汽輪機(jī)動靜碰磨原因分析及處理

浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司 浙江紹興 312073

1 事故情況

2019年2月18日,某熱電廠投產(chǎn)不足2 a的一臺EHNG71/63/160型50 MW級抽汽背壓式汽輪機(jī),在停機(jī)20 d后啟動沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)的過程中,因振動突然飆升至跳機(jī)值而停機(jī),并網(wǎng)失敗。

經(jīng)開缸檢查后,發(fā)現(xiàn)汽封齒動靜碰磨。轉(zhuǎn)子返汽輪機(jī)制造廠檢修,又發(fā)現(xiàn)大軸產(chǎn)生彎曲。

鑒于此次事故嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)進(jìn)度,并帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失,筆者針對此次事故進(jìn)行分析總結(jié),為今后類似機(jī)組的沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)提供意見,避免類似事故發(fā)生。

該機(jī)組于2019年2月18日10:28進(jìn)行首次沖轉(zhuǎn),蒸汽溫度為524 ℃,蒸汽壓力為8.5 MPa。沖轉(zhuǎn)過程中參數(shù)記錄見表1。

2月19日02:20,汽輪機(jī)2號軸承X向振動開始加劇,從18 μm增大至41 μm。02:26,汽輪機(jī)負(fù)荷從32 MW降低至29.5 MW,2號軸承X向振動恢復(fù)至21 μm。

02:34,因主蒸汽參數(shù)上升,在閥門開度不變的情況下,汽輪機(jī)負(fù)荷上升至31.4 MW。02:40,汽輪機(jī)2號軸承X向、Y向振動值達(dá)到跳機(jī)值,緊急跳閘系統(tǒng)動作,機(jī)組跳閘。汽輪機(jī)停機(jī)惰走時間,即機(jī)組跳閘后由額定轉(zhuǎn)速慢慢降低至零轉(zhuǎn)速的時間為8 min,同型號機(jī)組正常停機(jī)惰走時間為30 min。

表1 沖轉(zhuǎn)過程參數(shù)記錄

機(jī)組停機(jī)時上缸溫為388 ℃,下缸溫為393 ℃,1號汽缸膨脹為14.8 mm,2號汽缸膨脹為14.2 mm,脹差為5.6 mm,1號軸承X向振動為29 μm,Y向振動為29 μm,2號軸承X向振動為132 μm,Y向振動為128 μm。

汽輪機(jī)跳機(jī)后惰走時間為8 min,對比最近一次惰走時間28 min,時間明顯偏短。

機(jī)組惰走結(jié)束后,盤車過程中轉(zhuǎn)子偏心值上下起伏,03:09為滿量程200 μm,03:32降至最低64.9 μm,03:59重新上升至滿量程200 μm。通過間隙電壓測量換算,目前轉(zhuǎn)子偏心數(shù)據(jù)約為370 μm。機(jī)組沖轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)子偏心數(shù)據(jù)為40 μm,轉(zhuǎn)子偏心數(shù)據(jù)嚴(yán)重大于沖轉(zhuǎn)前數(shù)據(jù)。機(jī)組轉(zhuǎn)子偏心數(shù)據(jù)見表2。

2 振動分析

該機(jī)組2019年2月18日沖轉(zhuǎn)過程中,缸溫、差脹、軸向位移等運(yùn)行參數(shù)正常。2月19日02:40,機(jī)組2號軸承軸振通頻幅值大于135 μm,緊急跳閘系統(tǒng)保護(hù)動作,機(jī)組跳閘。

02:02,機(jī)組2號軸承X向運(yùn)行平穩(wěn),軸振通頻幅值為24 μm,一倍頻幅值為20 μm,其它倍頻分量占比小。02:07,機(jī)組2號軸承X向軸振出現(xiàn)波動,通頻幅值為26 μm,一倍頻幅值為21 μm,二倍頻幅值為1.5 μm。2號軸承X向軸振三次小幅波動后,X向軸振二倍頻分量增大至5 μm。02:31,機(jī)組2號軸承X向通頻幅值增大至41 μm,一倍頻幅值為35 μm,二倍頻幅值為11 μm。機(jī)組減負(fù)荷后振動回落,通頻幅值降至23 μm,二倍頻幅值為12 μm,一倍頻幅值僅為9 μm。02:37后,2號軸承軸振快速增大,且振動以一倍頻為主。

表2 機(jī)組轉(zhuǎn)子偏心數(shù)據(jù)

2號軸承軸振幅值快速增大至跳機(jī)值的過程中,X向、Y向軸振通頻幅值的增大均由一倍頻幅值增大造成,一倍頻為振動主要分量,且一倍頻相位持續(xù)增大,可判斷為動靜碰磨。推測可能是機(jī)組并網(wǎng)時,在主蒸汽參數(shù)發(fā)生變化及后升負(fù)荷過程中,內(nèi)側(cè)汽封與轉(zhuǎn)子的間隙變小,造成動靜碰磨。機(jī)組運(yùn)行過程中,2號軸承X向軸振出現(xiàn)二倍頻分量,可能原因?yàn)檗D(zhuǎn)動部件發(fā)生軸向碰磨[1-2]。

機(jī)組跳閘后,1號、2號軸承軸振繼續(xù)增大,轉(zhuǎn)速快于臨界轉(zhuǎn)速后,振動幅值回落。機(jī)組惰走過程持續(xù)8 min,較正常的停機(jī)惰走時間大幅縮短,就地可聽到異聲,判斷惰走過程中發(fā)生碰磨,使惰走時間縮短。

3 開缸檢查

2019年2月25日,對汽輪機(jī)軸頭跳動值進(jìn)行手動測量,測得軸頭最大跳動值為0.24 mm,初步判斷轉(zhuǎn)子已產(chǎn)生塑性變形,于是決定對汽輪機(jī)進(jìn)行開缸檢查[3]。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子于2019年3月2日順利起吊,現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)平衡活塞、前軸封等處發(fā)生動靜碰磨,左側(cè)汽封齒磨損嚴(yán)重,前內(nèi)軸封處有過熱現(xiàn)象。對汽輪機(jī)進(jìn)行開缸檢查,左側(cè)汽封齒磨損嚴(yán)重,如圖1所示。尤其是前汽封、平衡活塞和調(diào)節(jié)級葉頂位置,部分汽封齒出現(xiàn)倒伏、破損及脫落等現(xiàn)象。

圖1 左側(cè)汽封齒磨損

前內(nèi)軸封處汽封體存在過熱痕跡。汽缸揭缸后,拆除前內(nèi)軸封上半部分,發(fā)現(xiàn)前內(nèi)軸封體中分面有明顯過熱痕跡,如圖2所示,且軸封體汽封齒嚴(yán)重磨損。

圖2 前內(nèi)軸封體中分面過熱痕跡

轉(zhuǎn)子返回汽輪機(jī)廠后,對轉(zhuǎn)子彎曲進(jìn)行了復(fù)測。測得轉(zhuǎn)子最大跳動值為0.22 mm,位于軸頭位置,前軸封和平衡活塞處彎曲分別為0.16 mm、0.19 mm。針對轉(zhuǎn)子彎曲情況,在汽輪機(jī)廠內(nèi)對轉(zhuǎn)子進(jìn)行外圓修整,對推力盤平面度和前軸頸跳動進(jìn)行同步修整。

4 事故原因確認(rèn)

導(dǎo)致本次沖轉(zhuǎn)時汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生大軸彎曲的直接原因是汽輪機(jī)動靜碰磨,進(jìn)一步分析,確認(rèn)了汽輪機(jī)動靜碰磨的原因。

該型汽輪機(jī)組為雙層缸設(shè)計,高壓進(jìn)汽持環(huán)內(nèi)包含平衡活塞、調(diào)節(jié)級葉片及部分壓力級葉片,缸體較為龐大,且缸壁較厚,熱容量較大。機(jī)組采用座缸式閥門設(shè)計,順流結(jié)構(gòu)。采用此種結(jié)構(gòu)形式,高溫區(qū)域集中在汽缸上半部分,夾層流動換熱較弱,在高參數(shù)進(jìn)汽情況下,如未充分考慮暖缸措施,加之間隙設(shè)置不合理,則汽缸容易出現(xiàn)拱背情況,導(dǎo)致動靜碰磨。根據(jù)廠家提供的使用說明書及運(yùn)行實(shí)際情況,機(jī)組未充分暖缸。在冷態(tài)啟動過程中,如汽缸溫度場分布不均勻,則汽缸就會出現(xiàn)上拱現(xiàn)象,致使汽輪機(jī)動靜間隙超限[4-5]。

由于汽輪機(jī)廠家說明書中的啟動曲線不能滿足機(jī)組的啟動要求,因此汽輪機(jī)廠家派人至現(xiàn)場收集類似機(jī)組在啟機(jī)過程中的數(shù)據(jù),依據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況,多次對啟動曲線進(jìn)行修改,并出具新的啟動曲線。本次沖轉(zhuǎn)暖機(jī)完全符合汽輪機(jī)廠家給出的最新啟動曲線要求,且并網(wǎng)前的各項(xiàng)參數(shù)均符合汽輪機(jī)廠家提出的并網(wǎng)參數(shù)要求,但是仍然在并網(wǎng)后產(chǎn)生了振動超標(biāo)的現(xiàn)象,主要原因是汽缸暖缸不充分,汽缸變形,最終表現(xiàn)為汽缸偏擺,汽輪機(jī)動靜間隙存在不規(guī)則增大或減小,導(dǎo)致動靜碰磨[6-7]。

機(jī)組采用外缸座缸式閥門設(shè)計,管道受力點(diǎn)較高,對汽缸的接口力和力矩提出了更高的要求。主蒸汽管道熱膨脹產(chǎn)生的附加力和力矩容易大于汽缸所能承受的許用范圍,最終導(dǎo)致汽缸相對轉(zhuǎn)子向爐側(cè)偏擺,汽輪機(jī)動靜間隙超限[8]。

該型號汽輪機(jī)的滑銷系統(tǒng)剛性不足,汽缸抵抗外力干擾的能力較差。其中,汽輪機(jī)的縱向?qū)蚴怯山?號軸承處的縱銷和與安裝在汽缸上的調(diào)整組件配合來實(shí)現(xiàn)的,如圖3所示。機(jī)組的絕對死點(diǎn)為分布在2號軸承處的偏心定位導(dǎo)柱,通過偏心定位組件實(shí)現(xiàn)汽缸與固定的后軸承座完全限位,如圖4所示,滑銷系統(tǒng)總體剛度較弱。

熱電廠組織人員至大連某公司對該汽輪機(jī)廠家后期生產(chǎn)的同級機(jī)組進(jìn)行實(shí)地考察,發(fā)現(xiàn)這一滑銷系統(tǒng)相較于熱電廠現(xiàn)有機(jī)組已進(jìn)行設(shè)計更改,設(shè)計更改后的滑銷系統(tǒng)更加穩(wěn)定,前后滑銷系統(tǒng)采用相同形式,為插片結(jié)構(gòu),并增加了橫銷和墊片,如圖5所示。

圖3 汽輪機(jī)縱向?qū)?/p>

圖4 汽輪機(jī)限位

圖5 設(shè)計更改后滑銷系統(tǒng)

5 整改措施及注意事項(xiàng)

導(dǎo)致汽輪機(jī)偏擺的原因可能為機(jī)組整體受熱不均,以及機(jī)組缺乏有效暖缸手段,使啟動過程中汽缸溫度場分布不均勻,同時缺乏足夠有效的監(jiān)視手段,導(dǎo)致汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)困難。

該汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中并無有效監(jiān)控手段確認(rèn)機(jī)組振動和相位角的變化與汽缸溫度場分布有關(guān),但是在多次啟動過程中發(fā)現(xiàn),機(jī)組暖機(jī)時間越長,上下缸溫、左右缸溫越接近運(yùn)行溫度,機(jī)組各參數(shù)越穩(wěn)定。在多臺機(jī)組的實(shí)際啟動操作中,總結(jié)出沖轉(zhuǎn)暖機(jī)、停機(jī)悶缸以控制動靜部件間差脹和汽缸膨脹的啟動方式[8-9]。

在該機(jī)組的暖機(jī)過程中,汽輪機(jī)處于3 000 r/min轉(zhuǎn)速時,排汽溫度持續(xù)升高,無法長時間保持在3 000 r/min轉(zhuǎn)速的高速暖機(jī)狀態(tài)。在事故處理后,通過與汽輪機(jī)廠家充分溝通,明確再次啟動過程中機(jī)組排溫應(yīng)保持在345 ℃以下,3 000 r/min高速暖機(jī)時間大約可保持6 h。

根據(jù)本次汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn),在機(jī)組并網(wǎng)后應(yīng)維持10 MW負(fù)荷暖機(jī),確保機(jī)組上下缸溫高于400 ℃,且上下缸溫和左右缸溫差值小于50 ℃,這樣方能繼續(xù)增大負(fù)荷,且負(fù)荷不宜增大過快。

沖轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)子偏心值與原始值相比,偏差量應(yīng)不大于20 μm。

沖轉(zhuǎn)、暖缸過程中,汽輪機(jī)任意一個軸承的軸振值出現(xiàn)持續(xù)上升至50 μm時,必須停機(jī)。查明原因并處理,連續(xù)盤車4 h后再次啟動,設(shè)置40 μm報警值。基于該機(jī)組多次啟動經(jīng)驗(yàn),可以明確50 μm振動值是保護(hù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的有效手段,在沖轉(zhuǎn)過程中應(yīng)以該振動值作為汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中存在異常的有效監(jiān)視手段[10]。

機(jī)組并網(wǎng)后,進(jìn)行背壓切換時,控制機(jī)組排汽溫度變化應(yīng)不高于10 ℃/min,并加強(qiáng)軸位移、推力瓦溫和振動的監(jiān)視。

停機(jī)后按照廠家規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行悶缸要求,投入連續(xù)盤車,監(jiān)視上下缸溫差小于50 ℃,轉(zhuǎn)子偏心值恢復(fù)至初始狀態(tài)。

6 結(jié)束語

通過分析可知,發(fā)生動靜碰磨的汽輪機(jī)組,其滑銷系統(tǒng)剛度不足。針對相同型號機(jī)組所設(shè)計的滑銷系統(tǒng),后續(xù)產(chǎn)品均進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),以消除外力對汽缸偏擺造成的影響。對于目前熱電廠正在運(yùn)行的機(jī)組,暫時無法對滑銷系統(tǒng)進(jìn)行升級改造,可在后續(xù)機(jī)組停機(jī)檢修工作中逐步優(yōu)化改進(jìn),以提高滑銷系統(tǒng)的剛性。在事故處理中,通過分析總結(jié)沖轉(zhuǎn)過程中的暖機(jī)經(jīng)驗(yàn),解決機(jī)組存在的暖缸過程中溫度場不均勻問題。