1 000 MW汽輪機低壓缸動靜軸向磨損原因分析及處理

張世偉， 胥建群

(1. 國電泰州發(fā)電有限公司， 江蘇泰州 225300; 2. 東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096)

汽輪機是火力發(fā)電廠中的重要發(fā)電設備，其動靜部分碰摩會導致機組振動過大無法正常啟動和運行，甚至會造成永久性轉子彎曲，使整個機組損壞。因此，有必要研究和分析現(xiàn)代大型汽輪機動靜部分發(fā)生碰摩的原因，避免事故的發(fā)生，保證機組的安全運行。筆者針對某電廠1號機組動靜部分的碰摩進行了詳細的分析和研究，并找出事故原因。

1 動靜部分軸向磨損研究方法

自Jeffcott H H提出Jeffcott轉子模型以來，線性理論的轉子動力學方面的研究獲得了很大的發(fā)展[1]。國內外學者對旋轉機械中的動靜碰摩問題進行了大量的研究：Kellenberger W通過對汽輪機軸封處由轉子受熱變形產生的動靜間隙消失而發(fā)生碰摩導致旋轉狀態(tài)的不穩(wěn)定運動進行了理論探討[2]；Adams M L等采用數值積分的方式揭示了發(fā)生動靜部分碰摩時的混沌現(xiàn)象，同時也指出了引起機組振動過大或不正常振動的原因[3]；Edwards S等采用數值方法對扭矩在碰摩轉子系統(tǒng)中產生的影響進行了研究[4]。

綜上所述，國內外學者基于數學方面對動靜部分軸向磨損的研究取得了大量的研究成果，筆者從現(xiàn)場實際運行出發(fā)，探討動靜部分軸向磨損的處理方案及預防措施。

該電廠1號機組正常運行時蒸汽參數為主汽壓25 MPa，主、再熱汽溫度均為600 ℃，額定出力為1 000 MW。機組在首次大修中，汽輪機本體解體發(fā)現(xiàn)低壓缸A轉子調端動靜部分發(fā)生了軸向接觸。

為檢查轉動件與固定件之間在運行過程中的間隙，采用錐面測量法測量轉子膨脹量與汽輪機殼體膨脹量之間的差值，即差脹，低壓缸A轉子檢測儀位于6號軸承處(見圖1)，低壓缸B轉子檢測儀位于8號軸承處(見圖2)。

圖1 低壓缸A 轉子檢測儀標尺示意

圖2 低壓缸B轉子檢測儀標尺示意

圖1、圖2中綠色標記為止推軸承前側或汽輪機側間隙為0時汽輪機的冷設定，用來測量差脹量的基準點；第一報警點與紅色標記間的距離表示汽輪機轉子由于泊桑效應影響，在升速過程中的縮短量；紅色區(qū)域為汽輪機轉子與汽缸間發(fā)生軸向接觸區(qū)域；黃色區(qū)域表示汽輪機由于熱膨脹的變大或變小而導致轉子發(fā)生膨脹的程度，其對應長度與第一報警點與紅色標記間的距離相同。

采用錐面測量法測量時，通道1的傳感器測量軸錐面的位移，通道2的傳感器作為參照傳感器，測量軸的徑向位移，見圖3。

圖3 錐面測量原理

錐面角度為23°，測量錐面的傳感器始終垂直于錐面?？蓽y量的最大軸位移量為：

(1)

式中：s為軸位移量，mm；d1為傳感器測量范圍，mm；為錐面傾斜角度，(°)。

測量系統(tǒng)采用聯(lián)合測量裝置，低壓缸差脹傳感器與支架為固定安裝，在安裝時根據汽輪機檢修安裝定位數據分別確定對應前置器輸出電壓，低壓缸A差脹量程為0～+50 mm，低壓缸B差脹量程為0～+50 mm。

2 動靜部分軸向磨損現(xiàn)場案例

2.1 案例說明

該機組低壓缸A轉子調端動靜部分發(fā)生了軸向接觸，見圖4～圖6。

圖4 低壓缸A轉子調端第2級動葉葉根

圖5 低壓缸A轉子調端第3級動葉葉根

圖6 低壓缸A轉子調端第4級動葉葉根

低壓缸A轉子調端第2、3、4級出汽側動靜部分有明顯的磨損痕跡，經初步測量轉子動葉葉根部位磨損量為：調端第2級磨損量約2.95 mm，第3級磨損量約1.15 mm，第4級磨損量約1.95 mm。在低壓缸A轉子電端及低壓缸B轉子上沒有發(fā)現(xiàn)這樣的損傷。相應隔板未見磨損，但附著了轉子磨損的殘留物。

汽輪機的高壓缸轉子、中壓缸轉子、低壓缸轉子都有一個固定的K值，是由制造廠設定轉子一個壓力級動靜之間的軸向距離。圖7為低壓缸A動靜間隙，隔板與葉端軸向間隙為N，隔板與葉根軸向間隙為L。

圖7 低壓缸A動靜間隙圖

對低壓缸通流間隙進行了測量，見表1、表2，其中0°表示轉子12點鐘方向，A、B側分別表示與0°按轉子旋轉方向旋轉90°、270°處。

表1 低壓缸A通流間隙測量值(調端) mm

表2 低壓缸A通流間隙測量值(電端) mm

2.2 案例分析

圖8為主機滑銷系統(tǒng)圖。由圖8可以看出：機組汽缸膨脹死點位于3軸承座，而轉子膨脹相對死點在2軸承座。高壓缸K值偏小，高、中壓缸未回到零位是由于1、2軸承座未按設計向電端滑動到位，從而使2軸承座及轉子膨脹相對死點向調端方向移動，造成兩個低壓缸轉子相對低壓缸零位偏向調端，測量的兩個低壓缸K值均偏大。

圖8 主機滑銷系統(tǒng)圖

查閱1號機組168 h檢修文件包，發(fā)現(xiàn)低壓缸K值偏大(低壓缸AK值24.15 mm，低壓缸BK值39.15 mm)，1、2軸承座未按設計向電端滑動到位，高、中壓缸未回到原始零位，偏差為3 mm，機務未對零位指示值進行修正，儀控也未與機務核對，直接對原始零位進行出廠設定。造成了低壓缸差脹的實際值小于顯示值3 mm。

1號機組168 h檢修后首次啟動，在汽輪機沖轉和帶負荷過程中均發(fā)生不同程度的振動異常，其振動異常主要發(fā)生在5、6、7、8軸承。在加負荷至291 MW的過程中，5、6、7、8軸振沒有發(fā)生明顯上升。在運行人員供1A給水泵汽輪機軸封汽，凝汽器壓力從8.3 kPa逐漸下降到5.1 kPa，過程中5、6、7、8軸振發(fā)生明顯上升，其中6X軸振最大達到158 μm。

通過停供1A給水泵汽輪機軸封汽、停運真空泵，將凝汽器壓力提高19 kPa，并適當減負荷，機組振動得以控制，逐漸恢復至正常范圍。這說明低壓內缸出現(xiàn)暫時性的不同變形，在汽缸內部發(fā)生了碰摩。此后做超速試驗，機組解列、再次并網后只有低壓缸A的振動明顯。負荷 177 MW，背壓在逐漸下降，但還在8.63 kPa以上，5、6、7、8軸振沒有大的變化。之后背壓進一步下降，5X、6X軸振開始明顯上升，7X軸振下降、8X軸振微漲，成背離現(xiàn)象。通過提高背壓，使振動得到控制，機組的振動與背壓波動趨勢一致，同時振動的大趨勢向小的方向發(fā)展，說明碰摩的地方已脫離，間隙逐漸變大。

由此推斷：該電廠1號機組在首次大修停機后，由于高、中壓缸滑銷原因，1、2軸承座未按設計向電端滑動到位，偏差3 mm；大修過程中機務未對零位指示值進行修正，儀控也未與機務核對，直接對原始零位進行出廠設定，造成監(jiān)視值與實際值存在偏差；之后在大修后的超速試驗中，造成此次低壓缸A軸向碰摩。

2.3 處理方法

采用拔出高、中壓缸貓爪橫銷，借助千斤頂前后移動1、2軸承座以此來檢查其滑動情況，未見明顯異常后裝復高、中壓缸汽缸橫銷。經監(jiān)視測量發(fā)現(xiàn)：1軸承座向電端移動了2.3 mm，2軸承座向電端移動了2 mm。再次測量低壓缸軸向通流間隙，發(fā)現(xiàn)兩個低壓缸K值(低壓缸A為24.31 mm，低壓缸B為38.08 mm)與第一次大修后基本相近。建議采取以下處理方法：

(1) 清除碰摩葉片出口側的毛刺并進行PT或MT探傷，確認葉片出口側的葉根處是否有裂紋。

(2) 由于葉片接觸時會產生過熱，考慮會發(fā)生硬度增大、磁化，建議對碰摩葉片處進行磁力測量。

(3) 建議調整汽缸的軸向鍵(更換不同的鍵)，使K值恢復到合適值。

(4) 冷態(tài)啟動時，300 MW以下負荷，負荷變化率以0.5%/min以下進行。

綜合以上建議，并結合該機組168 h大修至今的運行情況，決定不調整汽缸的軸向鍵，只對低壓缸差脹零位指示值進行修正。低壓缸A差脹零位設計指示值為17.7 mm,低壓缸B差脹零位設計指示值為11.6 mm。由于此次檢修時的K值與基建時K值分別增大了3.21 mm、3.28 mm，對低壓缸A、低壓缸B定位時的差脹值進行修小3 mm處理，低壓缸A差脹零位指示值為14.7 mm,低壓缸B差脹零位指示值為8.6 mm。

3 結語

通過分析該電廠1號機組低壓缸A轉子調端第2、3、4級動靜部分碰摩事故，結合低壓差脹錐面測量方法，探討出動靜部分軸向磨損的處理方案，并提出以下預防措施：

(1) 機組冷態(tài)啟、停機時，要加強汽缸溫差、差脹等重要參數的監(jiān)視，一定要控制在規(guī)程規(guī)定范圍內，同時要注意機組的振動情況，盡量維持參數溫度[5]。

(2) 定期對汽機滑銷系統(tǒng)注油維護。