MW負荷運行13 h后，#2瓦軸振2X,2Y分別從95,85 μm開始緩慢爬升。17:28，#2瓦軸振2X升至261 μm，2Y升至212 μm，機組振動大保護跳閘，#3瓦軸振也升至125 μm和112 μm報警值。

12月3—4日，機組并網帶負荷運行，在170，220 MW負荷運行時，#2瓦軸振緩慢爬升至跳閘值被迫停機。

從帶負荷運行情況分析：首先，振動爬升過程中運行參數(shù)沒有做大的調整，但是隨著帶負荷運行時間的延長，振動出現(xiàn)了大幅爬升、回落的不穩(wěn)定現(xiàn)象，由頻譜分析可知，振動主要為基頻分量，并且振幅波動具有隨機性；其次，帶負荷階段#3高壓加熱器和四段抽汽的投退對振動也會產生一定的影響。因此初步判斷，振動增大的原因可能是中壓缸膨脹不良引起了徑向碰摩[3]。

通過排查中壓缸及相關聯(lián)的管道系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)隨著帶負荷運行時間增加和汽溫升高，中壓缸前后貓爪出現(xiàn)了一定的間隙，汽缸被輕微抬起，低壓旁路管道和再熱管道向爐側的位移量也超過了設計值。貓爪出現(xiàn)間隙的原因可能是中壓缸膨脹受阻而引起了變形，低壓旁路管道和再熱管道向爐側位移量超標可能是再熱管道異常膨脹引起的。依據相關經驗和設計要求，檢查了與中壓缸相關的抽汽管道、再熱蒸汽管道、再熱主汽門與汽缸本體，以及各部位的變力和恒力彈簧支吊架的工作狀態(tài)等，逐項排查影響中壓缸膨脹的因素。

汽輪機和鍋爐之間通過主、再熱管道相連，兩者相對獨立膨脹，不會相互影響，由于汽輪機管道較短，膨脹量小，相對于爐側，汽輪機為相對死點，但也允許鍋爐少量膨脹(設計值)向汽機側移動。由于管道安裝過程中管線形態(tài)、位置以及支吊架等部件的性能可能發(fā)生一定變化，造成管道局部區(qū)域應力增大、對端點推力增大等，機組帶負荷運行一段時間后管系的膨脹問題才能暴露出來?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，再熱管道設計了爐側向機側的單向限位支架，而實際是低壓旁路管道和再熱管道向爐側偏移，偏移量超出了設計值，判斷為再熱管道出現(xiàn)了異常膨脹[4]。停機后待機組和管道完全冷卻，恢復至初始值，經設計人員重新核算，將再熱管道設置雙向限位支架，保證汽輪機和鍋爐在允許的范圍內相對膨脹，消除相互牽引。

檢查再熱主汽門與中壓缸的膨脹情況，再熱主汽門與中壓缸為一體連接，汽門底部設有恒力彈簧支架，汽門蒸汽出口通過導汽管與汽缸下進汽口相連，因此汽缸受熱膨脹時主汽門的膨脹方向應與汽缸膨脹方向一致。由于主機廠提供給恒力彈簧廠家的再熱主汽門膨脹方向有誤，導致恒力彈簧出廠時冷態(tài)調節(jié)的位置為熱態(tài)位，中壓缸熱態(tài)膨脹后，彈簧不能與主汽門同方向移動，反而使主汽門成為膨脹的死點，中壓缸向下膨脹的力通過導汽管反作用在汽缸上，影響汽缸向下膨脹。查明原因后重新調整了恒力彈簧的冷、熱態(tài)位置。

檢查抽汽管道，發(fā)現(xiàn)四抽管道底部遺留有施工時的臨時支架未拆除，也影響了汽缸向下膨脹，隨即聯(lián)系安裝人員將其拆除。

另外，#2瓦帶負荷后振幅波動且隨運行時間的延長爬升，除有中壓缸膨脹不良導致碰摩的原因外，還存在2倍頻、3倍頻分量，應該有較大的熱不平衡力。經過現(xiàn)場高速動平衡校正，在#2瓦對輪處加裝了575 g配重，基本消除了熱不平衡力。

經過上述處理后機組再次啟動，帶負荷至320 MW時各軸瓦振動水平優(yōu)良，振動數(shù)據見表3。

表3 各軸承振動數(shù)據 μm

3.4 汽流激振

當#1機組繼續(xù)升負荷到大于330 MW時，#1瓦振動明顯逐步升高，1X升至110 μm，1Y升至108 μm，降負荷至300 MW時振動又恢復至正常值。從頻譜分析可知，振動發(fā)生時為低頻振動，以0.75倍頻為主且重復性明顯。根據振動機理和經驗[5]，可以判斷為典型的汽流激振。消除汽流激振的措施主要有4個方面：(1)調整汽缸和轉子中心，避免運行中轉子和汽缸中心發(fā)生明顯偏移；(2)增大轉子與隔板之間的軸向間隙，減少汽流渦動的激振力；(3)改變調節(jié)閥的開啟順序，避免轉子在單側蒸汽力作用下發(fā)生明顯的徑向偏移和在轉子上產生不平衡力矩；(4)采用穩(wěn)定性較好的軸瓦。

考慮到該機組尚在試運行階段，不方便調整汽缸和轉子中心，軸瓦采用可傾瓦，一般來說穩(wěn)定性較好，該機組小間隙汽封多級小隔板結構已無法改變，因此只有將當前單閥控制方式改為順序閥控制方式比較方便。在取得廠方代表同意后，轉換為順序閥(閥序為1—3—2—4)運行，機組順利升負荷至350 MW，各軸瓦振動水平優(yōu)良。

4 低壓缸軸端帶水

在投運初期及正常運行過程中，低壓軸封經常會出現(xiàn)汽封帶水問題，根據現(xiàn)場處理經驗[6]，一般出現(xiàn)此類情況的原因是低壓軸封減溫減壓器噴嘴堵塞導致霧化能力差或低壓軸封供汽溫降大。檢查減溫減壓器噴嘴并未堵塞，排除霧化差的原因，應該是低壓軸封供汽管道的溫降太大和軸封回汽不暢所致。低壓軸封兩端的供汽、回汽管道都是穿過凝汽器后將蒸汽送到軸端的，凝汽器的冷卻使汽封溫降太大，到軸端后已沒有過熱度；另外，軸封壓力升高后軸端冒汽，低壓軸封回汽管道沿程爬坡較大，而且疏水在靠近軸封冷卻器側，容易在U形彎處積水形成水塞，導致回汽不暢。原因查明后，將低壓軸封穿過凝汽器的管道加裝隔熱套管，減少蒸汽溫降，提高過熱度；同時，在回汽管道的最低點增設疏水防止水塞，采取相應措施后，低壓軸封運行正常。

5 高壓缸軸端漏汽

#1機組軸封自密封后，發(fā)現(xiàn)高壓缸汽封兩端蒸汽外漏，而且隨著負荷的升高愈加嚴重。軸封自密封后輔汽供汽閥關閉，高、中壓軸封漏汽作為低壓軸封的供汽，通過溢流閥來調節(jié)軸封的壓力。發(fā)現(xiàn)軸端漏汽后開大溢流閥的開度降低軸封壓力，但蒸汽外漏并沒有減輕，而且軸封供汽母管的溫度也從280 ℃逐漸升高到400 ℃，分析認為汽封出現(xiàn)異常。

該機組高壓缸設計有內外缸夾層漏汽至再熱冷段，第1級汽封漏汽至四段抽汽，軸端為軸封的供、回汽管道，自密封后軸封母管溫度異常升高，確定有其他漏汽經軸封躥至軸端，導致軸封回汽流量增大，從軸端冒出?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，在第1級汽封漏汽至四段抽汽的管道上加裝了性能試驗用節(jié)流孔板，導致漏汽無法順暢流動至四段抽汽，通過軸封躥出，造成軸封母管溫度升高并外漏。查明原因后，利用停機的機會，取消節(jié)流孔板。機組再次啟動帶負荷試運行，軸封自密封后高壓缸軸端蒸汽外漏故障消除，軸封溫度正常。

6 結論

哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產的新型350 MW高、中壓分缸供熱機組，在汽輪機高、中壓缸通流部分采用小間隙、多級小隔板套結構，并在隔板汽封應用了可磨涂層等新技術，汽輪機的軸向和徑向間隙大大減小，提高了缸效率，但也給汽輪機的啟動和運行帶來一定的問題，冷態(tài)啟動工況復雜且時間很長，正常運行中還會發(fā)生碰摩，出現(xiàn)隨機性的振動。運行人員需要不斷摸索總結，梳理出適合該機組運行的參數(shù)、啟動方法并掌握振動突變時的應對策略，防止發(fā)生較大的碰摩，引發(fā)機組彎軸事故。調試期間出現(xiàn)的機組軸承振動大、汽流激振、低壓軸封帶水、高壓缸汽封異常等故障，也是新機組試運行期間較典型的故障案例，通過分析、排查和處理，可為今后同類型機組啟動和試運行提供參考。