燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組汽輪機(jī)振動異常分析及處理

唐廣通,張偉江,李 寧,王志強(qiáng),閆曉沛

(國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

某工程建設(shè)2臺450 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)供熱機(jī)組,一拖一分軸型式,燃?xì)廨啓C(jī)為德國西門子SGT-4000F型燃機(jī),燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)為西門子SGen5-1200 A型空冷發(fā)電機(jī),余熱鍋爐采用三壓、再熱、臥式、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)燃機(jī)余熱鍋爐,汽輪機(jī)型式為三壓、再熱、雙缸型、帶3S離合器、向下排汽的可抽凝、背壓、可純凝運(yùn)行供熱汽輪機(jī),額定功率145 MW。機(jī)組軸系由3根轉(zhuǎn)子構(gòu)成,即高中壓、低壓和發(fā)電機(jī),其中高中壓和低壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速分別為1 776.9 r/min和1 467.2 r/min;軸系由8個軸承支撐,所有軸承均采用4塊可傾瓦,軸承底部左右瓦塊各1個溫度測點(diǎn)。各轉(zhuǎn)子均采用剛性連接,其中機(jī)組軸系布置如圖1所示。

圖1 汽輪機(jī)軸系布置

1 啟動及空負(fù)荷期間的異常振動

1.1 沖轉(zhuǎn)過程中的異常振動

燃?xì)廨啓C(jī)啟動并網(wǎng)帶20 MW負(fù)荷,余熱鍋爐參數(shù)滿足汽輪機(jī)啟動要求,汽輪機(jī)首次啟動。啟動過程中,在500 r/min摩擦檢查完畢后繼續(xù)升速,如圖2所示,當(dāng)轉(zhuǎn)速升至1 000 r/min之后,6號、7號軸承振動隨轉(zhuǎn)速升高快速增大,當(dāng)轉(zhuǎn)速升至1 284 r/min時,6X方向振動達(dá)270μm,7X方向振動達(dá)180μm汽輪機(jī)跳閘。當(dāng)轉(zhuǎn)速到0,盤車投入后,6號軸承附近的轉(zhuǎn)子偏心表顯示偏心為120μm,遠(yuǎn)超啟動前的21μm。分析本次啟動過程中6號、7號軸承振動超標(biāo)的原因是低壓轉(zhuǎn)子在軸系中的臨界轉(zhuǎn)速值與單轉(zhuǎn)子的數(shù)值偏差過大,汽輪機(jī)啟動過程中低壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速真實(shí)值在設(shè)計的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)之外,升速率太低導(dǎo)致振動過大,過大的振動造成轉(zhuǎn)子與低壓缸等靜止部件的間隙消失產(chǎn)生碰磨,碰磨又加劇振動。

圖2 首次啟動過程中6、7號軸承振動趨勢

根據(jù)以上分析,采取如下措施。

(1)充分盤車,待低壓轉(zhuǎn)子偏心降至啟動前的數(shù)值。

(2)修改邏輯中的臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域設(shè)置,將低壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速區(qū)由1 200～1 500 r/min修改為1 000～1 500 r/min。

經(jīng)過約8 h盤車后,轉(zhuǎn)子偏心降至22μm,汽輪機(jī)再次沖車,順利升速至2 000 r/min,開始中速暖機(jī)。汽輪機(jī)升速至2 000 r/min時,1～7號軸承振動均在50μm以內(nèi)。

汽輪機(jī)中速暖機(jī)期間,3號、4號軸承振動隨暖機(jī)時間逐漸增大。分析認(rèn)為1 776 r/min為高中壓轉(zhuǎn)子的一階臨界轉(zhuǎn)速,暖機(jī)轉(zhuǎn)速接近高中壓轉(zhuǎn)子的一階臨界。為此將暖機(jī)轉(zhuǎn)速提升至2 200 r/min,3號、4號軸承振動恢復(fù)正常。

1.2 汽輪機(jī)定速后的振動

1.2.1 低壓缸膨脹受阻,6號、7號軸承超標(biāo)

汽輪機(jī)定速后,1-7號軸承振動均在76μm以內(nèi),但是運(yùn)行20 min后如圖3所示,6、7號軸承振動開始逐漸增大。

圖3 汽輪機(jī)定速后6、7號軸承振動趨勢

現(xiàn)場采取調(diào)整軸封供汽壓力、改變真空等措施,6、7號軸承振動仍快速上升,當(dāng)6X方向振動升至240μm汽輪機(jī)打閘。此后轉(zhuǎn)速再次升至定速,6、7號軸承的振動異常具有重復(fù)性,即定速20 min振動開始逐漸增大,快速升高至跳機(jī)值,與真空等參數(shù)無關(guān)。

通過現(xiàn)場振動測試發(fā)現(xiàn),6、7號軸承振動以工頻分量為主,含有較多的倍頻成分,如圖4所示,6號軸承時域波形有明顯的“削波”現(xiàn)象,軸心軌跡中多“毛刺”,判斷為動靜碰磨故障[1]。

圖4 6號軸承振動增大過程中軸心軌跡及時域波形

通過DCS運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),低壓缸脹差在汽輪機(jī)定速后快速增大,當(dāng)脹差達(dá)6.0 mm時6、7號軸承振動開始爬升,由于低壓缸膨脹未設(shè)計膨脹指示,尚無法確定振動與低壓缸膨脹是否有關(guān)。

檢查低壓缸的滑銷系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),低壓缸聯(lián)系螺栓與臺板間隙為0。按照要求,聯(lián)系螺栓為低壓缸與臺板之間的簡單約束,臺板與聯(lián)系螺栓之間應(yīng)有0.1 mm左右的間隙,以保證低壓缸受熱后順利膨脹。按設(shè)計要求重新調(diào)整間隙,汽輪機(jī)定速后振動正常。

1.2.2 4號軸承振動探頭支架共振

汽輪機(jī)定速后電氣試驗期間,4X、4Y方向軸承振動波動大,其中4X波動范圍為25～200μm,相鄰的3號、5號軸承振動無明顯變化,且4號軸瓦振動穩(wěn)定。判斷4號軸承振動存在虛假信號的干擾。通過4X、4Y方向軸承振動頻譜分析發(fā)現(xiàn),其主頻為102 Hz,認(rèn)為4號軸承可能存在振動傳感器支架共振。

停機(jī)后對4號軸承振動傳感器支架檢查,發(fā)現(xiàn)振動傳感器支架緊固螺栓松動。鎖緊緊固螺栓后機(jī)組再次啟動,4號軸承振動正常,未再出現(xiàn)振動波動現(xiàn)象。

2 汽輪機(jī)帶負(fù)荷過程中的振動

2.1 帶負(fù)荷過程中振動情況

機(jī)組并網(wǎng)后各軸承振動優(yōu)良,隨著運(yùn)行時間增長及負(fù)荷增加,5Y方向振動逐漸增大,最大增至230μm,而5X及6X、6Y方向振動基本無變化。5Y方向的振動有如下特點(diǎn)。

(1)振動隨時間緩慢增大。

(2)與負(fù)荷變化有一定的關(guān)系,但不明顯,當(dāng)負(fù)荷降低至90 MW時,振動值迅速回落。

(3)對潤滑油溫度變化敏感,如圖5所示,當(dāng)油溫降低時,振動迅速增大,反之則迅速回落。

圖5 5號軸承振動變化與負(fù)荷、潤滑油溫關(guān)系

(4)5號軸承左右兩側(cè)金屬溫度偏差較大,機(jī)組空負(fù)荷至滿負(fù)荷過程中軸承左右兩側(cè)金屬溫度偏差一直保持在8℃左右,其他7個軸承在各工況下兩側(cè)溫度基本相同。

(5)5Y方向振動始終以工頻分量為主,振動頻譜中未見明顯的低頻及高頻分量,見圖6;振動增大的過程中,5號軸承軸心位置逐漸向右上方移動,振動減小則向左下方移動,規(guī)律非常明顯,相鄰的4號、6號軸承軸心位置相對固定,見圖7(a)、(b);5號軸承軸心軌跡圖中,轉(zhuǎn)子在X方向的運(yùn)行范圍遠(yuǎn)大于Y方向,見圖8。

圖6 5Y方向振動頻譜

圖7 同一時間4-6號軸承振動與軸心位置的變化

圖8 5號軸承軸心軌跡

2.2 振動分析及處理

根據(jù)以上特征分析,振動故障診斷如下。

(1)汽輪機(jī)升速過程及定速后,汽輪機(jī)各軸承振動均在優(yōu)良范圍之內(nèi),可以排除軸承座標(biāo)高、軸系揚(yáng)度、對輪中心偏差超標(biāo)、軸系質(zhì)量不平衡以及軸承油膜渦動因素[2-3]。

(2)5Y方向振動增大過程中,時域波形中無“削波”現(xiàn)象,其軸心軌跡為一個光滑的橢圓,振動頻譜中無半頻分量,因此可以排除動靜碰磨和油膜渦動因素[4-5]。

(3)當(dāng)振動增大后,軸心軌跡和轉(zhuǎn)子位置在Y方向的運(yùn)動區(qū)域遠(yuǎn)大于X方向,說明軸承Y方向油膜剛度顯著降低,軸承振動隨剛度降低被放大[6-7]。

綜上所述,機(jī)組帶負(fù)荷后隨著負(fù)荷的升高,5號軸承在Y方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),Y方向軸承載荷隨之減小,軸瓦溫度降低,油膜剛度也隨之大幅降低,振動被放大。由于在機(jī)組空負(fù)荷至滿負(fù)荷過程中5號軸承左右兩側(cè)軸瓦溫度偏差一直穩(wěn)定,且無明顯的動靜碰磨,可以排除低壓缸膨脹造成的軸瓦翻轉(zhuǎn)[8],因此認(rèn)為5號軸瓦安裝存在問題。

通過對5號軸承解體檢查,發(fā)現(xiàn)5號軸承兩側(cè)緊力相差較大,Y方向軸瓦緊力遠(yuǎn)高于設(shè)計值,造成軸承在該方向偏轉(zhuǎn),該側(cè)的軸承剛度過低。按照設(shè)計值重新調(diào)整5號軸瓦緊力后,帶負(fù)荷過程中5號軸承左右兩側(cè)溫度基本相同,振動優(yōu)良。

3 結(jié)論

(1)該汽輪機(jī)低壓缸體積較大、剛度較差,6、7號軸承為座缸軸承,軸承剛度低,低壓轉(zhuǎn)子聯(lián)結(jié)成軸系后臨界轉(zhuǎn)速較單轉(zhuǎn)子時大幅下降,造成低壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速真實(shí)值嚴(yán)重偏離設(shè)計值,該故障可能為該型號機(jī)組的通病,希望邏輯設(shè)計廠家引起注意。

(2)汽輪機(jī)定速后6、7號軸承振動隨著低壓缸溫度的升高逐漸增大,主要原因是機(jī)組啟動前未認(rèn)真檢查臺板與聯(lián)系螺栓的間隙,致使低壓缸受熱后無法正常膨脹。

(3)汽輪機(jī)定速后4號軸承振動出現(xiàn)異常波動,由于4號軸瓦和相鄰軸承振動正常,可以判定為異常信號,同時在啟動過程中4號軸承振動正常,則可以判定該異常信號與轉(zhuǎn)速存在共振,可為該類故障的判定提供借鑒。

(4)受到SSS離合器嚙合的影響,5Y方向軸承載荷在機(jī)組帶負(fù)荷后會降低,容易發(fā)生油膜渦動故障,應(yīng)適當(dāng)減小5Y方向的軸承頂隙,以提高油膜剛度,而不是增大該方向的軸瓦緊力。