某660 MW汽輪機(jī)振動(dòng)大的原因分析

摘要：闡述了國內(nèi)某火電廠660 MW汽輪機(jī)振動(dòng)異?，F(xiàn)象，通過分析汽輪機(jī)異常振動(dòng)的常見原因及其預(yù)防措施，找出了造成該汽輪機(jī)振動(dòng)大的原因是機(jī)組檢修時(shí)將原有的汽封改為了接觸式汽封，使其與轉(zhuǎn)子發(fā)生了動(dòng)靜摩擦導(dǎo)致振動(dòng)異常，采用暖機(jī)升速的手段解決了該問題，為國內(nèi)汽輪機(jī)振動(dòng)問題的解決提供了參考。

關(guān)鍵詞：油膜失穩(wěn);氣流振動(dòng);膨脹不均;動(dòng)靜摩擦;暖機(jī)升速

0 引言

汽輪機(jī)的老化與磨損大多源于振動(dòng)，雖然完全消除汽輪機(jī)的振動(dòng)是不可能的，但是如果將其控制在一定范圍內(nèi)，對(duì)汽輪機(jī)的正常運(yùn)行造成的影響較小，就可基本忽略其危害。我國汽輪機(jī)振動(dòng)幅度的常用標(biāo)準(zhǔn)為不超過0.05 mm[1]。引起異常振動(dòng)的因素多種多樣，除了設(shè)計(jì)或裝配失誤以外，汽輪機(jī)軸承的磨損老化，零部件達(dá)到其疲勞壽命極限等，都是造成汽輪機(jī)異常振動(dòng)的重要原因。當(dāng)汽輪機(jī)軸系中心發(fā)生變化，偏離原來的平衡位置，超過了一定范圍，便會(huì)產(chǎn)生較大的異常振動(dòng)幅度，不斷加劇機(jī)組內(nèi)部的動(dòng)摩擦與靜摩擦，加劇了汽輪機(jī)的異常振動(dòng)，產(chǎn)生惡性循環(huán)，最終使得機(jī)組零件松動(dòng)，加速老化磨損，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

1 振動(dòng)異?，F(xiàn)象

某660 MW汽輪機(jī)機(jī)組為國內(nèi)某火電廠#3機(jī)組，型號(hào)為N660-25/600/600（超超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、雙背壓、純凝汽式），汽輪機(jī)由8個(gè)軸承支撐，高壓轉(zhuǎn)子采用雙支承，發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子采用三支承，其余中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子采用單支承。

某次檢修結(jié)束后，在第一啟動(dòng)過程中，由于汽輪機(jī)組振動(dòng)大出現(xiàn)了打閘停機(jī)的情況，隨后對(duì)機(jī)組進(jìn)行了4次啟動(dòng)，經(jīng)過各軸振動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組中有一個(gè)可傾瓦軸承軸振異常，該可傾瓦軸承在不同轉(zhuǎn)速下的X/Y軸振Bode圖數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)該機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下的軸振Bode圖數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組振動(dòng)分量90%以上以基頻為主，屬于不平衡原因引發(fā)的強(qiáng)迫振動(dòng)（基頻=工作頻率）[3]。

2 汽輪機(jī)振動(dòng)原因及其預(yù)防措施

2.1 ? ?油膜失穩(wěn)及其預(yù)防措施

油膜失穩(wěn)問題的判斷較為方便明顯，汽輪機(jī)的渦動(dòng)頻率經(jīng)常隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化而變化，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于兩倍第一臨界轉(zhuǎn)速是導(dǎo)致油膜失穩(wěn)的主要原因，及時(shí)檢測(cè)渦動(dòng)頻率的變化可以幫助工作人員快速鑒別油膜失穩(wěn)問題。其出現(xiàn)原因通常為軸系穩(wěn)定性較差，系統(tǒng)阻尼不夠，在設(shè)計(jì)人員對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于對(duì)比壓與負(fù)載的考慮不足，設(shè)計(jì)的軸承寬度可能較寬，在遵循運(yùn)行原則的基礎(chǔ)上，不妨適當(dāng)減小軸承寬度，與此同時(shí)，適當(dāng)提高其承載系數(shù)。但也應(yīng)注意，過量增大軸承承載系數(shù)，降低潤滑油黏度，會(huì)減薄油膜厚度，導(dǎo)致其工作環(huán)境溫度過高，油質(zhì)老化較快，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮其利弊進(jìn)行取舍。機(jī)組操作人員做好相關(guān)工藝的檢查與控制，按期對(duì)汽輪機(jī)軸承做好維護(hù)工作，可以有效預(yù)防油膜失穩(wěn)問題。

2.2 ? ?氣流振動(dòng)及其預(yù)防措施

氣流振動(dòng)是引發(fā)汽輪機(jī)振動(dòng)的常見原因，出現(xiàn)頻率較高[4]。眾所周知，工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速越接近，軸系統(tǒng)穩(wěn)定性越好，但是較高的臨界轉(zhuǎn)速無法滿足汽輪機(jī)的工作效率要求，機(jī)組工作人員常常通過改變汽輪機(jī)級(jí)數(shù)增大跨距來提高工作效率，導(dǎo)致通流部分兩側(cè)的徑向間隙出現(xiàn)較大的誤差，軸徑所受切向力增大，產(chǎn)生正向渦動(dòng)，轉(zhuǎn)子逐漸彎曲、磨損，導(dǎo)致更大的徑向間隙，進(jìn)一步增大流動(dòng)切向力，最終產(chǎn)生異常振動(dòng)。氣流振動(dòng)的主要問題為軸向旋流，為了防止這一問題的產(chǎn)生，主要采用擾亂軸向旋流，提高失穩(wěn)界限轉(zhuǎn)速的技術(shù)手段。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之初，可以采用較大軸徑偏心率的軸承，也可改變其幾何形狀，在降低振幅的同時(shí)，擾亂軸向旋流，使得汽輪機(jī)可以高速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 ? ?膨脹不均及其預(yù)防措施

汽輪機(jī)的工作環(huán)境一般為高溫環(huán)境，機(jī)組零部件具有熱脹冷縮的特性，在其整體加熱與受熱過程中，不能保證整體受熱均勻，使得汽輪機(jī)各部分受熱膨脹不均，在此過程中，軸承極易發(fā)生位置偏移，剛度變差，導(dǎo)致產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)[5]。膨脹不均比較容易監(jiān)測(cè)與預(yù)防，當(dāng)氣缸與在熱壓力之間出現(xiàn)了受力不穩(wěn)的情況時(shí)，及時(shí)檢查預(yù)防，同時(shí)在汽輪機(jī)正式投入運(yùn)行之前，認(rèn)真檢查疏通管道，疏水期間及時(shí)清理管道。遇到膨脹不均的問題，應(yīng)及時(shí)檢查汽輪機(jī)各部分的零件變形情況，如有問題及時(shí)更換。與此同時(shí)，考慮汽輪機(jī)膨脹不均是否與未正確設(shè)置參數(shù)有關(guān)，若是則及時(shí)調(diào)整設(shè)備參數(shù)，留心設(shè)備使用時(shí)長。

2.4 ? ?動(dòng)靜摩擦及其預(yù)防措施

動(dòng)靜摩擦對(duì)于汽輪機(jī)振動(dòng)的損害最為嚴(yán)重，一旦發(fā)生動(dòng)靜摩擦，容易增大汽輪機(jī)內(nèi)部零件碰撞的概率，必然導(dǎo)致汽輪機(jī)振動(dòng)的增加，劇烈的振動(dòng)導(dǎo)致更為劇烈的動(dòng)靜摩擦，產(chǎn)生負(fù)反饋效應(yīng)，一些直接接觸的零件，如接觸式汽封、軸承等可能會(huì)發(fā)生永久性彎曲形變，造成嚴(yán)重事故，這也是汽輪機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)要求汽封的硬度要低于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的主要原因。面對(duì)動(dòng)靜摩擦問題，機(jī)組設(shè)計(jì)人員一定要遵循設(shè)計(jì)原則，認(rèn)真計(jì)算考慮汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)，汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組人員應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，不要盲目追求汽輪機(jī)工作效率，在日常維護(hù)中要注意及時(shí)補(bǔ)充潤滑油，增強(qiáng)潤滑。

3 振動(dòng)異常分析

通過觀察該660 MW汽輪機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下的基頻振幅與相位角的變化發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，二者發(fā)生了明顯變化波動(dòng)，如果該機(jī)組因?yàn)橘|(zhì)量不平衡引發(fā)振動(dòng)，則二者會(huì)基本保持不變，故首先排除本身質(zhì)量不平衡問題。通過檢測(cè)渦動(dòng)頻率的變化情況也排除了油膜失穩(wěn)問題。在該機(jī)組運(yùn)行時(shí)，并未對(duì)高壓進(jìn)氣閥進(jìn)行操作，其開度未發(fā)生任何變化，該可傾瓦軸承依然存在，說明其軸振與高壓進(jìn)氣閥開度無關(guān)，可以排除氣流振動(dòng)問題。隨后，對(duì)該機(jī)組的啟動(dòng)參數(shù)控制進(jìn)行了檢查，各項(xiàng)參數(shù)均無問題，認(rèn)真檢查管道疏水情況，均無問題，汽輪機(jī)組進(jìn)疏水流暢，機(jī)組受熱均勻，可排除膨脹不均問題。

將機(jī)組長時(shí)間停留在1 000 r/min左右的轉(zhuǎn)速下，發(fā)現(xiàn)該可傾瓦軸承X/Y向軸振逐漸減小，初步判斷該可傾瓦軸承軸振是由于汽輪機(jī)中高中壓轉(zhuǎn)子熱彎曲引發(fā)。通過查閱本次檢修記錄發(fā)現(xiàn)，中高壓部分汽封、軸封更換為了接觸式汽封。該可傾瓦軸承所在的軸系也進(jìn)行了更換，甚至存在過盈現(xiàn)象。故認(rèn)為此次機(jī)組振動(dòng)是由于汽封與轉(zhuǎn)子之間發(fā)生了碰撞摩擦，產(chǎn)生了動(dòng)靜摩擦而造成的。為解決該問題，將該機(jī)組啟動(dòng)并維持在1 500 r/min（該機(jī)組的臨界轉(zhuǎn)速）左右的轉(zhuǎn)速下，使該可傾瓦軸承軸振逐漸趨于穩(wěn)定，更換轉(zhuǎn)速（升速），再次使該可傾瓦軸承軸振逐漸趨于穩(wěn)定，不斷重復(fù)該過程，直至最終振動(dòng)減小趨于穩(wěn)定（動(dòng)靜接觸部分磨平）。

4 結(jié)語

該660 MW汽輪機(jī)振動(dòng)異常是由明顯的動(dòng)靜摩擦引起的，其主要原因在于在檢修時(shí)將原有的汽封改為接觸式汽封，在裝配時(shí)甚至存在過盈現(xiàn)象，導(dǎo)致汽輪機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，接觸式汽封與轉(zhuǎn)子之間間隙較小，發(fā)生了動(dòng)靜摩擦。對(duì)于該問題，可以采用暖機(jī)升速的手段予以解決，操作人員一定要按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，防止由于溫差過大引發(fā)膨脹不均等新的問題。

[參考文獻(xiàn)]

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[5] 楊森，楊旭輝，馬長亮.某上汽1 000 MW汽輪機(jī)組軸系振動(dòng)原因探索[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（33）：19-21.

收稿日期：2020-01-18

作者簡(jiǎn)介：姜波（1987—），男，山西朔州人，助理工程師，從事火電廠設(shè)備安裝工作。