給水泵汽輪機振動大跳閘的原因分析

靳振歡，溫志梅，王海洋

1.中國能源建設集團華北電力試驗研究院有限公司，天津 300171

2.山東華宇工學院能源與建筑工程學院，山東 德州 253000

3.華潤電力（滄州運東）有限公司，河北 滄州 061000

電站輔機為電站設備的重要組成部分，是電站設備正常運行所必不可少的設備。如今隨著大容量高參數(shù)機組的迅速發(fā)展，輔機的單機容量也越來越大，解決輔機運行過程中出現(xiàn)的問題顯得尤為重要。給水泵汽輪機作為電廠的重要輔機，其運行的可靠性及穩(wěn)定性對電力生產(chǎn)的影響極大。近年來，隨著我國裝備制造技術(shù)的進步及節(jié)能減排要求的不斷提高，單臺全容量給水泵汽輪機普遍應用于發(fā)電廠，并成為新的發(fā)展趨勢。因汽動給水泵無備用設備，該設備的可靠運行要求進一步提高，對整個機組的安全運行起到了重要作用。因此，必須從設備制造、安裝、調(diào)試等各方面提高關(guān)注度，保證設備在運行期間保持安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

某發(fā)電廠機組容量為350MW，每臺機組配置單臺100%容量汽動給水泵，給水泵汽輪機是我國某廠生產(chǎn)的單軸-單缸-中低壓汽源內(nèi)切換-變速-獨立凝汽器、凝汽式汽輪機。給水系統(tǒng)采用單元制，設置1臺100%容量汽動給水泵，不設置除氧器，不設置汽動給水泵前置泵，不設電動啟動給水泵，給水直接由凝結(jié)水泵來水經(jīng)過低加、高加進入汽動給水泵。給水泵汽輪機單獨設置凝汽器，小機排汽向下進入獨立的凝汽器，汽輪機汽缸疏水直接疏往凝汽器。給水泵汽輪機額定轉(zhuǎn)速為5399r/min，一階臨界轉(zhuǎn)速為2265r/min，二階臨界轉(zhuǎn)速為9936r/min。

1號機組處于調(diào)試階段，機組準備做100%甩負荷試驗前，升負荷過程中，小機及給水泵軸振均突然增大，達到跳閘值，汽泵跳閘，聯(lián)跳機組。由于該廠設計是單臺汽動給水泵為鍋爐提供給水，汽動給水泵無法正常運行時，會導致整個發(fā)電機組停運，造成巨大的經(jīng)濟損失，可見單臺汽動給水泵的可靠穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

1 跳閘事件概況

1號機組準備做100%甩負荷試驗，開始升負荷。18：09負荷升至281MW，汽泵隨著機組負荷上升而對應增加出力，在加大流量的過程中，當小機的轉(zhuǎn)速升至4300r/min時，小機及給水泵前后軸承振動均在1s內(nèi)突升，小機自由端軸承X、Y向振動由14um、4.7um突升至173um、141um，汽泵振動大跳閘，引起鍋爐主燃料跳閘（MFT），導致汽輪機跳閘。

考慮到突變前運行參數(shù)均正常，首先檢查是否為熱工信號導致誤動，由于之前發(fā)生過此類事件，膠球泵的動力電纜鋪設在小機軸振等保護信號線槽內(nèi)，啟動膠球泵清洗凝汽器時，導致小機振動大跳閘。然而，在小機跳閘時，沒有相關(guān)啟停設備操作，熱工信號誤動可能性較小。因此，初步推斷是葉片折斷、圍帶或平衡塊掉落等原因，引起小機動不平衡[1]。

2 跳閘原因

架設測試設備：小機安裝了相對軸振傳感器，MTSI監(jiān)測裝置采用BENTLY公司的3500系統(tǒng)，測試時用BENTLY公司的DAIU-408P數(shù)據(jù)采集分析儀從TSI監(jiān)測裝置接入相對軸振輸出信號，對機組進行振動監(jiān)測分析。測量采用BENTLY公司生產(chǎn)的DAIU-408P數(shù)據(jù)采集分析儀，測量經(jīng)過國家計量局認可的計量單位的標定，符合國家有關(guān)規(guī)定。

經(jīng)各參建方研究決定，再次對小機進行沖車，架設測振設備，根據(jù)振動特性進一步確定跳閘原因。調(diào)整沖轉(zhuǎn)參數(shù)至廠家規(guī)定范圍內(nèi)，小機掛閘，目標轉(zhuǎn)速為600r/min，隨著轉(zhuǎn)速的上升，小機各軸振逐漸升高，升至600r/min時暖機，發(fā)現(xiàn)振動穩(wěn)定。然后再次升速，隨著轉(zhuǎn)速的升高，小機各軸振上升趨勢明顯。根據(jù)沖車曲線判斷，跳閘大概率是由小機動不平衡引起的。

查看測振設備的伯德圖，可確定小機軸振是動不平衡引起的，驗證了初步判斷結(jié)論的正確性，事故是由葉片折斷、圍帶或平衡塊掉落等原因引起的小機軸振大保護動作跳機。

伯德圖是表示振動幅值、相位與轉(zhuǎn)速之間變化關(guān)系的圖形。圖形分為上下兩部分，下半部分是振幅-轉(zhuǎn)速曲線，又被稱為幅頻特性，縱坐標是振幅峰值；上半部分是相位-轉(zhuǎn)速，又被稱為相頻特性，縱坐標是相位；橫坐標均為轉(zhuǎn)速。振幅-轉(zhuǎn)速曲線是雙線，一根是通頻振幅，另一根是倍頻振幅，常用的是一倍頻振幅；相位-轉(zhuǎn)速曲線是單線，表示n倍頻振動相位。通頻振幅和小機軸振振幅隨轉(zhuǎn)速的升高而升高，且相位變化較小，該典型的圖譜進一步驗證了轉(zhuǎn)子動不平衡引起的振動[2-3]。

對小機進行揭缸查看，待小機達到停止盤車條件，停盤車及小機潤滑油系統(tǒng)，對小機進行揭缸處理。揭缸后的轉(zhuǎn)子情況如圖1所示。從圖1可以看出，小機第三級轉(zhuǎn)子葉片折斷脫落，同級其余葉片外觀未見擦傷，建議更換葉片，且對全部葉片進行探傷。第三級轉(zhuǎn)子及折斷葉片如圖2所示。

圖1 揭缸后的轉(zhuǎn)子情況

圖2 第三級轉(zhuǎn)子及折斷葉片

經(jīng)過分析研究可知，小機廠家判斷是葉片在生產(chǎn)過程中葉片片根部存在內(nèi)傷，導致該葉片在運行時葉片根部受力大，負荷越大受力越大，在根部產(chǎn)生裂紋從而導致葉片折斷。由廠家更換新生產(chǎn)的葉片，更換后的第三級葉片如圖3所示。

圖3 更換后的第三級葉片

小機轉(zhuǎn)子回裝后，再次對小機進行沖車。2019年11月7日進行小機沖轉(zhuǎn)，4：16達到?jīng)_轉(zhuǎn)參數(shù)，即汽壓0.63MPa，汽溫180.2℃，真空-84.4kPa，盤車94.4r/min。4：20小機掛閘，開主汽門，暖至調(diào)門前。4：40調(diào)門暖充分后遠方打閘。4：42對小機重新掛閘，此時沖轉(zhuǎn)參數(shù)為汽壓0.60MPa，汽溫190.8℃，真空-91.1kPa，小機前列級溫度為50.3℃。4：46開始沖轉(zhuǎn)，在MEH畫面點擊“控制設定值”按鈕，在設定值框內(nèi)設定目標值為600r/min，升速率為300r/min2,點擊“確定”按鈕，開啟低壓調(diào)節(jié)閥，轉(zhuǎn)速上升。在轉(zhuǎn)速升至600r/min時，MEH能自動“Hold”，在此轉(zhuǎn)速下暖機15min。4：49沖至600r/min，暖機15min。5：05繼續(xù)對小機升速，升速率設置為300r/min2，目標設置為1800r/min。5：11小機轉(zhuǎn)速升至1800r/min，暖機20min，各項參數(shù)均正常。5：34開始升速，目標轉(zhuǎn)速為3000r/min，升速率為300r/min2。5：38轉(zhuǎn)速升至3000r/min，各項參數(shù)正常。5：47對小機升速，目標轉(zhuǎn)速設置為5000r/min，升速率設置為300r/min2。5：53小機轉(zhuǎn)速升至5000r/min。在小機升速至5000r/min的過程中，最大軸振為38μm，運行平穩(wěn)，各項參數(shù)均正常。在小機超速運行的過程中，小機的最大軸振為41μm，各項指標均正常。經(jīng)過處理，消除動不平衡影響后，對小機的運行狀態(tài)進行檢測，各項運行參數(shù)良好。

3 振動預防

設備振動無法避免，但在允許范圍內(nèi)運行，對設備無損害是可接受的。在設備運行過程中對設備的振動預防不可或缺，應從以下方面防止汽輪機振動。

（1）加強設備制造監(jiān)管，督促制造廠嚴格控制葉片制造裝配工藝，對葉片的制造裝配做嚴格檢驗，消除可能存在的隱患。

（2）在安裝和調(diào)試期間應對轉(zhuǎn)子在制造廠的檢驗情況、動平衡情況、殘余不平衡大小做到心中有數(shù)。安裝時嚴格控制安裝工藝，嚴格按照制造廠要求調(diào)整標高和對中工作。

（3）調(diào)整好沖轉(zhuǎn)參數(shù)，潤滑油對轉(zhuǎn)子有潤滑和冷卻作用，而潤滑油溫對油膜厚度有直接影響，油溫越高油膜越薄，油溫越低油膜越厚，因此調(diào)整好潤滑油溫可降低機組振動。

（4）汽機沖轉(zhuǎn)時，選擇合適的沖轉(zhuǎn)參數(shù)使汽機熱應力減小。啟動前應充分暖管，保證蒸汽有56℃以上的過熱度。

（5）在汽機啟動過程中對于振動問題應高度重視，不得硬闖臨界或盲目加負荷，不得降速暖機，查明原因后放方可確定，適當調(diào)整啟動過程。

（6）在汽機啟動過程中注意檢查機組有無動靜摩擦，在暖機過程中檢查汽缸各膨脹是否充分、均勻，滑銷系統(tǒng)有無卡澀，暖機時間應充分。

4 結(jié)束語

單元制機組配備單臺100%容量的汽泵，這對于機組安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。文章通過對跳閘事件進行分析，總結(jié)了小機此種形式的軸振大跳閘曲線和沖車過程曲線，可以優(yōu)先判斷葉片折斷、拉筋、圍帶或平衡塊掉落等原因引起的跳閘事故，為后續(xù)調(diào)試機組的相關(guān)工作積累了經(jīng)驗。