某15MW抽冷機(jī)組振動停機(jī)原因分析及解決

黃國輝

（廣重集團(tuán)有限公司汽輪機(jī)研究所，廣州 511495）

0 引言

抽冷式汽輪機(jī)等同于背壓機(jī)與冷凝式汽輪機(jī)合并而成，主要應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)。蒸汽在機(jī)組的高壓缸膨脹做功后，分成兩股汽流。一股通過閥門供給熱用戶；另一股經(jīng)過中低壓缸繼續(xù)做功，排入冷凝器，使蒸汽得到充分利用，是當(dāng)下最流行的機(jī)型[1]。冷凝器是冷凝式汽輪機(jī)的一個重要組成部分，其工作性能直接影響整個汽輪機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性和安全性，一般通過法蘭與汽輪機(jī)排汽口剛性聯(lián)接。提高汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)和降低其排汽參數(shù)都能使得汽輪機(jī)的理想焓降增大，采用冷凝器降低并保持穩(wěn)定的排汽參數(shù)是其中最有效的辦法[2]。汽輪機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行不僅與自身設(shè)計(jì)有關(guān)，與外部相關(guān)聯(lián)設(shè)備也有關(guān)系，而抽冷機(jī)組受到外界比背壓式機(jī)或純冷凝式機(jī)更為復(fù)雜，其中工業(yè)運(yùn)行要素影響最為復(fù)雜，仍存在不少問題待解決[3]。因此，分析影響機(jī)組安全高效運(yùn)行的因素，提出有效的改進(jìn)措施。

汽輪機(jī)有靜子和轉(zhuǎn)子兩大部分。在工作時轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，靜子固定，因此轉(zhuǎn)子和靜子之間必須保持一定的間隙，不使相互摩擦，而振動指標(biāo)最能反映機(jī)組動靜摩擦故障。

在起動、運(yùn)轉(zhuǎn)中，汽輪發(fā)電機(jī)組若振動較大，將帶來一系列不良或嚴(yán)重的后果[4-5]。例如，機(jī)組零部件承受很大動應(yīng)力，促使其材料疲勞或損壞；螺栓螺帽等緊固件松弛，造成汽缸中分面等處的蒸汽泄漏；動靜部分互相發(fā)生摩擦，軸承磨損加??；主軸彎曲；超速保安裝置誤動作；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)環(huán)及線槽內(nèi)的填充物松弛、磨損，電氣絕緣磨破導(dǎo)致短路，勵磁機(jī)整流子及其碳刷磨損加??；基礎(chǔ)臺板的混凝土澆灌體松動以及基礎(chǔ)甚至廠房出項(xiàng)裂縫；機(jī)組振動有時會釀成整機(jī)甚至整個廠房的毀壞。

其中，汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動部件與靜止部件發(fā)生摩擦就是引起機(jī)組振動的其中一個原因。汽輪機(jī)在安裝檢修后機(jī)組動靜部件之間的間隙過小或運(yùn)行時熱膨脹不均勻都會發(fā)生摩擦，此摩擦力周期性地作用在轉(zhuǎn)子上，造成機(jī)組振動。針對某15 MW抽冷機(jī)組升速過程中，由于冷凝器安裝質(zhì)量差、發(fā)生偏移，最終引起轉(zhuǎn)子與靜子發(fā)生摩擦，導(dǎo)致振動超標(biāo)，汽輪轉(zhuǎn)速無法達(dá)到額定轉(zhuǎn)速表面現(xiàn)象，目前還未見類似案例研究。本文利用實(shí)際汽輪機(jī)本體運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，并結(jié)合揭缸檢查，驗(yàn)證了分析的合理性，最終給出了相應(yīng)的整改方案。

1 故障現(xiàn)象

某15 MW抽冷機(jī)組于2014年9月交付給用戶并進(jìn)行了沖轉(zhuǎn)，正常額定運(yùn)行了半年時間。由于發(fā)電機(jī)故障需要停機(jī)檢修，檢修完后，機(jī)組正常運(yùn)行了半個月，因汽輪機(jī)機(jī)組振動值超過規(guī)范要求，逼迫停機(jī)，開缸檢修動靜間隙修復(fù)后，對轉(zhuǎn)子更換汽封片并動平衡，合缸。再次運(yùn)行，這次只運(yùn)行了26 h，再次出現(xiàn)機(jī)組振動值超標(biāo)現(xiàn)象，停機(jī)檢修。再次修復(fù)動靜間隙后裝回，但這次按振動要求，怎樣也無法達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。

根據(jù)現(xiàn)場振動數(shù)據(jù)及檢修人員反映，存在以下現(xiàn)象。

（1）每次故障檢修都發(fā)現(xiàn)汽機(jī)后端（后軸承座位置）的中心線會下沉，比齒輪箱低1 mm，3次累計(jì)下沉了3 mm。

（2）3次檢修，轉(zhuǎn)子軸封、圍帶頂都發(fā)現(xiàn)有新的碰擦，超差數(shù)據(jù)增加，如圖1所示。

圖1 動葉片葉頂磨損

（3）末3、4級隔板的左側(cè)都有碰擦，右側(cè)沒有，而且底部和上部磨損很輕微，如圖2所示。

圖2 隔板左側(cè)汽封片磨損

（4）前后軸承上半球體，著色檢查到色情況比較差，只有40%左右，如表1所示。

（5）后軸承振動值上升速度比前軸承快。

（6）冷凝器支座安裝質(zhì)量差，如圖3所示。

（7）后缸中分面發(fā)生變形，如圖4所示。

表1 前后軸承檢查結(jié)果mm

圖3 冷凝器彈簧支座安裝基礎(chǔ)

圖4 后汽缸水平中分面測量數(shù)據(jù)

根據(jù)以上給出的數(shù)據(jù)，初步診斷為后汽缸發(fā)生了剛度變化，產(chǎn)生變形，前后汽缸發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，引起整個動靜通流間隙改變，發(fā)生動靜摩擦，導(dǎo)致機(jī)組振動。同時也懷疑后汽缸的變形是由于冷凝器的安裝質(zhì)量引起的，需要在現(xiàn)場揭缸進(jìn)一步做試驗(yàn)診斷，確定故障原因并給出合理的整改方案。

2018年底，在機(jī)組現(xiàn)場，按目前故障停機(jī)狀態(tài)對本體再一次揭缸進(jìn)行冷凝器灌水試驗(yàn)，在冷凝器的4個彈簧支座分別布置4個落地式垂直位移測量點(diǎn)，用直尺測量讀數(shù)。在右后支座橫向和軸向兩端面打磨2個φ30 mm的測量面，布置軸向位移及橫向位移各一個測量點(diǎn)，用千分表測量讀數(shù)，共做6組數(shù)據(jù)。試驗(yàn)?zāi)康氖菣z查冷凝器負(fù)重對汽輪機(jī)本體中分面變形量的影響，及冷凝器灌水前與排水后彈簧支座測量儀表數(shù)據(jù)是否一致性，從而確定故障原因?，F(xiàn)場灌水試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 冷凝器灌水試驗(yàn)數(shù)據(jù)mm

2 故障原因分析確認(rèn)

故障原因分析如下。

（1）由圖1～2可以看出，汽輪機(jī)的動葉葉頂、隔板汽封及軸封的破損，尤其是末3、4級磨損比較嚴(yán)重，這是由于動靜碰撞摩擦造成，從而引起振動的原因。

（2）由圖4可以看出，后缸在自然狀態(tài)下，最大變形量發(fā)生在后汽缸水平中分面右后角。已經(jīng)發(fā)生了永久變形，而且無法恢復(fù)，導(dǎo)致了這個后缸的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶著前汽缸一起發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

（3）由圖3可以看出，冷凝器的支座安裝質(zhì)量差，支座基礎(chǔ)不平整，而且4個彈簧支座基礎(chǔ)高度設(shè)計(jì)不一致，導(dǎo)致使用鋼板來補(bǔ)償這樣不穩(wěn)定的支撐方式，這是導(dǎo)致冷凝器受重后發(fā)生位移并不能歸位的基本原因，而且4個支座與冷凝器殼體的焊接也沒有找平。

（4）由表1的數(shù)據(jù)可以看出，軸承的間隙已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)最大水平，而且后軸承的頂隙最大，這也是后軸承振動值升速快的原因。

（5）表2中，從冷凝器6次的灌水試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，4個支座在冷凝器滿水與排空時垂直位移變化量無幾，都能恢復(fù)同一數(shù)值。但是，右后支座的橫向和軸向的位移每一次都在發(fā)生變化，而且做完第6次試驗(yàn)后，靜放24 h，數(shù)據(jù)也沒有恢復(fù)到最初數(shù)值，故而可以得出正確的故障原因，就是由于冷凝器支座安裝質(zhì)量差，運(yùn)行時，冷凝器灌水狀態(tài)下，不斷地在橫向、軸向方向發(fā)生偏移，造成后汽缸變形，從而引起了動靜摩擦，機(jī)組振動。這也與圖2隔板在中分面附近的汽封的左側(cè)磨損嚴(yán)重現(xiàn)象相吻合。

3 整改措施

基于檢查結(jié)果及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，為了確保機(jī)組正常運(yùn)行，并防止同類故障發(fā)生，結(jié)合現(xiàn)場用戶清單，提出了以下整改措施。

（1）根據(jù)廠家的冷凝器安裝說明要求，如圖5所示，重新對冷凝器對中定位，對4個支座基礎(chǔ)重新堆砌，確保水平，對冷凝器的支座撐板焊接時保證水平度，找水平。整改后如圖6所示。

圖5 彈簧支座基礎(chǔ)安裝要求

圖6 整改后冷凝器彈簧支座基礎(chǔ)

（2）對于本體更換新后汽缸，及更換磨損和損壞零部件，重新調(diào)整通流間隙，重新找中。

（3）對于冷凝器，重新更換焊接4個支撐板，嚴(yán)格按廠家要求施工，定位安裝基準(zhǔn)線、安裝標(biāo)高。調(diào)整彈簧支座，保證冷凝器安裝定位線調(diào)整至水平，然后冷凝器進(jìn)行充水試驗(yàn)，保證前后數(shù)據(jù)不得超過要求值。

（4）重新按設(shè)計(jì)要求聯(lián)接進(jìn)汽管、抽汽管、排汽縮頸、發(fā)電機(jī)等設(shè)備，按廠家啟動操作要求沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)[6]。

（5）對轉(zhuǎn)子進(jìn)行回廠修復(fù)，維修前測量轉(zhuǎn)子各級外徑在同一相位點(diǎn)的徑向跳動量，更換受損汽封片并修復(fù)磨損的葉頂，然后按維修轉(zhuǎn)子動平衡速度只允許達(dá)到1.1倍額定轉(zhuǎn)速[7]進(jìn)行全速動平衡，并達(dá)到圖紙要求。

最終，整改后按廠家關(guān)于機(jī)組安裝要求說明，重新合缸、暖機(jī)、沖轉(zhuǎn)等規(guī)程順序開機(jī)，機(jī)組一次沖轉(zhuǎn)成功，順利升速到額定轉(zhuǎn)速，在沒有投入抽汽情況下，機(jī)組輸出功率達(dá)到11 MW，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如圖7所示。在額定工況下，機(jī)組振動值完全符合設(shè)計(jì)要求，機(jī)組的振動情況得以解決。

圖7 整改后機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

汽輪機(jī)通流部分轉(zhuǎn)子與靜子之間的間隙對于機(jī)組的效率和安全運(yùn)行相當(dāng)重要。間隙越小效率越高，但也容易發(fā)生動靜摩擦，導(dǎo)致機(jī)組振動。間隙大，則會增加漏氣損失，降低機(jī)組的效率[8]。因此，機(jī)組發(fā)生振動后必須馬上找出故障原因，及時排除，才能保證對機(jī)組正常運(yùn)行。除了機(jī)組本體自身原因外，各關(guān)聯(lián)設(shè)備的安裝質(zhì)量也是至關(guān)重要的一環(huán)，如蒸汽管道熱變形會產(chǎn)生推力、抽汽管道工況變化都要求其安裝合理性；運(yùn)行層基礎(chǔ)剛度、質(zhì)量設(shè)計(jì)同樣也會引起整個機(jī)組振動[6]。就像本次故障，就是現(xiàn)場施工設(shè)計(jì)支座基礎(chǔ)不合理，質(zhì)量不過關(guān)而造成一連串的故障，還需要逐一排查才能找出原因，而且為了機(jī)組安全高效運(yùn)行也必須逐一排查找原因。