1 000 MW機組葉片沖蝕補焊引發(fā)低壓轉(zhuǎn)子振動問題的分析及處理

李明成，姜連軼

(1.大唐東營發(fā)電有限公司，山東 東營 257200；2.大唐東北電力試驗研究院有限公司，吉林 長春 130051)

0 引言

我國因電力結構轉(zhuǎn)型使得電網(wǎng)中的峰谷隨之加大，使越來越多的大容量火電機組必需加入調(diào)峰過程[1-2]，給機組的運行帶來了更多安全和穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。以軸系為例，振動超標問題在多類型機組中廣泛存在，并且大范圍負荷調(diào)整過程中振動問題更為嚴重[3]；其中，大容量機組調(diào)整電網(wǎng)峰谷過程需時常保持低出力模式，末級葉片由于蒸汽流量減少產(chǎn)生的沖蝕越來越嚴重，導致轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，進而造成振動超限問題[4]。長期以來，機組振動超限治理都是研究熱點之一，很多學者在各方面都做出了一系列工作。

在理論研究方面主要集中在非線性動力學[5]和有限元模型[6]，在理論上可建立較為精確的機組振動特性模型，進而指導實際機組的調(diào)整；在試驗處理方面，有學者結合最優(yōu)化方法[7-8]，對軸系進行動平衡以解決振動超限；也有學者認為，分析噴嘴形式以優(yōu)化進汽方式也會改善機組的運行穩(wěn)定性，因此提出各種配汽優(yōu)化設計方法以改善由于汽流不均衡導致的振動超限[9]。實際中，大容量機組的振動故障現(xiàn)象和機理更加復雜，有學者利用同材質(zhì)補焊方法[10]解決葉片沖蝕故障，但由于無法精確控制補焊材料質(zhì)量分布，也會出現(xiàn)質(zhì)量分布不均勻?qū)е碌恼駝映迒栴}。然而，現(xiàn)有公開權威研究成果未見相關現(xiàn)場處理葉片補焊引起振動問題的詳細介紹。

本文以某廠1 000 MW火電機組的轉(zhuǎn)子實際振動問題為實例，針對如何處理由于補焊物料分布不均勻?qū)е螺S系振動超限問題進行了較為詳細的介紹，并通過分析機組在不同工況下的振動數(shù)據(jù)，證明該處理方案的有效性，這對實際指導大型汽輪發(fā)電機組的振動超限故障處理具有重要意義。

1 設備軸系概況

某電廠2號機組為超臨界1 000 MW汽輪發(fā)電機組，軸系由高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子、低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子、低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子及發(fā)電機轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子間采用剛性聯(lián)軸器連接，各轉(zhuǎn)子均由兩軸承支撐，高壓轉(zhuǎn)子、中壓轉(zhuǎn)子四個軸承為6瓦塊可傾瓦軸承，低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子、低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子及發(fā)電機轉(zhuǎn)子六個軸承為橢圓瓦軸承，機組軸系如圖1所示。機組的兩個低壓轉(zhuǎn)子采用對流布置型式，一階臨界轉(zhuǎn)速為1 194 rpm，二階臨界轉(zhuǎn)速高于4 400 rpm。

圖1 機組軸系示意圖

機組A級檢修期間發(fā)現(xiàn)低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子及低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子正向、反向末級葉片受濕蒸汽沖蝕嚴重，葉片普遍沿徑向損傷約250 mm，寬度約5 mm。葉片受沖蝕將縮短葉片疲勞壽命和使用壽命，影響機組安全性，同時也降低了機組的經(jīng)濟性[11]。未處理低壓轉(zhuǎn)子葉片沖蝕問題，電廠對受損葉片進行了同材質(zhì)補焊，但由于現(xiàn)場條件限制，無法精確控制補焊材料的質(zhì)量分布。

2 低壓轉(zhuǎn)子振動現(xiàn)象

2.1 沖轉(zhuǎn)過程中低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子振動現(xiàn)象

機組A級檢修結束后啟動，開始800 rpm定轉(zhuǎn)速暖機時，6x(低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子后軸承)軸振為65 μm，較修前20 μm顯著增加；同時定轉(zhuǎn)速暖機過程中6x軸振出現(xiàn)爬升現(xiàn)象，至暖機結束振動幅值上升至91 μm。繼續(xù)升速至1 120 rpm時6x軸振達到230 μm，機組打閘停機，振動趨勢如圖2所示。在后續(xù)3次啟動過程中，運行人員嚴格控制機組盤車時間、轉(zhuǎn)子偏心、軸封供汽及主再熱蒸汽參數(shù)，但均因6瓦振動大未能通過低壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速。

圖2 低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子振動爬升趨勢

2.2 定速后低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子振動現(xiàn)象

當機組轉(zhuǎn)速由2 500 rpm上升至3 000 rpm過程中，7x、8x(低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子前、后軸承)軸振隨轉(zhuǎn)速升高而升高，具體數(shù)據(jù)見表1。7x軸振由61.9 μm上升至95.7 μm，8x軸振由95.5 μm上升至125.8 μm，8x軸振偏高；7x、8x軸振以一倍頻為主，升速過程一倍頻相位也發(fā)生了較大變化，7x一倍頻相位由321°變化至110°，8x一倍頻相位由230°變化至267°，7x、8x軸振呈現(xiàn)反向分量為主的現(xiàn)象。

表1 升速及定速后低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)

3 振動分析及處理方法

3.1 低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子振動分析及處理

通過分析6x軸振頻譜數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其振動以一倍頻為主，屬于強迫振動。根據(jù)800 rpm定轉(zhuǎn)速暖機時6x軸振持續(xù)上漲的現(xiàn)象，判斷振動原因為動靜碰磨，轉(zhuǎn)子在低于一階臨界轉(zhuǎn)速下發(fā)生碰磨，引起振動發(fā)散[12]。碰磨原因為轉(zhuǎn)子一階振型撓曲過大，造成動靜間隙較小，且低壓缸的剛度較低，若背壓出現(xiàn)變化極易引起變形，造成動靜間隙消失，動靜部件發(fā)生碰磨。現(xiàn)場決定通過減少軸振，即一階振型撓曲的方法避免動靜部件發(fā)生碰磨。結合機組檢修中進行了低壓缸末級葉片補焊的工作，分析低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量由末級葉片補焊材質(zhì)分布不均造成，不平衡質(zhì)量位置應在末級葉輪處。

根據(jù)分析結果在低壓Ⅰ轉(zhuǎn)子正、反向末級葉輪平衡孔內(nèi)加同向配重，兩側配重質(zhì)量均為400 g。加重后機組啟動，800 rpm暖機轉(zhuǎn)速下6x軸振穩(wěn)定在27 μm，無上升趨勢。此外，在通過一階臨界速度時6x軸振75 μm，機組順利通過一階臨界轉(zhuǎn)速。

3.2 低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子振動分析及處理

如表1所示，額定轉(zhuǎn)速下7x、8x軸振均以一倍頻為主，振動屬于強迫振動，且相位以反向分量為主。分析認為低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子二階不平衡質(zhì)量同樣由末級葉片補焊材質(zhì)分布不均造成，不平衡質(zhì)量分布在轉(zhuǎn)子末級葉輪處。為解決額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子的振動問題，現(xiàn)場在低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子兩側末級葉輪處安裝配重，以平衡二階不平衡質(zhì)量，兩側各安裝配重260 g。處理后機組再次啟動，升速過程低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)見表2。

表2 處理二階振動后的低壓Ⅱ轉(zhuǎn)子振動數(shù)據(jù)

7x、8x軸振雖然也隨轉(zhuǎn)速升高而升高，但幅值較加重前明顯下降，2 500 rpm轉(zhuǎn)速下7x軸振32.6 μm、8x軸振53.2 μm，定速下7x軸振45.8 μm、8x軸振69.6 μm，且7x一倍頻相位137°、8x一倍頻相位255°，較加重前的110°和267°變化不大，說明加重位置準確。由圖3可知，7x和8x安裝配重后通頻和一倍頻振動問題都得到了解決。

圖3 處理后振動幅值對比

4 結論

本文通過分析某1 000 MW汽輪發(fā)電機組處理低壓轉(zhuǎn)子末級葉片沖蝕，進行葉片同材質(zhì)補焊后，啟動及定速的實際振動問題，根據(jù)機組在多狀態(tài)測試下的振動情況，可得出如下結論：

(1)大容量汽輪發(fā)電機組調(diào)峰運行，低壓轉(zhuǎn)子末級葉片會產(chǎn)生嚴重的沖蝕，出現(xiàn)了故障后可及時對其進行同材質(zhì)補焊，在一定程度上可以增加轉(zhuǎn)子使用壽命。但由于補焊物料無法精確控制，極易影響轉(zhuǎn)子的質(zhì)量分布；

(2)低壓轉(zhuǎn)子葉片同材質(zhì)補焊后，質(zhì)量分布的變化主要影響臨界轉(zhuǎn)速下的一階振型和工作轉(zhuǎn)速下的二階振型，由于低壓缸剛度較低，同時還會引起動靜碰磨問題，本文通過分析6x軸振爬升現(xiàn)象和8x軸振過大等現(xiàn)象，證明了該觀點；

(3)處理葉片同材質(zhì)補焊引起的振動問題，可以分別在相應位置安裝同向配重和反對稱配重，能有效減小轉(zhuǎn)子的軸振問題，避免了動靜部件之間的接觸碰磨，通過監(jiān)測長時間運行500 MW和800 MW工況下的軸振通頻指標，低壓轉(zhuǎn)子振動問題在低負荷下和高負荷下都得到了改善。表明本文所述的處理技術可作為行業(yè)內(nèi)參考。