135 MW汽輪機組轉(zhuǎn)子熱彎曲故障機理分析與對策研究

廖榮震，朱桂華，謝 民

（1 中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙 410083；2 湖南華菱湘潭鋼鐵集團有限公司，湖南湘潭 411101）

引言

某鋼廠有2 臺135 MW 汽輪發(fā)電機組，汽輪機型號N135-13.2/535/535-3、發(fā)電機型號QF-150-2-15.75，分別為由東方汽輪機有限公司和東方電機有限公司制造[1],是全國第三家同類型機組使用單位。2 臺機組投產(chǎn)后日均發(fā)電量保持在648 萬kWh 以上，一年累計創(chuàng)效16 億元，是公司內(nèi)部高效自發(fā)電創(chuàng)效和充分消耗煤氣能源保護環(huán)境的關(guān)鍵設(shè)備，在企業(yè)中占有極其重要的地位。然而2臺機組投產(chǎn)后運行欠穩(wěn)定，曾一個月內(nèi)連續(xù)發(fā)生6 起軸系振動超高停機事故，機組在每次啟動沖轉(zhuǎn)過程，轉(zhuǎn)子熱彎曲故障頻發(fā)，引起軸系振動烈度非常嚴(yán)重，頻繁出現(xiàn)機組沖轉(zhuǎn)失敗，機組沖轉(zhuǎn)升速至并網(wǎng)發(fā)電時間均超過20 h 以上，企業(yè)經(jīng)濟損失巨大。有鑒于此，本文針對135 MW汽輪機組轉(zhuǎn)子熱彎曲故障開展機理分析與對策研究，并進行實驗驗證，有效地攻克機組轉(zhuǎn)子熱彎曲故障的難題，為機組的穩(wěn)定運行提供了實質(zhì)的理論和技術(shù)支撐。

1 機組軸系結(jié)構(gòu)介紹

本機組為超高壓高溫、中間再熱、雙缸雙排汽冷凝式汽輪發(fā)電機，主軸由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子以及主油泵、勵磁機等組成[2]。機組轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速見表1。

表1 機組轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速

機組的盤車裝置轉(zhuǎn)速為4.5 r/min。機組高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子均為整鍛轉(zhuǎn)子，高中壓轉(zhuǎn)子材質(zhì)為30CrMo1V，轉(zhuǎn)子總長5 940 mm（不含主油泵軸和危急遮斷器），總重量為14.1 t（包括葉片和主軸泵軸）；低壓轉(zhuǎn)子材質(zhì)為30Cr2Ni4MoV，轉(zhuǎn)子總長4 820 mm，末級動葉高660 mm，總重量為24 t（包括葉片重量）。軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示，高中壓與低壓轉(zhuǎn)子用剛性聯(lián)軸器連接，低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子用半撓性聯(lián)軸器連接；高中壓及低壓轉(zhuǎn)子由前軸承箱內(nèi)的1#軸承、中軸承箱內(nèi)的2#軸承和后軸承箱內(nèi)的3#軸承支承。

圖1 135 MW汽輪發(fā)電機組軸系結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)子熱彎曲故障機理分析

2.1 轉(zhuǎn)子彎曲故障特性

引起135 MW汽輪機組轉(zhuǎn)子彎曲故障包括轉(zhuǎn)子永久性彎曲、轉(zhuǎn)子初始彎曲和轉(zhuǎn)子熱彎曲。

轉(zhuǎn)子永久性彎曲可簡述為轉(zhuǎn)子發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，是轉(zhuǎn)子彎曲故障中最致命的特性。轉(zhuǎn)子初始彎曲可簡述為轉(zhuǎn)子在靜止?fàn)顟B(tài)下因自身重力的影響發(fā)生的彈性變形，是所有非懸臂支撐結(jié)構(gòu)的長軸轉(zhuǎn)子所具有的共性故障特性。轉(zhuǎn)子熱彎曲可簡述為轉(zhuǎn)子在冷態(tài)下升溫過程中內(nèi)部受熱膨脹不均或在熱態(tài)下降溫過程中內(nèi)部散熱收縮不均而發(fā)生的彈性變形，是轉(zhuǎn)子彎曲故障中最常見的特性。

2.2 轉(zhuǎn)子熱彎曲故障主要機理

對轉(zhuǎn)子毛坯鍛造時，轉(zhuǎn)子內(nèi)部殘余應(yīng)力未消除，在轉(zhuǎn)子受熱時內(nèi)部殘余應(yīng)力大量釋放。

機組啟機過程中，暖機不充分，轉(zhuǎn)子軸心溫度未達到121 ℃以上，轉(zhuǎn)子內(nèi)部熱膨脹不均。

因低壓缸噴水降溫設(shè)施故障引發(fā)熱膨脹，致使低壓轉(zhuǎn)子及動葉部位熱膨脹不均。

2.3 轉(zhuǎn)子熱彎曲故障時機組軸系振動特征

振動頻率主要表現(xiàn)在fr（1X）上（即工頻），二倍（2x）、三倍（3x）、四倍（4x）成分少且占比低，振動頻譜范圍明顯。

機組升速過程中，軸系振動突變不穩(wěn)定，特別是在低速區(qū)間時軸系各處振動激蕩且長期處于80 μm 以上的振幅，在過臨界轉(zhuǎn)速時振動烈度強且振幅達到180 μm以上甚至更高。

軸心軌跡為偏心的橢圓。

2.4 轉(zhuǎn)子熱彎曲時機組軸系振動曲線特征

參考動力學(xué)方程中轉(zhuǎn)子彎曲廣義力[4]，可知轉(zhuǎn)子彎曲廣義力列向量

式中：K1——轉(zhuǎn)子的整體剛度矩陣；

Ω——轉(zhuǎn)子的角速度；

rx，ry——轉(zhuǎn)子的彎曲向量；

t——時間。

機組總長13.5 m（不包含發(fā)電機），高中壓轉(zhuǎn)子總重量為14.1 t，低壓轉(zhuǎn)子總重量為24 t，在建模分析時，依據(jù)軸頸變化位置將該轉(zhuǎn)子分成29 個節(jié)點。在不考慮轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡的影響下，假設(shè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)存在如圖2 所示彎曲曲線，將彎曲初始相位設(shè)為0°，將曲線加入到純彎曲情況下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)中，進行有限元動力學(xué)計算，可得如圖3 所示的轉(zhuǎn)子發(fā)生彎曲時軸系振動趨勢變化圖。

圖2 轉(zhuǎn)子彎曲曲線示意圖

圖3 轉(zhuǎn)子彎曲時振動響應(yīng)曲線示意圖

從圖3 轉(zhuǎn)子相位/振幅隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢圖可以看出，機組在低轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子就出現(xiàn)振動在80 μm以上的高值，特別在過一階臨界轉(zhuǎn)速時和二階臨界轉(zhuǎn)速時軸系振動會出現(xiàn)明顯的振動峰值，在三階臨界轉(zhuǎn)速時軸系振動影響較小。因此，可以借鑒圖3中的趨勢和振幅的變化來快速診斷機組在啟機過程中轉(zhuǎn)子是否發(fā)生熱彎曲故障。

3 轉(zhuǎn)子熱彎曲故障對策研究

3.1 優(yōu)化啟機程序

機組啟動前，根據(jù)機組高壓內(nèi)缸上半調(diào)節(jié)級處內(nèi)壁金屬溫度狀態(tài)，嚴(yán)格按4 種啟動方式對機組進行啟動，見表2。其中機組冷態(tài)升速過程建議按五個階段來開展：

表2 機組不同狀態(tài)啟動方式

第一階段（4.5～500 r/min），對機組開展全面檢查和低速暖機，分析軸系振動趨勢以確定轉(zhuǎn)子是否具有熱彎曲故障初始特征。此階段停留時間不少于60 min。

第二階段（500～1 100 r/min），對機組開展中速暖機及均勻熱膨脹，分析軸系振動趨勢以確定轉(zhuǎn)子是否具有熱彎曲故障以及嚴(yán)重程度，同時確認(rèn)機組具備繼續(xù)升速過臨界的相關(guān)條件。此階段停留時間不少于60 min。此階段需重點關(guān)注機組暖機狀況，確保轉(zhuǎn)子中心溫度不低于121 ℃。

第三階段（1 100～2 000 r/min），對機組升速過一階和二階臨界轉(zhuǎn)速，以100～150 r/min2的升速率快速通過，避免停留。此階段需重點關(guān)注軸系振動趨勢變化，軸振值控制在150 μm以內(nèi)。

第四階段（2 000～2 800 r/min），穩(wěn)速2 000 r/min 使機組高速暖機充分及熱膨脹均勻，確認(rèn)軸系軸系振動狀況及機組過臨界后的運行情況，后期繼續(xù)以100～150 r/min2的升速率快速通過第三階臨界轉(zhuǎn)速。此階段穩(wěn)速停留時間不少于30 min。

第五階段（2 800～3 000 r/min），穩(wěn)速2 800 r/min 確認(rèn)軸系軸系振動狀況，開展機組并網(wǎng)前的各項確認(rèn)工作，達到3 000 r/min 定速后，先對機組開展空負(fù)荷暖機，然后對機組并網(wǎng)及帶負(fù)荷。此階段定速空負(fù)荷暖機時間不少于30 min。

在啟機升速期間，利用SK9172振動分析儀與機組TSI 振動監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，在機組各速度區(qū)間對軸系振動狀況進行數(shù)據(jù)采集及趨勢分析，建立啟機過程中軸系Bode 圖、軸系振動趨勢圖、軸心軌跡圖和頻譜圖，對機組軸系狀況進行實時監(jiān)測，及時分析確定機組存在的故障形式并制定針對性的措施。

3.2 優(yōu)化盤車及暖機條件

機組開啟盤車前，需確認(rèn)頂軸油壓控制在8～14 MPa，并在機組前軸承箱或后軸承箱附近的轉(zhuǎn)子軸徑上安裝百分表以確定轉(zhuǎn)子被浮起高度不低于0.05 mm，以此確定轉(zhuǎn)子已被油壓頂起處于懸浮狀態(tài)，防止轉(zhuǎn)子與軸承發(fā)生摩擦。

機組盤車后，需檢查并記錄機組轉(zhuǎn)子的偏心度，并與機組原始偏心度數(shù)據(jù)進行對比分析，確認(rèn)偏心度變化值是否小于0.03 mm，以此來判斷轉(zhuǎn)子有沒有發(fā)生彎曲變形。

暖機狀態(tài)時，需避免機組因高中壓轉(zhuǎn)子、汽缸受熱不均而造成轉(zhuǎn)子熱彎曲，建議蒸汽參數(shù)和汽缸金屬溫升控制如下：主蒸汽溫升率小于1.5 ℃/min，再熱蒸汽溫升率小于2 ℃/min，高中壓轉(zhuǎn)子外缸和高壓轉(zhuǎn)子內(nèi)缸內(nèi)、外壁溫差小于46.4 ℃，轉(zhuǎn)子中心溫度不低于121 ℃，低壓缸排汽溫度在投噴水前小于80 ℃。

為避免機組升速時引起軸系劇烈的振動，暖機完畢后，機組關(guān)鍵參數(shù)需滿足以下要求：機組高壓缸脹差控制在-3 mm～+6 mm 區(qū)間，低壓缸脹差控制在-3.2 mm～+6.2 mm 區(qū)間，機組轉(zhuǎn)子軸向位移值控制在-1.05 mm～+0.6 mm 區(qū)間，各軸承蓋振動值不能高于0.03 mm，各部位軸系振動值不能高于80 μm。

機組在第一升速階段低速暖機時，如果機組存在明顯的熱彎曲故障特征，則需停機盤車處理，直至熱膨脹滿足關(guān)鍵參數(shù)后方可繼續(xù)升速；當(dāng)機組在第二升速階段運行時，發(fā)現(xiàn)軸系振動超限80 μm 且存在明顯的熱彎曲故障，則需立即降速至第一升速階段監(jiān)測運行，不可盲目升速或異常怠速使軸系長期處于高振狀態(tài)。

3.3 機組軸封噴水裝置優(yōu)化改進

為確保機組軸封噴水裝置的穩(wěn)定，進而保障機組長周期穩(wěn)定運行，避免機組頻繁進行啟停機操作而引起轉(zhuǎn)子熱彎曲故障和轉(zhuǎn)子本體的疲勞損傷，對軸封噴水裝置進行旁路改造，實現(xiàn)軸封噴水裝置故障在線消除。

(1)機組軸封噴水裝置存在的缺陷

135 MW 汽輪機組的低壓缸噴水冷卻裝置在機組啟機和正常運行過程中起著至關(guān)重要的作用，一旦軸封噴水裝置出現(xiàn)堵塞等異常不能及時工作時，將會造成機組低壓缸溫度上升和真空度下降，嚴(yán)重的時候?qū)觿∞D(zhuǎn)子熱彎曲故障。

機組軸封噴水裝置在原設(shè)計上只有一根管道，當(dāng)出現(xiàn)故障時，無法實現(xiàn)在線及時清洗及排除隱患，每次開展清洗必須停機5 h來作業(yè)，在清洗完畢后機組需重新啟機沖轉(zhuǎn)升速，不符合汽輪機組嚴(yán)禁頻繁啟停的工藝要求；同時必將加劇轉(zhuǎn)子熱彎曲形變，嚴(yán)重的時候可造成轉(zhuǎn)子永久性彎曲，影響機組的安全運行。

(2)機組軸封噴水裝置改進措施

通過對機組的軸封噴水裝置管道路徑進行分析并改進，確定給軸封冷卻裝置增加一套旁路，實現(xiàn)過濾網(wǎng)堵塞后及時地在線清洗的功能。優(yōu)化改進完成后，避免了因濾網(wǎng)堵塞等隱患出現(xiàn)時需進行停機處理的問題，在降低了停機直接經(jīng)濟損失的同時，更在一定程度上確保了機組長周期運行，對機組軸系的保護起著重要的作用。

4 實驗結(jié)果分析

2019年11月24日對1號機組解體檢修后，冷態(tài)啟機進行了跟蹤與記錄。

4.1 啟機過程驗證

盤車狀態(tài)各參數(shù)控制：缸脹5.2/5.3 mm，高中壓及低壓差脹2.8/1.7 mm，偏心52.3 μm，軸向位移0.2/0.3 mm，缸體溫差45 ℃。8:07 沖轉(zhuǎn)，為控制高中壓差脹，投入了夾層加熱裝置，降低了高中壓軸封溫度。

第一階段：8:12—8:44轉(zhuǎn)速升至500 r/min后，低速暖機及磨合32 min。

第二階段：9:04—9:29 轉(zhuǎn)速在600 r/min、700 r/min、800 r/min 觀察振動變化，轉(zhuǎn)速1 100 r/min 分析軸系振動情況穩(wěn)定，中速暖機及磨合25 min。

第三階段：9:37—9:45轉(zhuǎn)速升至2 000 r/min后，發(fā)現(xiàn)汽輪機軸振有爬升趨勢但受控。

第四階段：9:50—14:05 轉(zhuǎn)速升至2 700 r/min后，因軸系振動波動大且趨勢不穩(wěn)定，熱膨脹存在不均勻，對機組開展高速暖機255 min。

第五階段：14:05—14:10 機組升速并定速3 000 r/min，此時缸脹5.9/5.7 mm，高中壓及低壓差脹3.0/4.3 mm，軸向位移0.1/0.4 mm，缸溫245 ℃，開展空負(fù)荷暖機，至15:17發(fā)電機并網(wǎng)帶負(fù)荷。

此次啟機過程，參照前文提出的啟機升速對策，在整個啟機過程中，機組升速及過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)間順暢。

4.2 啟機過程軸系Bode圖、軸系振動數(shù)據(jù)分析

在啟機過程中，利用SK9172振動分析儀結(jié)合機組本體的TSI 本特利監(jiān)測系統(tǒng)，開展機組各轉(zhuǎn)速下的軸系振動趨勢參數(shù)采集及分析，建立了啟機過程軸系Bode 圖。通過分析，在啟機低速暖機、中速暖機及監(jiān)測、過臨界區(qū)間、高速暖機全過程中，軸系運行平穩(wěn)，過臨界及升速至定速期間，汽輪機軸振見圖4 最大119 μm（2x-2 260 r/min），沒有明顯的轉(zhuǎn)子熱彎曲故障的發(fā)生。

圖4 1號機組冷態(tài)啟動軸振Bode圖

4.3 對機組啟機過程軸系振動在各速度下的情況進行統(tǒng)計分析，機組數(shù)據(jù)整體正常，啟機過程軸系振動數(shù)據(jù)分析見表3。雖出現(xiàn)局部高振，但充分高速暖機后，在機組帶負(fù)荷運行期間各處軸系振動正常。

表3 冷態(tài)開機各轉(zhuǎn)速機組振動值表 μm

5 結(jié)論

通過對135MW 汽輪機組轉(zhuǎn)子熱彎曲故障的機理分析與對策研究，可以初步獲得如下結(jié)論：

(1)機組盤車時轉(zhuǎn)子偏心度變化值小于0.03 mm及轉(zhuǎn)子中心溫度不低于121 ℃等參數(shù)要求。

(2)機組啟機嚴(yán)格按照5 個階段要求對照實施，以實現(xiàn)機組在低速、中速和高速區(qū)間的充分暖機的措施。

(3)開展了對機組軸封噴水裝置增加旁路的改進，避免機組頻繁啟停機造成轉(zhuǎn)子熱彎曲故障頻發(fā)和低壓缸發(fā)生熱膨脹造成轉(zhuǎn)子熱彎曲故障的發(fā)生。