一起供熱背壓機(jī)組轉(zhuǎn)子彎曲事故的分析與處理

蔡文方，匡萃杰，喬紅寶，錢林鋒，蒲澤敏，李衛(wèi)軍

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310012；3.新疆生產(chǎn)兵團(tuán)紅星發(fā)電有限公司，新疆 哈密 839000）

0 引言

隨著電力安全生產(chǎn)管理水平的提高、設(shè)備制造工藝及安裝水平的提升，燃煤電廠汽輪發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)飛車、軸系斷裂等重大惡性事故的發(fā)生已少見，但在新機(jī)組調(diào)試期間動(dòng)靜部件碰磨的現(xiàn)象卻屢見不鮮。究其原因，一方面機(jī)組為了追求更高的機(jī)組效率，動(dòng)靜間隙設(shè)計(jì)安裝越發(fā)減小，增加了碰磨概率；另一方面，調(diào)試期間對(duì)機(jī)組參數(shù)的控制不準(zhǔn)，操作不嚴(yán)格也增加了調(diào)試機(jī)組汽缸進(jìn)冷汽/冷水的概率［1-4］，一旦控制不當(dāng)，將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的動(dòng)靜碰磨故障，甚至造成轉(zhuǎn)子塑性變形。本文介紹一起抽汽背壓機(jī)組在調(diào)試期間發(fā)生嚴(yán)重碰磨故障而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子嚴(yán)重彎曲的事故，事故原因涉及制造、運(yùn)行等方面。

1 故障概況

某發(fā)電廠6 號(hào)汽輪發(fā)電機(jī)組為額定功率53 MW 的抽氣背壓式供熱機(jī)組，1 號(hào)、2 號(hào)為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸承，3 號(hào)、4 號(hào)為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承，軸承型式均為φ320 mm可傾瓦，汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)采用剛性聯(lián)軸器連接，額定抽汽量50 t/h。機(jī)組于2018年2月28日10：25進(jìn)行首次沖轉(zhuǎn)，沖轉(zhuǎn)參數(shù)為：蒸汽溫度440 ℃，蒸汽壓力4.2 MPa。

10：30 轉(zhuǎn)速至500 r/min 進(jìn)行打閘磨檢，其間各參數(shù)正常，現(xiàn)場(chǎng)檢查未發(fā)現(xiàn)異常；10：42汽輪機(jī)重新掛閘沖轉(zhuǎn)至750 r/min；11：05 轉(zhuǎn)速升至2 500 r/min 進(jìn)行暖機(jī)；12：30 汽輪機(jī)定速3 000 r/min，過程中各轉(zhuǎn)速階段振動(dòng)良好。

13：10—14：13 汽輪機(jī)進(jìn)行調(diào)閥及速關(guān)閥嚴(yán)密性試驗(yàn)，機(jī)組2 次惰走至轉(zhuǎn)速500 r/min 的時(shí)間均為約15 min，各參數(shù)穩(wěn)定。14：51開始進(jìn)行電氣短路試驗(yàn)，期間各瓦未發(fā)生振動(dòng)異常。

15：38汽輪機(jī)2號(hào)瓦振動(dòng)出現(xiàn)快速上升，同時(shí)發(fā)出降轉(zhuǎn)速指令，并通知就地巡檢對(duì)2號(hào)瓦處進(jìn)行檢查。在降低汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速過程中，由于振動(dòng)值快速上升，于15：43 汽輪機(jī)2 號(hào)瓦振動(dòng)上升至141 μm，汽輪機(jī)跳閘保護(hù)動(dòng)作，在此期間膨脹和脹差無任何突變現(xiàn)象（在跳機(jī)前，汽輪機(jī)脹差已經(jīng)從最高6.3 mm 緩慢降至5.8 mm，在允許范圍即小于7 mm）。機(jī)組惰走時(shí)間明顯縮短，投盤車后偏心200 μm，達(dá)到滿量程。

2 分析與診斷

2.1 振動(dòng)數(shù)據(jù)分析

跳機(jī)后，機(jī)組轉(zhuǎn)速降至2 000 r/min以下時(shí)，1號(hào)瓦振動(dòng)開始快速爬升，從30.5 μm爬升到停機(jī)前的288 μm。與此同時(shí)，2 號(hào)瓦振動(dòng)則由170 μm 開始下降，停機(jī)前振動(dòng)僅20 μm 左右，且兩瓦振動(dòng)相位發(fā)生大幅變化。降轉(zhuǎn)速時(shí)1X振動(dòng)bode圖如圖1所示，上缸及下缸溫度、缸脹、脹差等數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 停機(jī)時(shí)機(jī)組各主要參數(shù)

圖1 1X停機(jī)bode圖

定速3 000 r/min、嚴(yán)密性試驗(yàn)及跳機(jī)前，脹差、膨脹、上缸及下缸溫等數(shù)據(jù)均無明顯異常，在跳機(jī)之前各瓦溫度平穩(wěn)。跳機(jī)后，汽機(jī)惰走時(shí)間約為8 min（降至500 r/min 約7 min），惰走曲線斜率異常陡峭，對(duì)比閥門嚴(yán)密性試驗(yàn)，惰走時(shí)間明顯偏短。機(jī)組跳機(jī)后惰走曲線如圖2所示。

圖2 機(jī)組跳機(jī)后惰走曲線

該機(jī)組為背壓機(jī)組，缸內(nèi)正壓，軸封汽靠缸內(nèi)漏氣供給，啟機(jī)后將軸封回汽至軸加的手動(dòng)門全開（5號(hào)機(jī)組啟機(jī)時(shí)僅開3圈），運(yùn)行期間，軸封對(duì)空排汽閥無蒸汽外漏。機(jī)組停機(jī)后，軸封對(duì)空排汽閥有大量蒸汽冒出，持續(xù)數(shù)小時(shí)，期間系統(tǒng)已隔離，此為異?，F(xiàn)象。

在就地盤車投入后，開始3 圈能聽到明顯異音，第4 圈后異音消失。盤車控制柜電流顯示為2.4 A，用鉗形表實(shí)際測(cè)得為2.8 A，并定時(shí)對(duì)電流進(jìn)行監(jiān)視，在整個(gè)盤車過程中，電流保持穩(wěn)定。機(jī)組在16：37 偏心從滿量程200 μm 降至105 μm，隨后17：53 又緩慢上升至200 μm，之后偏心一直滿量程，如圖3所示。對(duì)偏心信號(hào)進(jìn)行檢查，確定信號(hào)正常。

圖3 機(jī)組盤車時(shí)偏心變化趨勢(shì)

從機(jī)組發(fā)生故障到停機(jī)的過程，可以判斷：汽機(jī)內(nèi)部發(fā)生較為嚴(yán)重的動(dòng)靜碰摩故障；偏心久盤不降，轉(zhuǎn)子已經(jīng)發(fā)生塑性變形。

2.2 開缸檢查

在機(jī)組溫度滿足開缸條件后，3月5日開始停盤車，打開前軸承箱前部端蓋，在轉(zhuǎn)子頭部架百分表，手動(dòng)盤車360°，測(cè)得轉(zhuǎn)子頭部外圓跳動(dòng)達(dá)到250 μm。3月8日，打開汽缸上蓋，打開各級(jí)持環(huán)、高壓內(nèi)缸、前后汽封，明顯看到轉(zhuǎn)子及持環(huán)多處發(fā)藍(lán)。吊出各級(jí)持環(huán)后，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子各級(jí)葉輪與內(nèi)缸及持環(huán)動(dòng)靜碰磨嚴(yán)重。特別是在前汽封和平衡活塞這2個(gè)位置，前汽封、高壓內(nèi)缸上部、前四級(jí)持環(huán)上部均發(fā)現(xiàn)有大面積碰磨痕跡，如圖4—6所示，汽缸內(nèi)部有大量金屬碎末，末級(jí)持環(huán)及后汽封未見明顯碰磨。上部缸體全部拆除完成之后，現(xiàn)場(chǎng)在轉(zhuǎn)子軸頭、推力瓦、1號(hào)瓦、前油檔、中間汽封、中壓持環(huán)、后汽封、2 號(hào)瓦等處架百分表，發(fā)現(xiàn)前汽封處的外圓跳動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)。

圖4 1號(hào)瓦軸封磨損情況

2.3 返廠檢測(cè)

3月9日，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子返廠對(duì)轉(zhuǎn)子彎曲情況進(jìn)行檢查。在轉(zhuǎn)子完全冷卻的狀態(tài)下，沿轉(zhuǎn)子全長(zhǎng)選出13 個(gè)截面作為測(cè)量位置，每個(gè)截面沿圓周方向等分成8 等份，如圖7、圖8 所示，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子至每一等份時(shí)記錄一次百分表讀數(shù)，計(jì)算出各百分表在相對(duì)180°兩點(diǎn)的讀數(shù)，得出轉(zhuǎn)子晃動(dòng)值，如表2 所示。轉(zhuǎn)子沿軸向晃動(dòng)最大部位在平衡活塞處，為0.24 mm。以軸中心為橫坐標(biāo)得到轉(zhuǎn)子的彎曲情況，如圖9所示。

表2 轉(zhuǎn)子徑向振擺偏差值

圖5 中壓持環(huán)磨損情況

圖6 平衡活塞磨損情況

圖7 轉(zhuǎn)子晃動(dòng)值測(cè)量斷面

圖8 轉(zhuǎn)子振擺測(cè)量部位示意

圖9 轉(zhuǎn)子彎曲度

3 原因分析

振動(dòng)及偏心數(shù)據(jù)顯示機(jī)組發(fā)生嚴(yán)重的動(dòng)靜碰磨故障，通過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)檢查，判斷機(jī)組碰磨部位是前軸封、平衡活塞位置。原因是在冷態(tài)啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)子跟汽缸膨脹不同步，且缸體膨脹不均，導(dǎo)致動(dòng)靜碰磨，造成轉(zhuǎn)子彎曲。汽缸內(nèi)及溢流管道存在積水，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子塑性變形［5-8］。

3.1 安裝缺陷

基建期間，6號(hào)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子外觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子多級(jí)汽封齒破損、變形，導(dǎo)葉持環(huán)也有磨損痕跡，遂返廠重新加工。在轉(zhuǎn)子修復(fù)后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行通流調(diào)整中發(fā)現(xiàn)以下問題：

1）安裝時(shí)軸向、徑向間隙有多處偏小于設(shè)計(jì)值，廠家通過現(xiàn)場(chǎng)用刮刀刮持環(huán)及前后汽封齒來擴(kuò)大徑向間隙。

2）半缸狀態(tài)下轉(zhuǎn)子竄動(dòng)量與設(shè)計(jì)值不符，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)向后（G 側(cè)）竄動(dòng)量為3.00 mm（設(shè)計(jì)值3.45～4.05 mm，廠家總裝實(shí)測(cè)為3.50 mm）。該機(jī)組在前期安裝過程中就存在先天缺陷，雖經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)處理，但實(shí)際精度難以保證。

3.2 膨脹不均

機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，汽缸比轉(zhuǎn)子升溫速度慢，下缸部位布置了各級(jí)抽汽及排汽管道，相比上缸升溫速度也慢，故上、下汽缸及轉(zhuǎn)子升溫速度差異很大，導(dǎo)致機(jī)組沖轉(zhuǎn)階段容易發(fā)生動(dòng)靜碰磨［9-12］。根據(jù)安裝說明書：高壓轉(zhuǎn)子前軸封安裝間隙標(biāo)準(zhǔn)為0.40～0.60 mm，平衡活塞安裝間隙標(biāo)準(zhǔn)為0.50～0.78 mm，高壓轉(zhuǎn)子葉頂及隔板安裝間隙標(biāo)準(zhǔn)為0.40～0.67 mm。就地測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在沖轉(zhuǎn)和停機(jī)的過程中，缸體跑偏情況明顯，機(jī)組沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min 過程中缸體明顯往左側(cè)偏移，左前（1號(hào)瓦）的數(shù)據(jù)在停機(jī)到額定轉(zhuǎn)速期間，變化了0.41 mm，已經(jīng)接近安裝標(biāo)準(zhǔn)的下限。而當(dāng)機(jī)組跳機(jī)后，由于溫度的變化缸體變形情況也迅速好轉(zhuǎn)，如表3所示。缸體的變形、跑偏必然導(dǎo)致動(dòng)靜間隙的變化，直接引起了轉(zhuǎn)子碰磨故障的發(fā)生。

表3 就地汽缸膨脹數(shù)據(jù)

3.3 汽缸積水

在轉(zhuǎn)子吊起后，1 號(hào)瓦軸封處有明顯的銹跡，缸內(nèi)及溢流閥進(jìn)口管道有積水現(xiàn)象，如圖10所示。根據(jù)汽水系統(tǒng)及機(jī)組運(yùn)行情況，6號(hào)機(jī)組汽缸溢流管道處有積水形成，分析原因?yàn)橹髌y門桿漏汽及前后軸封回汽被憋壓，沿軸封漏至缸內(nèi)冷凝成積水。主汽閥門桿漏氣、前后軸封的回汽管道都是連接到軸封回汽的匯汽集管上，而主機(jī)的軸封回汽與小機(jī)的軸封回汽管道合成一路，接至軸封加熱器，兩路回汽管道各自安裝一個(gè)手動(dòng)閥（圖11）。在主機(jī)停運(yùn)后，為了避免前后軸封處倒吸冷空氣，關(guān)閉主機(jī)軸封回汽至軸封加熱器手動(dòng)閥1。只要主汽閥門前有蒸汽壓力，該門桿就會(huì)一直有蒸汽漏出，由于軸封回汽手動(dòng)閥關(guān)閉，該路汽源通過匯汽集管和前后軸封回汽母管導(dǎo)入至軸封處，憋壓后沿著軸封漏至缸內(nèi)，而疏水為2 h 開一次，蒸汽長(zhǎng)時(shí)間積累后在汽缸內(nèi)形成積水。

圖10 缸內(nèi)積水現(xiàn)象

圖11 軸封系統(tǒng)

跳機(jī)后軸封對(duì)空排汽閥有大量蒸汽冒出，應(yīng)該為缸內(nèi)積水被再次加熱，蒸發(fā)成冷蒸汽，將轉(zhuǎn)子局部冷卻造成塑性變形［13-15］。機(jī)組盤車前期偏心先變小后變大的現(xiàn)象可能也與此相關(guān)。

4 故障處理

根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)分析及開缸檢查情況，轉(zhuǎn)子返廠后做以下處理：

1）更換前汽封、平衡活塞汽封及蒸汽內(nèi)缸所有汽封片。

2）對(duì)轉(zhuǎn)子整段軸進(jìn)行拋光處理，包括軸頭、前軸頸、推力盤、前汽封、平衡活塞、各級(jí)圍帶等部位。

3）轉(zhuǎn)子完成修復(fù)后做動(dòng)平衡。

4）對(duì)機(jī)組啟動(dòng)曲線進(jìn)行優(yōu)化，增加冷態(tài)啟動(dòng)前預(yù)暖缸，減小膨脹不均。

現(xiàn)場(chǎng)復(fù)裝適當(dāng)放大高壓前軸封和平衡活塞部位的徑向通流間隙。調(diào)整包括以下方面：高、中壓缸汽封間隙測(cè)量調(diào)整，轉(zhuǎn)子平衡活塞處齒封頂部、底部及左右側(cè)間隙均調(diào)整到0.6 mm以上，缸內(nèi)各齒封間隙調(diào)整到0.8 mm以上；各級(jí)動(dòng)葉與隔板軸向通流間隙控制在0.6～1.0 mm以上。

經(jīng)過以上處理，機(jī)組順利沖轉(zhuǎn)至3 000 r/min并帶滿負(fù)荷，振動(dòng)達(dá)到優(yōu)秀值，如表4所示，故障得到有效解決。

表4 處理后各工況下機(jī)組振動(dòng)

5 結(jié)論

總結(jié)本次事故處理經(jīng)過，得出以下結(jié)論：汽輪機(jī)在安裝時(shí)，軸向間隙多處偏小，溢流下降管處疏水點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理等先天缺陷為沖轉(zhuǎn)后發(fā)生動(dòng)靜碰磨故障埋下隱患；缺乏成熟的開機(jī)曲線，機(jī)組膨脹不均、缸體跑偏是引發(fā)碰磨故障的直接原因；而軸封汽進(jìn)入缸內(nèi)冷凝成積水則是新建機(jī)組運(yùn)行人員經(jīng)驗(yàn)不足所造成。