機(jī)組啟動(dòng)過程振動(dòng)故障診斷與消除

馬綠洲，周 濤，王建飛，孫永軍，孫 鵬

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.華能聊城熱電有限公司，山東 聊城 252041；3.華電淄博熱電有限公司，山東 淄博 255054；4.華能德州電廠，山東 德州 253024；5.華能威海電廠，山東 威海 264205）

0 引言

汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障涉及的原因較多，現(xiàn)場(chǎng)診斷工作較為復(fù)雜，通常要從多個(gè)方面進(jìn)行分析。首先軸系結(jié)構(gòu)，軸承類型，振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域特征和頻域特征等，都是分析振動(dòng)原因的重要參考數(shù)據(jù)。其次要確認(rèn)異常振動(dòng)具體發(fā)生在啟動(dòng)、空載，帶負(fù)荷期間的運(yùn)行階段，以及振動(dòng)發(fā)生之前機(jī)組的檢修工作等，將其作為分析振動(dòng)原因的重要依據(jù)［1-2］。

某300 MW 雙抽雙調(diào)整抽凝式供熱機(jī)組，為高中壓分缸，旋轉(zhuǎn)隔板用于供工業(yè)用汽，在中低壓缸聯(lián)通管上設(shè)置調(diào)整蝶閥用于供采暖用汽。該機(jī)組大修后的冷態(tài)啟動(dòng)過程中，中壓轉(zhuǎn)子兩端軸承的軸振嚴(yán)重超標(biāo)，多次觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)導(dǎo)致跳機(jī)，影響機(jī)組投入正常運(yùn)行，必須立即進(jìn)行分析處理，消除異常振動(dòng)。本文通過對(duì)機(jī)組異常振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面診斷分析［3-4］，結(jié)合機(jī)組檢修數(shù)據(jù)的分析，找出異常振動(dòng)的原因；然后運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)高速動(dòng)平衡試驗(yàn)減小轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，并且采取適合該機(jī)組的運(yùn)行控制方式避免動(dòng)靜碰磨，最終消除異常振動(dòng)故障，使機(jī)組順利投入安全運(yùn)行。本文所采取的分析方法和振動(dòng)處理措施，對(duì)于解決同類型機(jī)組異常振動(dòng)問題具有一定的借鑒意義。

1 機(jī)組啟動(dòng)階段振動(dòng)特征

該機(jī)組共有8個(gè)支持軸承，其中1～6號(hào)為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸承，7～8 號(hào)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承，軸系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。汽輪機(jī)臨界轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)值為：高壓轉(zhuǎn)子一階1 500 r/min，中壓轉(zhuǎn)子一階1 550 r/min，低壓轉(zhuǎn)子一階1 650 r/min。

圖1 機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)

該機(jī)組在大修后的首次冷態(tài)啟動(dòng)中，在1 600～1 800 r/min臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域附近時(shí)，中壓轉(zhuǎn)子3號(hào)、4號(hào)軸承軸振嚴(yán)重超標(biāo)（報(bào)警值127 μm，跳機(jī)值254 μm），導(dǎo)致開機(jī)困難。每次均需在低速下充分暖機(jī)，多次啟動(dòng)、打閘后，再進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間盤車，直到汽輪機(jī)熱膨脹至12.5 mm時(shí)方能成功沖轉(zhuǎn)到3 000 r/min，給機(jī)組正常運(yùn)行帶來極大困擾。下面以某次啟動(dòng)過程為例簡(jiǎn)述說明。

首次沖轉(zhuǎn)前運(yùn)行參數(shù)主汽壓力4.89 MPa，主汽溫330 ℃，真空-95.6 kPa。轉(zhuǎn)速1 302 r/min 時(shí)，2X 軸振162 μm；轉(zhuǎn)速1 784 r/min時(shí)，3X軸振達(dá)343 μm（軸振保護(hù)跳機(jī)值臨時(shí)修改為350 μm），4X 軸振274 μm，4號(hào)軸承座振動(dòng)200 μm；轉(zhuǎn)速升至2 964 r/min 時(shí)，3X軸振30 5μm，3Y軸振246 μm，2X軸振188 μm，2Y軸振最大值為169 μm；手動(dòng)打閘后轉(zhuǎn)速降至1 729 r/min時(shí)，3X軸振406 μm，3Y軸振176 μm，4X軸振44 6μm，4Y軸振256 μm。

第2 次沖轉(zhuǎn)時(shí)稍微開啟真空破壞門，降低真空至87 kPa。升速到600 r/min 準(zhǔn)備暖機(jī)，因振動(dòng)持續(xù)增大觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)導(dǎo)致跳機(jī)。隨即投入盤車裝置運(yùn)行4 h。

第3次沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1 100 r/min時(shí)，暖機(jī)20 min不投高加。轉(zhuǎn)速1 719 r/min 時(shí)3X 軸振491 μm，3Y 軸振221 μm，4X 軸振427μm，4Y 軸振184 μm，因觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)再次跳機(jī)。

第4次沖轉(zhuǎn)前把2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)軸振保護(hù)定值臨時(shí)修改為450 μm。轉(zhuǎn)速1 798 r/min時(shí)，3X軸振396 μm，3Y 軸振216 μm，4X 軸振356 μm，4Y 軸振161 μm。因轉(zhuǎn)速給定值與實(shí)際偏差大引發(fā)保護(hù)動(dòng)作（臨時(shí)把轉(zhuǎn)速偏差大跳機(jī)保護(hù)定值從500 r/min 放大至1 500 r/min，第5次沖轉(zhuǎn)后重新改回原保護(hù)定值）。

第5次沖轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1 581 r/min時(shí)，3X軸振479 μm，3Y軸振259 μm，4X軸振435 μm，4Y軸振241 μm，觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)跳機(jī)。投入盤車4 h 以上，待轉(zhuǎn)子偏心恢復(fù)再?zèng)_轉(zhuǎn)。

第6 次沖轉(zhuǎn)前運(yùn)行參數(shù)主汽壓5.2 MPa，真空-87 kPa。轉(zhuǎn)速1 802 r/min 時(shí)，3X 軸振為345 μm，3Y軸振185 μm，4X軸振302 μm，4Y軸振145 μm；轉(zhuǎn)速升至2 700 r/min 時(shí)開始高速暖機(jī)。高壓上缸溫度238 ℃，高壓下缸溫度238 ℃，中壓上缸溫度111 ℃、中壓下缸溫度102 ℃，3X軸振96 μm，3Y軸振106 μm，4X 軸振87 μm，4Y 軸振101 μm，4 號(hào)軸承座振動(dòng)49 μm。高速暖機(jī)60 min 后，上述各振動(dòng)值均保持穩(wěn)定，汽輪機(jī)隨即升速至全速3 000 r/min。

從上述機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過程可以看出，因2 號(hào)、3號(hào)、4號(hào)軸承軸振嚴(yán)重超標(biāo)，啟動(dòng)中多次停機(jī)、多次暖機(jī)才能沖轉(zhuǎn)到3 000 r/min，軸系振動(dòng)問題嚴(yán)重影響了機(jī)組的正常運(yùn)行。

2 異常振動(dòng)原因分析

通過分析機(jī)組發(fā)生異常振動(dòng)時(shí)的頻譜特征，確定振動(dòng)增大時(shí)的主要頻率成分為一倍頻，結(jié)合轉(zhuǎn)子升降速過程的振動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組中壓轉(zhuǎn)子在一階臨界轉(zhuǎn)速附近軸振動(dòng)超標(biāo)主要有以下幾個(gè)方面的原因。

1）中壓轉(zhuǎn)子存在較大的原始一階質(zhì)量不平衡。當(dāng)轉(zhuǎn)子上一階質(zhì)量不平衡較大時(shí)，機(jī)組每次啟停在一階臨界轉(zhuǎn)速下都會(huì)產(chǎn)生顯著振動(dòng)，這種不平衡的量值和方向均是穩(wěn)定的，可通過中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)來減?。?］。

2）中壓轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)時(shí)存在較大熱彎曲。機(jī)組沖轉(zhuǎn)過程中由于汽缸上下缸溫差以及轉(zhuǎn)子發(fā)生局部碰磨，都會(huì)使轉(zhuǎn)子因溫差產(chǎn)生熱彎曲。如果下次沖轉(zhuǎn)前熱彎曲仍未消失，就會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的不平衡從而引起振動(dòng)，并且在轉(zhuǎn)子第一臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域振動(dòng)更為強(qiáng)烈。沖轉(zhuǎn)前轉(zhuǎn)子的熱彎曲數(shù)值可以通過偏心值推斷，但由于該機(jī)組大軸彎曲傳感器并非直接安裝在中壓轉(zhuǎn)子上，即使中壓轉(zhuǎn)子存在較顯著的熱彎曲，偏心指示值也無直接的反映，僅通過偏心值無法準(zhǔn)確判斷熱彎曲是否已經(jīng)完全恢復(fù)。因此應(yīng)檢查確認(rèn)機(jī)組沖轉(zhuǎn)前進(jìn)行了哪些運(yùn)行操作和檢修工作，如果沖轉(zhuǎn)前停過盤車，則應(yīng)至少再投入連續(xù)盤車4 h 以上，進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)子上殘留熱彎曲量值［6］。

3）中壓轉(zhuǎn)子沖轉(zhuǎn)過程中發(fā)生了動(dòng)靜碰磨。該機(jī)組大修期間中壓軸封改造為刷式汽封，中壓轉(zhuǎn)子相應(yīng)位置的原始動(dòng)靜間隙變小。在機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)如果中壓缸膨脹不均勻，會(huì)使汽缸與轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜間隙進(jìn)一步減小。由于中壓轉(zhuǎn)子的原始質(zhì)量不平衡以及熱彎曲引起的振動(dòng)位移較大，就更容易發(fā)生動(dòng)靜碰磨，從而使轉(zhuǎn)子振動(dòng)進(jìn)一步增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域附近時(shí)發(fā)生共振放大，碰磨程度加重導(dǎo)致振動(dòng)進(jìn)一步發(fā)散［7-8］。

3 中壓轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)

該機(jī)組中壓轉(zhuǎn)子過臨界振動(dòng)超標(biāo)的一個(gè)重要原因是中壓轉(zhuǎn)子存在較大的原始一階質(zhì)量不平衡，因此首先進(jìn)行中壓轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)。

根據(jù)柔性轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡理論進(jìn)行分析計(jì)算，確定了在中壓轉(zhuǎn)子兩端進(jìn)行同相位配重的動(dòng)平衡試驗(yàn)方案［9］。本機(jī)組傳感器的安裝位置為：從汽輪機(jī)向發(fā)電機(jī)方向看，左側(cè)45°為X方向振動(dòng)傳感器及鍵相傳感器，右側(cè)45°為Y方向振動(dòng)傳感器。動(dòng)平衡配重平面選取中壓轉(zhuǎn)子兩端葉輪平衡槽，動(dòng)平衡配重矢量為中壓轉(zhuǎn)子汽端（3 號(hào)軸承側(cè)）380 g∠110°；中壓轉(zhuǎn)子勵(lì)端（4號(hào)軸承側(cè)）380 g∠110°。

動(dòng)平衡試驗(yàn)前首先根據(jù)制造廠說明書的相關(guān)技術(shù)要求，準(zhǔn)備中壓轉(zhuǎn)子配重平衡塊以及加裝轉(zhuǎn)子平衡塊的專用工具。動(dòng)平衡試驗(yàn)步驟及安全注意事項(xiàng)如下。

1）關(guān)閉與汽輪機(jī)本體連接的所有管道疏水閥門，確認(rèn)高、中壓內(nèi)缸上下溫差在40 ℃以內(nèi)。

2）停盤車時(shí)保持潤(rùn)滑油泵和頂軸油泵運(yùn)行。

3）高壓上內(nèi)缸溫度320 ℃以下時(shí)，方可允許停盤車，停盤車前記錄大軸偏心值。

4）打開前箱人孔蓋后再停盤車，確認(rèn)鍵向槽位置，并確認(rèn)中壓轉(zhuǎn)子平衡塊加裝角度和位置。

5）停止盤車運(yùn)行后在轉(zhuǎn)子上做好停運(yùn)盤車標(biāo)記。

6）在中壓轉(zhuǎn)子兩端施加平衡重量，控制停盤車時(shí)間不超60 min。工作結(jié)束后，根據(jù)停運(yùn)盤車標(biāo)記盤動(dòng)轉(zhuǎn)子180°校直轉(zhuǎn)子，時(shí)間控制與停運(yùn)盤車時(shí)間一致，然后投入盤車連續(xù)運(yùn)行4 h 以上，待大軸偏心恢復(fù)原始值方可啟動(dòng)機(jī)組。

7）當(dāng)盤車因故障不能運(yùn)行時(shí)，須手動(dòng)進(jìn)行盤車，同時(shí)保持油系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。

Y1的模型回歸方程為：Y1=-21405.4+2460.99x1+1021.11x2+227.592x3-193.636x12-7.40594x22-0.868309x32-157.577x1x2+5.18425x1x3-3.37819x2x3。

8）當(dāng)盤車電機(jī)重新啟動(dòng)，如果過電流、汽缸上下溫差超過規(guī)定或聽到明顯金屬摩擦聲應(yīng)停止連續(xù)盤車，改為定期盤車。盤轉(zhuǎn)180°校直轉(zhuǎn)子，當(dāng)轉(zhuǎn)子撓度值正常后，且上下溫差小于50 ℃時(shí)再投入連續(xù)盤車。

4 避免動(dòng)靜碰磨的運(yùn)行方式

由于汽輪機(jī)刷式汽封改造后動(dòng)靜間隙變小，冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)因中壓缸膨脹不充分引起中心變化，容易造成中壓轉(zhuǎn)子與汽封發(fā)生碰磨引起嚴(yán)重振動(dòng)［10］。進(jìn)一步分析啟動(dòng)過程，第1 次冷態(tài)啟動(dòng)機(jī)組曾經(jīng)升速至2 964 r/min，第6 次升速前經(jīng)過7 個(gè)多小時(shí)的盤車，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速安全到達(dá)了2 700 r/min。進(jìn)行了1 h高速暖機(jī)后，中壓缸大量進(jìn)汽，缸溫溫升較好，中壓上缸能夠達(dá)到280 ℃以上，中壓缸上下缸溫差很小，2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)軸振由報(bào)警逐步下降至85 μm 以下?；谏鲜龇治?，為避免升速過程中因動(dòng)靜碰磨觸發(fā)振動(dòng)保護(hù)跳機(jī)，使機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)順利沖轉(zhuǎn)至2 700 r/min進(jìn)行高速暖機(jī)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)冷態(tài)一次啟動(dòng)成功，特制定如下機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)方案。

1）啟動(dòng)前鍋爐汽包壓力達(dá)至1 MPa 時(shí)，對(duì)鍋爐進(jìn)行全面檢查，避免空氣門、各個(gè)應(yīng)關(guān)閉的疏水被遺漏，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子偏心恢復(fù)正常值并且投入連續(xù)盤車至少4 h以上。

2）沖轉(zhuǎn)前將2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)軸振的振動(dòng)保護(hù)定值暫改為360 μm 延時(shí)5 s，臨界轉(zhuǎn)速區(qū)設(shè)置為（650～950 r/min、1200～2 600 r/min），過臨界升速率設(shè)置為400 r/min。

3）啟動(dòng)前參數(shù)要求主汽壓4.5～5.0 MPa，主汽溫330～350 ℃，真空-88～-90 kPa，升速率100 r/min。

4）高低加的投入。機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)暫不投入高壓、低壓加熱器系統(tǒng)。直至啟動(dòng)到工作轉(zhuǎn)速3 000 r/min，軸系振動(dòng)穩(wěn)定在報(bào)警值以下時(shí)再逐步投入。

5）汽輪機(jī)排汽溫度及凝汽器真空。升速前通過全開真空試驗(yàn)閥，手動(dòng)開啟真空破壞電動(dòng)閥開度在18%～25%之間，將真空控制在-87 kPa。當(dāng)沖轉(zhuǎn)至定速2 700 r/min 暖機(jī)1 h 期間，必須注意汽輪機(jī)排汽溫度的增長(zhǎng)，需用調(diào)整真空破壞電動(dòng)閥的手段來控制排汽溫度最高不高于70 ℃。要嚴(yán)格執(zhí)行排汽溫度達(dá)80 ℃報(bào)警，且低壓缸噴水減溫自動(dòng)開啟，并工作正常。排汽溫度達(dá)121℃時(shí)不得連續(xù)運(yùn)行超過15 min，如果采取措施無效應(yīng)立即打閘停機(jī)。可考慮將真空值控制在-88～-92 kPa區(qū)間進(jìn)行暖機(jī)。

6）暖機(jī)后升速到工作轉(zhuǎn)速期間的注意事項(xiàng)。當(dāng)汽輪機(jī)在2 700 r/min 高速暖機(jī)1 h 后，中壓缸上缸應(yīng)達(dá)到280 ℃以上，中壓缸上下溫差不得超標(biāo)，2 號(hào)、3號(hào)、4 號(hào)軸振由報(bào)警值以上逐步下降至85 μm 以下。檢查排汽溫度應(yīng)低于60 ℃，關(guān)小甚至關(guān)閉真空破壞電動(dòng)閥及真空試驗(yàn)門，然后再進(jìn)行升速。升速過程中應(yīng)密切關(guān)注高壓主汽門、高壓調(diào)門、中壓調(diào)門的閥門指令與實(shí)際值的偏差，若發(fā)現(xiàn)偏差較大應(yīng)及時(shí)提高真空值或提高沖轉(zhuǎn)參數(shù)，降低或者消除偏差，防止因偏差大保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。轉(zhuǎn)速達(dá)到2 950 r/min 后進(jìn)行閥切換，升至3 000 r/min 全面檢查無異常后，應(yīng)及時(shí)調(diào)整高、低加水位投入自動(dòng)運(yùn)行。

5 振動(dòng)處理效果

表1 處理后機(jī)組啟動(dòng)相關(guān)振動(dòng)數(shù)據(jù)

中壓轉(zhuǎn)子3X、4X軸振的升速曲線（伯德圖）如圖2、圖3所示。機(jī)組做完電氣試驗(yàn)后順利并網(wǎng)，帶滿負(fù)荷300 MW時(shí)各軸振動(dòng)值均達(dá)到76 μm之內(nèi)的優(yōu)秀水平。

圖2 中壓轉(zhuǎn)子3X軸振伯德圖

圖3 中壓轉(zhuǎn)子4X軸振伯德圖

6 結(jié)語

以300 MW 機(jī)組發(fā)生異常振動(dòng)后的分析處理過程為例，探討了大型汽輪機(jī)在大修后冷態(tài)啟動(dòng)中因振動(dòng)超標(biāo)造成的啟動(dòng)困難現(xiàn)象及診斷處理方法。本文的試驗(yàn)研究表明，可以通過現(xiàn)場(chǎng)高動(dòng)平衡試驗(yàn)與合理的運(yùn)行控制方式相結(jié)合的方法消除機(jī)組異常振動(dòng)，對(duì)同類型異常振動(dòng)故障的診斷處理具有借鑒意義。