某300 MW 機(jī)組啟動(dòng)過程偏心異常增大原因分析及處理

崔彥亭， 胥佳瑞， 賀善舉， 吳韜， 鄧愛祥

（1. 大唐華北電力試驗(yàn)研究院， 北京， 100040； 2.河北大唐國際張家口熱電有限責(zé)任公司， 河北張家口， 075000））

1 機(jī)組概況

某機(jī)組為315 MW 亞臨界、 一次中間再熱、單軸、 兩缸兩排汽、 單抽供熱凝汽式機(jī)組。 軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、 低壓轉(zhuǎn)子、 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子3 根轉(zhuǎn)子組成， 轉(zhuǎn)子間通過剛性聯(lián)軸器連接， 各轉(zhuǎn)子均為雙支撐結(jié)構(gòu)， 其中1～4 號(hào)軸承為可傾瓦軸承， 5～6號(hào)軸承為橢圓軸承， 如圖1 所示。

圖1 軸系示意圖

2020 年5 月機(jī)組B 修中高中壓轉(zhuǎn)子返廠更換調(diào)節(jié)級(jí)， 并進(jìn)行高速動(dòng)平衡。 熱控專業(yè)對(duì)汽輪機(jī)偏心測量系統(tǒng)做了小軸振動(dòng)改造， 將偏心傳感器輸入信號(hào)并聯(lián)接入相鄰振動(dòng)卡件備用通道組態(tài)成為軸振信號(hào)， 使偏心信號(hào)根據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)分階段顯示， 在600 r/min 以下時(shí)顯示為子轉(zhuǎn)子偏心信號(hào)， 在600 r/min 以上時(shí)顯示為小軸振動(dòng)信號(hào)[1]。

2 振動(dòng)過程

2021 年6 月11 日19 時(shí)49 分， 該機(jī)組進(jìn)行檢修后首次啟動(dòng)， 600 r/min 摩檢10 min 后升速， 升至1 200 r/min 時(shí)1# 瓦軸振開始爬升（1 200～1 950 r/min 為臨界區(qū)域， 高中壓轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速1 688 r/min， 升速率500 r/min/min）， 1 723 r/min 時(shí)1Y軸振快速增至256 μm， 振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作， 機(jī)組跳閘， 投盤車時(shí)偏心79 μm（啟動(dòng)前68 μm）。

表1 首次啟動(dòng)過程1#～2#瓦軸振（峰峰值/基頻）μm/μm

2021 年6 月12 日1 時(shí)34 分， 機(jī)組再次啟動(dòng)。1 點(diǎn)44 分轉(zhuǎn)速升至1 100 r/min 保持運(yùn)行觀察振動(dòng)， 偏心數(shù)值82 μm， 1#～2# 瓦Y 向軸振分別為46 μm、 24 μm， 見表2。 隨后振動(dòng)幅值開始逐漸升高， 同時(shí)伴隨有相位（上部線條）減小， 9 min 后偏心開始升高， 1Y 軸振64 μm； 21 min 后偏心快速增加至376 μm， 1Y 軸振185 μm， 考慮到偏心（即小軸振動(dòng)） 增長快且數(shù)值較大， 運(yùn)行打閘并破壞真空； 25 min 后偏心達(dá)500 μm， 1Y 軸振251 μm， 2X 軸振65 μm， 以基頻為主， 見圖2； 40 min 后轉(zhuǎn)速到 “0”， 投盤車， 偏心500 μm， 現(xiàn)場用聽針偶爾可聽到前箱內(nèi)有摩擦聲； 3 點(diǎn)18 分偏心開始回落， 7 點(diǎn)01 分偏心降至54 μm。

表2 再次啟動(dòng)時(shí)偏心及1#～2#瓦軸振（峰峰值）μm

圖2 偏心與1 瓦軸振趨勢圖

3 故障原因分析

根據(jù)2 次啟動(dòng)過程的振動(dòng)情況， 可以總結(jié)出該機(jī)組振動(dòng)存在以下特征：

（1）振動(dòng)幅值的成分以1 倍頻為主；

（2）轉(zhuǎn)速超過一階臨界轉(zhuǎn)速后軸振仍在爬升；

（3）2 次啟動(dòng)過程中1#瓦軸振均遠(yuǎn)大于2# 瓦軸振；

（4）第1 次打閘后投盤車時(shí)偏心較啟動(dòng)前略有增長；

（5）第2 次啟動(dòng)過程中偏心和1# 瓦振動(dòng)幅值變化與轉(zhuǎn)速無關(guān)， 且1# 瓦振動(dòng)幅值變化伴隨著相位變化；

（6）1#瓦軸振與偏心爬升趨勢未完全重疊。

通過以上特征分析：

第1 次啟動(dòng)過程中， 1# 瓦軸振從1 200 r/min開始爬升， 1 723 r/min 達(dá)到跳機(jī)值。 振動(dòng)頻譜成分以1 倍頻分量為主， 高中壓轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速為1 688 r/min（由波德圖得知）， 當(dāng)轉(zhuǎn)速高于1 688 r/min 時(shí)軸振仍在爬升， 正常情況下質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)表現(xiàn)為臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)峰值明顯升高，轉(zhuǎn)速超出臨界轉(zhuǎn)速以上后， 振動(dòng)會(huì)快速下降[2]； 1號(hào)瓦軸振遠(yuǎn)大于2 號(hào)瓦軸振， 而動(dòng)平衡報(bào)告顯示1～2 號(hào)瓦振動(dòng)分別為1.5 mm/s 和1.52 mm/s， 平衡效果良好且數(shù)值接近， 如圖3 所示。 結(jié)合投盤車時(shí)偏心79 μm， 較機(jī)組啟動(dòng)前68 μm 略有增長，可以確定高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了碰摩， 碰摩點(diǎn)位于轉(zhuǎn)子高壓側(cè)。

圖3 高中壓轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡波德圖

第2 次啟動(dòng)過程中， 1# 瓦振動(dòng)頻譜成分以1倍頻為主， 基頻振動(dòng)幅值爬升的同時(shí)， 基頻振動(dòng)相位也相應(yīng)變化， 原因?yàn)楦咧袎恨D(zhuǎn)子高壓側(cè)發(fā)生動(dòng)靜碰摩， 使得高中壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱彎曲導(dǎo)致質(zhì)量不平衡發(fā)生變化引起振動(dòng)爬升[3]； 打閘停機(jī)后， 轉(zhuǎn)速下降過程中振動(dòng)繼續(xù)爬升， 這表明轉(zhuǎn)子因碰摩產(chǎn)生的熱彎曲大于轉(zhuǎn)速下降對(duì)振動(dòng)的影響， 轉(zhuǎn)子仍存在動(dòng)靜碰摩； 1 號(hào)瓦軸振遠(yuǎn)大于2 號(hào)瓦軸振，由此推斷引起質(zhì)量不平衡位置靠近1 號(hào)瓦側(cè)， 即碰摩點(diǎn)位于轉(zhuǎn)子高壓側(cè)， 重點(diǎn)懷疑高壓內(nèi)外軸封及平衡持環(huán)等采用小間隙汽封位置。

本次檢修中熱控專業(yè)對(duì)汽輪機(jī)偏心測量系統(tǒng)進(jìn)行了小軸振動(dòng)改造， 汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高于600 r/min時(shí)顯示小軸振動(dòng)信號(hào)， 由于TDM 系統(tǒng)未做相應(yīng)修改， 無振動(dòng)特征數(shù)據(jù)。 偏心即小軸振動(dòng)爬升發(fā)生在1 000 r/min 暖機(jī)過程中， 轉(zhuǎn)速未變而振動(dòng)升高，說明轉(zhuǎn)子不平衡量發(fā)生了變化[4]， 而打閘后小軸振動(dòng)繼續(xù)升高至500 μm（滿量程）， 則是碰摩振動(dòng)故障的典型特征[5]，投盤車時(shí)偏心值仍為500 μm， 可斷定小軸發(fā)生了嚴(yán)重?zé)釓澢?且1 號(hào)瓦軸振與偏心爬升趨勢未完全重疊， 說明兩者發(fā)生的原因相互獨(dú)立而又有一定疊加影響， 結(jié)合前箱內(nèi)結(jié)構(gòu)判斷小軸振動(dòng)爬升的原因?yàn)橹饔捅锰幱信瞿Πl(fā)生。

碰摩故障的機(jī)理比較直觀， 即高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與靜子部件（汽封、 油擋等）由于動(dòng)靜間隙低于設(shè)計(jì)值發(fā)生了局部接觸， 接觸部位在劇烈的摩擦作用下釋放出大量熱量， 進(jìn)而轉(zhuǎn)子局部過熱產(chǎn)生膨脹使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)熱彎曲， 引起不平衡量的增大，從而出現(xiàn)振動(dòng)爬升現(xiàn)象[2]。

轉(zhuǎn)軸動(dòng)靜碰摩產(chǎn)生的熱彎曲所引起的振動(dòng)現(xiàn)象， 對(duì)振動(dòng)的影響與轉(zhuǎn)速相關(guān)， 轉(zhuǎn)速不同影響程度不同， 當(dāng)轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí)滯后角φ＜90°， 動(dòng)靜碰摩引起的轉(zhuǎn)軸熱彎曲產(chǎn)生的不平衡量OB， 與原始不平衡量OA 疊加后的不平衡量OC大于原始不平衡量OA， 從而導(dǎo)致動(dòng)靜摩擦加劇，轉(zhuǎn)軸熱變形量也將進(jìn)一步變大， 相互影響產(chǎn)生惡性循環(huán)。 這種摩擦嚴(yán)重威脅機(jī)組的運(yùn)行安全， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致軸系破壞事故的發(fā)生。 如圖4 所示[4]。

圖4 一階臨界轉(zhuǎn)速以下轉(zhuǎn)軸摩擦對(duì)振動(dòng)的影響

對(duì)于碰摩振動(dòng)故障， 最直接的解決方案就是揭缸檢修， 重新調(diào)整動(dòng)靜間隙， 從根本上避免動(dòng)靜接觸。 但是這種手段費(fèi)時(shí)費(fèi)力， 需要對(duì)碰摩部位有準(zhǔn)確的把握。 實(shí)際上最常用也是最有效的手段是采取 “磨合” 的方法， 即讓動(dòng)靜部件充分磨合， 摩擦掉相互接觸的部分， 以消除振動(dòng)[6]。 根據(jù)以上分析決定對(duì)1 號(hào)瓦軸振采用磨合的方式來解決振動(dòng)故障， 而前箱檢查由于工期較短， 決定揭箱檢查主油泵密封環(huán)、 浮動(dòng)油擋間隙、 高中壓缸調(diào)端外軸封間隙以及碰摩情況。

4 振動(dòng)處理及效果

12 日下午解體檢查， 發(fā)現(xiàn)主油泵調(diào)端擋油環(huán)間隙為 “0”， 如圖5 所示， 擋油環(huán)止動(dòng)銷處于油泵結(jié)合面位置， 止動(dòng)銷加工槽尺寸較小導(dǎo)致止動(dòng)銷在回裝后被壓緊， 同時(shí)結(jié)合面的密封膠被擠入止動(dòng)銷槽中， 進(jìn)一步導(dǎo)致?lián)跤铜h(huán)被卡死無法自由浮動(dòng)， 使得油泵油擋及密封環(huán)與轉(zhuǎn)子發(fā)生碰摩，引起機(jī)組小軸振動(dòng)異常。 高中壓缸調(diào)端外軸封間隙合格， 軸徑上微碰摩跡象不明顯， 懷疑引起1號(hào)瓦振動(dòng)大的碰摩點(diǎn)位于內(nèi)軸封或平衡持環(huán)處，決定繼續(xù)采用“磨合“方式消除振動(dòng)。

圖5 主油泵結(jié)構(gòu)圖

圖6 主油泵油擋及密封環(huán)處碰摩跡象

6 月13 日， 機(jī)組第3 次啟動(dòng)， 機(jī)組順利定速3 000 r/min， 整個(gè)過程偏心最大73 μm， 一階臨界1 號(hào)瓦軸振最大85 μm， 各瓦軸振均在優(yōu)秀值范圍內(nèi)， 見表3。

表3 機(jī)組定速3 000 r/min 時(shí)1～6 瓦振動(dòng)情況（峰峰值）μm

5 結(jié)論

通過以上分析可以得到：

（1）機(jī)組1# 瓦振動(dòng)以工頻分量為主， 屬于不穩(wěn)定的普通強(qiáng)迫振動(dòng)。 其特點(diǎn)是低速暖機(jī)過程中汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)快速爬升和過臨界振動(dòng)數(shù)值較高， 并伴隨有相位變化。 機(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生的原因?yàn)楦邏簜?cè)發(fā)生了動(dòng)靜碰摩,主要是檢修中汽封局部間隙調(diào)整偏小引起的， 后續(xù)啟停機(jī)中仍應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視。

（2）小軸振動(dòng)振動(dòng)特點(diǎn)現(xiàn)為打閘后偏心值繼續(xù)升高、 投盤車時(shí)滿量程， 54 min 后偏心開始回落，屬于典型的由碰摩引起的熱彎曲現(xiàn)象， 為擋油環(huán)止動(dòng)銷安裝不當(dāng)引起。

（3）由主油泵擋油環(huán)原因引起機(jī)組小軸振動(dòng)故障在行業(yè)內(nèi)極少發(fā)生,大多數(shù)機(jī)組對(duì)于小軸振動(dòng)監(jiān)視未做要求， 且偏心在600 r/min 以上時(shí)不做顯示， 即使運(yùn)行中出現(xiàn)異常也未必能發(fā)現(xiàn)， 本案例的發(fā)生應(yīng)當(dāng)引起各發(fā)電企業(yè)的高度重視， 以免產(chǎn)生嚴(yán)重后果造成不必要的損失。