350 MW超臨界汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子永久彎曲的故障治理

明 亮，陳瑞山，張 偉

（國家能源集團科學技術(shù)研究院有限公司，山西太原030006）

0 引言

汽輪發(fā)電機組是火力發(fā)電廠的核心設(shè)備，它的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。振動水平是衡量機組安全可靠性最重要的指標，汽輪機轉(zhuǎn)子在高溫高壓的蒸汽環(huán)境中高速運轉(zhuǎn)，不可避免地會出現(xiàn)振動，振動過大時會導(dǎo)致設(shè)備部件的疲勞損壞，甚至使轉(zhuǎn)動部件松動、斷裂或飛脫，一些重大的毀機事故直接或間接地與振動有關(guān)。在汽輪發(fā)電機組的各種振動故障中，不平衡引起的振動占70%以上，還有部分故障也可以通過平衡的手段使振動得到改善。因此，現(xiàn)場動平衡是消除高中壓轉(zhuǎn)子振動的主要手段[1-2]。為此，本文以上海汽輪機廠生產(chǎn)的型號C350-24.2/0.4/566/566350超臨界空冷、單軸、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機為例，分析機組振動的原因[3]，并重點介紹如何對高中壓轉(zhuǎn)子進行配重，使機組的瓦振動值達到合理。

1 機組概況

某廠2號機組汽輪機是上海汽輪機廠生產(chǎn)的型號為C350-24.2/0.4/566/566350的超臨界空冷、單軸、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機，配套QFSN-350-2型水氫冷汽輪發(fā)電機。該機組于2014年投產(chǎn)，2018年進行了B級檢修，2020年進行了A級檢修。2號汽輪發(fā)電機組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子（HPIP）、低壓轉(zhuǎn)子（LP）、發(fā)電機轉(zhuǎn)子（GEN）共同組成，各轉(zhuǎn)子均為雙支撐結(jié)構(gòu)。該機組軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機組軸系結(jié)構(gòu)示意圖

2 振動情況

從2014年至2020年，2號機組高中壓轉(zhuǎn)子通過一階臨界轉(zhuǎn)速的振動值逐年增大，期間在現(xiàn)場進行了5次動平衡。其中，2014年、2015年、2017年3次現(xiàn)場動平衡是因高中壓轉(zhuǎn)子通過一階臨界轉(zhuǎn)速時振動大；第4次現(xiàn)場動平衡是因2018年B修時發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子過橋汽封處彎曲260 μm，返廠車削轉(zhuǎn)子啟動后工作轉(zhuǎn)速振動大；第5次現(xiàn)場動平衡是因2020年A修時發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子過橋汽封處彎曲220 μm，返廠車削轉(zhuǎn)子啟動后工作轉(zhuǎn)速振動大。表1為2014年—2017年2號機組啟動通過臨界轉(zhuǎn)速時1X、1Y、2X、2Y方向軸振動數(shù)據(jù)；表2為2次車削轉(zhuǎn)子啟動后工作轉(zhuǎn)速下振動數(shù)據(jù)。

表1 過臨界振動數(shù)據(jù)（基頻）

表2 工作轉(zhuǎn)速下振動數(shù)據(jù)（基頻）

3 振動特征及分析

3.1 振動特征

a）在歷次啟機過程中，高中壓轉(zhuǎn)子通過一階臨界轉(zhuǎn)速時1X、1Y、2X、2Y方向軸振動多次出現(xiàn)振動偏大的情況，且在進行動平衡處理后過一段時間再次出現(xiàn)，表明1瓦、2瓦的振動是不斷增大的，在2017年4月17日開機過程中，1X測點通過臨界轉(zhuǎn)速時的最大振動峰值達到了252 μm。

b）在升速通過高中壓轉(zhuǎn)子一階臨界區(qū)時，從1X、1Y、2X、2Y方向軸振動頻譜來看，振動成分以基頻分量為主，從相位關(guān)系上看，1瓦、2瓦振動相位為同向，且每次振動的相位基本一致，說明高中壓轉(zhuǎn)子存在典型的一階質(zhì)量不平衡，且每次振動惡化的方向基本一致。以上這些特征表明高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了漸變式永久性彎曲，從而造成該轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)的不斷惡化，過臨界振動不斷增大[4-7]。

c）在工作轉(zhuǎn)速下，從1X、1Y、2X、2Y方向軸振動頻譜來看，振動成分以基頻分量為主，從相位關(guān)系上看，相位為反向，振動特征在各種運行工況基本保持不變，各測點振動較穩(wěn)定，說明高中壓轉(zhuǎn)子存在典型的二階質(zhì)量不平衡。

3.2 振動分析

造成轉(zhuǎn)子在運行中彎曲的原因很多，近年來多個電廠的國產(chǎn)300 MW和600 MW機組高中壓轉(zhuǎn)子在運行中發(fā)生了永久彎曲的情況，而且大部分機組表現(xiàn)為1～2 a正式運行后在啟停過程中過臨界振動持續(xù)惡化，主要原因有以下幾方面：一是高中壓轉(zhuǎn)子的毛坯在鍛造中存在較大的殘余應(yīng)力，在機加工前處理不當，殘余應(yīng)力在安裝完畢投入運行后逐漸釋放，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)永久性彎曲，而在機組長時間運行后，彎曲量會越來越大，在運行中表現(xiàn)為啟停機過臨界時振動值不斷變大。二是高中壓轉(zhuǎn)子中部工作溫度高。三是部分機組初期啟動時高壓缸進汽量很小，切閥后高缸進汽量大增且溫度迅速上升。四是合缸高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速在1 500～1 700 r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速在4 000 r/min以上，因工作轉(zhuǎn)速處于一階、二階臨界轉(zhuǎn)速間，一階、二階振型不平衡對工作轉(zhuǎn)速下的振動會有影響。五是轉(zhuǎn)子質(zhì)量較小，容易被蒸汽靜態(tài)力浮起，并被不均衡密閉流體力擾動，同時軸承比壓較小，易發(fā)生油膜油壓波動。六是變負荷通過70%負荷附近時，軸封供汽發(fā)生輔聯(lián)供汽與自密封供汽的切換，軸封供汽有一定的波動。七是隨著節(jié)能減排要求的提高，高中壓缸內(nèi)間隙越來越小，更易發(fā)生動靜碰摩。

通常對于汽輪機轉(zhuǎn)子永久性彎曲的處理方法有2種，一種是檢修時在現(xiàn)場或返廠通過給轉(zhuǎn)子施加載荷進行直軸，另一種是返制造廠在機床上對彎曲部分進行車削。對一階不平衡進行針對性處理后，在工作轉(zhuǎn)速下還可能出現(xiàn)二階不平衡的問題，此時需再進行針對性的處理。

4 故障處理

2號機組過臨界時振動大的主要原因是高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了漸變式永久性彎曲，產(chǎn)生了較大的一階不平衡質(zhì)量。因此，2014年—2017年都在現(xiàn)場對高中壓轉(zhuǎn)子進行配重以減弱彎曲對振動的影響。表3為2014年—2017年的配重記錄，表4為現(xiàn)場動平衡后的振動數(shù)據(jù)。

表3 2014年—2017年配重記錄

從表4可以看出，經(jīng)過在1、2瓦側(cè)和平衡活塞處（轉(zhuǎn)子中部）配重孔加平衡螺釘后，2號機組在通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)過程中1X、1Y、2X、2Y軸振動均在100 μm以下，振動狀況都得到明顯改善。

表4 平衡后機組振動數(shù)據(jù)（通頻）μm

在2018年B修和2020年A修中都對汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子返制造廠進行了車削處理，檢修結(jié)束啟動后在工作轉(zhuǎn)速下存在1X、1Y軸振動偏大的問題，為此對高中壓轉(zhuǎn)子進行了現(xiàn)場動平衡。表5為高中壓轉(zhuǎn)子現(xiàn)場配重記錄，表6為現(xiàn)場動平衡后1X、1Y、2X、2Y軸振動數(shù)據(jù)。

表5 2018年和2020年配重記錄

表6 機組動平衡后工作轉(zhuǎn)速下振動數(shù)據(jù)（通頻）μm

從表6可以看出，動平衡后，在工作轉(zhuǎn)速下1瓦、2瓦的振動狀況得到明顯改善，振動值達到合理水平。

5 結(jié)論

a）2號機組振動異常的主要原因是高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了漸變式的永久性彎曲，產(chǎn)生了較大的一、二階質(zhì)量不平衡所致。

b）轉(zhuǎn)子永久性彎曲與質(zhì)量不平衡的振動特征相似，均會產(chǎn)生工頻的激振力，在現(xiàn)場不能對轉(zhuǎn)子進行處理的情況下，動平衡是解決振動問題的有效措施。

c）經(jīng)過在高中壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)和中部的配重孔加平衡螺釘后，2號機組在過臨界、工作轉(zhuǎn)速下的各瓦振動值均達到了良好的水平。