火力發(fā)電廠汽輪發(fā)電機組影響振動因素分析

國能雙鴨山發(fā)電有限公司 李東升 劉澤宇

火力發(fā)電廠目前仍舊是我國最主要的發(fā)電方式，隨著國家工業(yè)繁榮擴張，對于用電的需求也在不斷增加，而目前全國各地都以火力發(fā)電作為供電的主要形式，尤其是在非長江黃河沿岸的內(nèi)陸地區(qū)，大部分用電都來源于火力發(fā)電。近年來，因為循環(huán)流化床鍋爐技術(shù)的出現(xiàn)，大大提高了燃煤火力發(fā)電的能源利用率，使得燃煤產(chǎn)生的熱量被高度利用。在這樣的背景下，進一步提高火力發(fā)電效率的方法就是提高汽輪發(fā)電機組的工作能力，但是目前蒸汽機組的振動問題對其發(fā)電效率存在明顯影響，振動問題的出現(xiàn)有汽輪發(fā)電機組本身的設(shè)計制造問題的因素，也有發(fā)電機組的安裝檢修因素，此外發(fā)電機組在運行過程中導(dǎo)致的連鎖反應(yīng)也會造成機組振動。涉及到的影響因素非常多，這些因素都會造成發(fā)電機組振動嚴(yán)重。在很多情況下，這些影響因素并不是單獨發(fā)生作用，而是多個因素同時發(fā)揮作用，比如設(shè)計制造上的缺陷，檢修不及時導(dǎo)致運行過程中某些組件出現(xiàn)故障，從而引發(fā)發(fā)電機組振動，而機組振動又導(dǎo)致連鎖反應(yīng)加劇，從而影響機組引發(fā)機組更加劇烈地振動，形成一個閉環(huán)，最終導(dǎo)致機組故障，停止工作。所以對發(fā)電機組進行振動控制時，需要從多方面入手，盡可能排除振動因素，以減少振動對發(fā)電機效率的影響。

1 設(shè)計制造對火電廠汽輪發(fā)電機組的振動影響

現(xiàn)代火力發(fā)電廠的基本發(fā)電原理是利用燃料燃燒產(chǎn)生熱量，加熱鍋爐中的水，使其沸騰產(chǎn)生大量的蒸汽，然后利用收集裝置將蒸汽收集并加壓，之后利用高壓蒸汽推動蒸汽機轉(zhuǎn)動，切割磁場產(chǎn)生電能。從這個原理分析，汽輪發(fā)電機組出現(xiàn)振動是必然的。

1.1 設(shè)計原理

汽輪發(fā)電機組的設(shè)計原理決定了其產(chǎn)生振動的必然性，一方面因為高壓蒸汽推動機組運動，機組受到蒸汽的作用力，必然會產(chǎn)生振動，但是蒸汽所產(chǎn)生的力并不是常規(guī)的矢量力，而是沒有固定的方向推力，是對整個機組空間都產(chǎn)生的推動力，這種由分子熱運動產(chǎn)生的推動力是不可控力，所以在汽輪發(fā)電機組中，除了轉(zhuǎn)子受到推力之外，蒸汽管壁同樣會受到推力，只是這些組件被固定起來，無法像轉(zhuǎn)子一樣高速運動。但是由于蒸汽的不穩(wěn)定性，機組壁受力不均且沒有規(guī)律，所以會出現(xiàn)振動[1]。另一方面，機組中的轉(zhuǎn)子是主要的發(fā)電組件，在發(fā)電過程，轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動，根據(jù)伯努利原理，轉(zhuǎn)子周邊的空氣流速快，壓強小，其他空間的大氣會涌向壓強小的地方，從而導(dǎo)致機組內(nèi)部產(chǎn)生壓力，引發(fā)了汽輪發(fā)電機組振動。再加上轉(zhuǎn)子高速運動的時候，質(zhì)心和中心不重合，會使得轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動受到影響，產(chǎn)生另一個離心力，而在轉(zhuǎn)子原本的離心力和另一個離心力共同作用下，機組就會受力不均，產(chǎn)生振動。汽輪發(fā)電機組設(shè)計原理是導(dǎo)致振動的重要因素，但是這種振動的幅度并不大，通常不會影響到機組的正常運作，依照目前技術(shù)水平，這種振動影響是無法根本解決的，只能夠通過優(yōu)化機組結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子的設(shè)計使其盡可能減小。圖1是火力發(fā)電的原理示意圖。

圖1 火力發(fā)電機組示意圖

1.2 制造工藝

制造工藝主要是汽輪發(fā)電機組制造材料和零部件制作水平，這兩個因素也是引起發(fā)電機組的振動原因。首先，制造材料方面，汽輪發(fā)電機組普遍使用鋼材作為轉(zhuǎn)子和零部件的制造原材料，因為只有使用導(dǎo)體切割磁感線才能夠產(chǎn)生電流，而且在蒸汽室內(nèi)是高溫高壓環(huán)境，只有鋼材能夠長期承受這樣的工作環(huán)境，但鋼材在硬度和強度足夠的同時，其受力性質(zhì)和熱傳導(dǎo)性也會造成汽輪發(fā)電機組振動，鋼材本身對力的吸收能力較弱，所以傳遞到鋼材上的力會被較完整地傳遞到其他組件上，而汽輪發(fā)電機組內(nèi)受力關(guān)系復(fù)雜，傳遞到最后，就會作用到機組外體上，引發(fā)機組振動。其次，現(xiàn)代汽輪發(fā)電機組的零部件通過機械自動化生產(chǎn)，在生產(chǎn)質(zhì)量上沒有突出問題，問題主要存在于后期在火電廠進行零部件組裝，由于這部分工作依靠人工完成，所以難免存在誤差，比如某個螺絲釘沒有擰牢固，或者某個螺絲釘擰過度了，這些情況都會導(dǎo)致發(fā)電機組內(nèi)部的受力情況發(fā)生變化。因為蒸汽經(jīng)過加壓處理之后，本身的壓強大、溫度高，如果機組零部件組裝存在問題，導(dǎo)致蒸汽泄漏，即便是小規(guī)模泄漏，也會直接導(dǎo)致機組內(nèi)部受力不均，從而引起機組的振動。

綜上，設(shè)計原理和制造工藝是影響汽輪發(fā)電機組振動的重要因素，但是這兩個因素解決與控制比較困難，只有技術(shù)水平發(fā)生顯著提升才能夠有效降低由這兩個因素引發(fā)的振動。

2 安裝檢修對火電廠汽輪發(fā)電機組的振動影響

在設(shè)計制造環(huán)節(jié)之后，對汽輪發(fā)電機組振動影響最為主要的因素就是安裝與檢修環(huán)節(jié)，安裝與檢修從本質(zhì)上講，是兩個完全不同的內(nèi)容，但是從汽輪發(fā)電機組的建設(shè)體系而言，安裝單位往往需要承擔(dān)檢修維護的責(zé)任，所以安裝與檢修對汽輪發(fā)電機組振動是同一體系內(nèi)的影響因素[2]。

2.1 重視基礎(chǔ)

在安裝過程中一般以相鄰轉(zhuǎn)子預(yù)留高差、張口的方式進行修正，安裝過程中應(yīng)保證預(yù)留高差、張口數(shù)值偏差不大于0.02mm 且方向正確。

發(fā)電機磁力中心偏差對軸系振動影響。磁力中心是為修正安裝及運行狀態(tài)下定子和轉(zhuǎn)子軸向中心的預(yù)留值，該值偏差過大將導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生軸向磁拉力而引發(fā)振動超標(biāo)。《評價規(guī)程》要求該值偏差不超過lmm。建議安裝中采用深度游標(biāo)卡尺等精密量具配合測量，將偏差控制在0.5mm 以內(nèi)為宜。

避免運行狀態(tài)機組膨脹受限。安裝階段在配制好滑銷間隙基礎(chǔ)上，應(yīng)考慮機組運行中部件的膨脹空間是否受限。如對基坑、預(yù)留孔位置及尺寸進行清理、復(fù)核，特別注意對機坑內(nèi)壁因混凝土澆筑中脹模造成局部突起的部位，應(yīng)做蒸鑿修平處理。二次灌漿時，著重對灌漿范圍及灌漿高度加以控制，避免出現(xiàn)二次灌漿層限制汽缸、軸承座膨脹的情況。

2.2 動靜間隙

在對火電廠汽輪發(fā)電機組的運行狀態(tài)進行研究后，會發(fā)現(xiàn)振動因素受到很多因素的影響，但是這些因素沒辦法妥善處理，這樣會影響汽輪發(fā)電機組的使用壽命，同時會引起更多嚴(yán)重的問題，在實際應(yīng)用的過程中，汽輪機轉(zhuǎn)子與氣缸、軸封之間會有間隙，在與實際情況相結(jié)合后，如果汽輪機轉(zhuǎn)子和氣缸之間的間隙較大的情況下，汽輪機的運行效率會受到影響，基于這樣的情況下，汽輪機與軸封的間隙也比較大的時候，就會導(dǎo)致更嚴(yán)重的情況出現(xiàn)，比如蒸汽會出現(xiàn)外漏的情況，空氣會有內(nèi)漏的情況，因此就會發(fā)生嚴(yán)重的碰撞和摩擦，這樣會使機組的振動有超標(biāo)的現(xiàn)象，從而直接導(dǎo)致機組的工作效率，也會影響汽輪發(fā)電機組正常運行。

2.3 軸系的連接

軸系的連接指的是在機組內(nèi)部存在多個轉(zhuǎn)子和軸承，這些軸承的中心線可以連接起來，形成一條曲線，而曲線的平順程度對汽輪機組振動的劇烈程度也有影響，通常而言，軸系連接曲線越光滑，則振動幅度越小，而軸系連接曲線越坎坷，振動幅度也就越大。從汽輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)的角度加以分析，軸系間連接曲線其實是轉(zhuǎn)子在水平狀態(tài)下，因為自重引起靜繞曲，而機組中每個轉(zhuǎn)子安裝的位置不同，對應(yīng)的軸承位置就不相同，所以會形成不同的軸系連接曲線，而軸系連接曲線平順，說明轉(zhuǎn)子之間的位置關(guān)系較為合適，彼此之間的干擾作用影響較小，還能夠借助其他轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的壓強差帶動自身轉(zhuǎn)動，使得轉(zhuǎn)子運作更加順暢，這個時候汽輪機組的振動幅度自然就會減小，而反過來，如果轉(zhuǎn)子安裝位置不合適，出現(xiàn)軸系間曲線坎坷的情況，轉(zhuǎn)子彼此之間會相互阻礙，壓強差會形成與轉(zhuǎn)子運動方向相反的力，阻止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而引起振動加劇，對于軸系的連接這一影響汽輪機組振動的因素，可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)子的位置來解決。

2.4 轉(zhuǎn)子結(jié)垢

轉(zhuǎn)子結(jié)垢也是影響汽輪機振動的一個重要因素，第一個污垢來源是潤滑油污染產(chǎn)生的污垢，轉(zhuǎn)子長期處于工作狀態(tài)，所以需要不斷在轉(zhuǎn)子和軸承連接處添加潤滑油，而蒸汽又會源源不斷進入汽輪機，這兩者都是產(chǎn)生結(jié)垢的來源，潤滑油本身就容易被污染，添加到轉(zhuǎn)子連接處后，會吸附汽輪機內(nèi)部的灰塵和雜質(zhì)，而且老舊的潤滑油會沉積在轉(zhuǎn)子的連接部位，形成油垢。第二個來源是鍋爐的熱水，這些水大多沒有經(jīng)過蒸餾過濾，而是簡單清潔過后的自來水，所以存在水垢的可能性比較大，在汽輪機組長期使用過程中，水垢也會堆積在轉(zhuǎn)子表面。轉(zhuǎn)子結(jié)垢的影響就是轉(zhuǎn)子受力不均，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子產(chǎn)生離心力，帶動機組振動。所以在進行轉(zhuǎn)子清潔的時候，需要全面清潔轉(zhuǎn)子的污垢。

2.5 轉(zhuǎn)子中心孔

轉(zhuǎn)子的軸承都有一個中心孔，安裝的時候，將中心孔用零件堵住，就能夠保障使用過程中受力均衡，減少出現(xiàn)振動的情況，但是如果安裝時，有潤滑油或水等液體進入到中心孔中，在轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動的時候，這些液體會在中心孔中往復(fù)運動，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子受力不均，從而引起振動。中心孔是轉(zhuǎn)子軸承必不可少的組件，而中心孔的堵塞質(zhì)量會影響到汽輪機組振動情況，所以在安裝的時候，需要清理干凈中心孔，并且保障堵塞的密封性。

2.6 機組中心

汽輪機組中心的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以對于汽輪機振動的影響最為顯著。從物理設(shè)計的角度而言，將轉(zhuǎn)子、定子、汽缸等設(shè)置成同心，能夠有效降低汽輪機組振動的情況，但是長期使用依然會導(dǎo)致這些組件的中心發(fā)生偏移，如這些組件不再同心，就會引起汽輪機組的振動。汽輪機組是一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部受力輕微的不均衡都有可能被放大傳遞到機組外部，導(dǎo)致振動的出現(xiàn)，而內(nèi)部受力情況又受到機組中心影響，所以在進行汽輪機組安裝和檢修的時候，需要對機組中心進行細(xì)致的檢修養(yǎng)護，保障汽輪機組件的位置恰當(dāng)，受力均衡，以減少振動[3]。

表1是對某火電廠調(diào)查研究，得到的以上八種原因?qū)ζ啓C組振動的貢獻率情況。

表1 各因素對發(fā)電機組振動的貢獻率

根據(jù)上表可以發(fā)現(xiàn)，在實際的火電廠發(fā)電過程中，影響汽輪機組的主要因素還是基礎(chǔ)，其次是機組中心，所以在進行汽輪機組安裝檢修的時候，需要注重機組的基礎(chǔ)和中心。

3 運行過程對火電廠汽輪發(fā)電機組的振動影響

在汽輪機組運行過程中，會因為機組的運作而產(chǎn)生一系列的物理反應(yīng)，包括機組膨脹、潤滑油溫度上升和軸封的進汽溫度等都會發(fā)生變化，而這些變化又會直接或者間接引起汽輪機組的振動。

3.1 機組膨脹

機組膨脹主要是受到熱脹冷縮效應(yīng)的影響，在汽輪機組運作的過程中，高溫高壓的蒸汽不斷進入到機組中，對機組持續(xù)不斷的加熱，雖然機組材料由鋼材打造，不會被加熱融化變形，但是仍舊會出現(xiàn)膨脹的，而對于蒸汽機組這種高精密設(shè)備，一旦發(fā)生膨脹，就有很大概率引發(fā)內(nèi)部的受力不均和質(zhì)量分布不均，引起汽輪機組的振動。另一方面，由于機組各部分組件的用材和制造工藝不同，膨脹系數(shù)也不相同，膨脹程度不一致，就會引起機組的碰撞摩擦，所以需要汽輪發(fā)電機組預(yù)留一定的膨脹空間[4]。

3.2 潤滑油溫度

在汽輪機組工作的運行過程中，潤滑油作為直接或間接與蒸汽接觸的成分，必然會出現(xiàn)溫度上升的情況，而潤滑油溫度上升會導(dǎo)致其粘性下降，使得軸承和零部件之間的摩擦力降低，在轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動的情況下，這種摩擦力降低會引起其出現(xiàn)一定的失控，與其他零部件發(fā)生碰撞或者摩擦，導(dǎo)致機組內(nèi)部受力平衡被破壞，引起汽輪機組振動的情況出現(xiàn)，對于潤滑油溫度升高的問題，只能夠通過降溫的方式處理，但是汽輪機工作過程中很難實現(xiàn)降溫，所以這個因素也較難解決。

3.3 軸封的進汽溫度

在汽輪機組中每一個軸封的進汽溫度是不一樣的，取決于蒸汽的溫度和壓強，在實際的汽輪機運行過程中，軸封進汽溫度往往不能精確地控制，如果軸封的進汽溫度過高，就會導(dǎo)致軸封失靈，引起軸承運動移位等情況出現(xiàn)，進而引發(fā)振動。

綜上所述，火電廠汽輪機組的振動是非常普遍的情況，汽輪機組的振動會導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞，影響火電廠的發(fā)電效率，而影響汽輪發(fā)電機組振動的因素非常復(fù)雜多樣，既包括設(shè)計制造上的因素，也包括安裝檢修因素，還包括運行過程中的物理反應(yīng)等，這些因素往往不會單獨作用在汽輪機組上，而是多個因素同時發(fā)揮作用，引起汽輪機組的振動加劇。在進行汽輪機組振動控制的時候，首先要抓準(zhǔn)主要因素，同時也不放過次要因素，多方著手，減少汽輪機組的振動情況，提高火電廠發(fā)電效率。