低壓缸切缸改造后轉(zhuǎn)子漸變式彎曲故障診斷

楊志明,趙衛(wèi)正,孫海龍,童小忠,顧偉飛,居國騰

(1.中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江 臺(tái)州 317109；2.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司,浙江 杭州, 310003；3.浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310003；4.浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司,浙江 紹興 312030)

0 引言

中國提出了“到2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，計(jì)劃到2030年碳排放強(qiáng)度降低60%[1-2]。國家陸續(xù)出臺(tái)了火電機(jī)組靈活性提升改造政策，這對(duì)具備相應(yīng)條件的火電機(jī)組的改造奠定了政策基礎(chǔ)[3]。純凝機(jī)組實(shí)施低壓缸切缸改造是使低壓缸在供熱期間切除全部進(jìn)汽，僅保持少量冷卻蒸汽，因此低壓缸切缸改造后機(jī)組供熱負(fù)荷增加，發(fā)電負(fù)荷減少，實(shí)現(xiàn)了在抽汽凝汽和高背壓兩種運(yùn)行方式之間靈活切換[4-6]。

然而，低壓缸在切缸狀態(tài)下必然會(huì)帶來一系列的安全運(yùn)行問題。對(duì)此，文獻(xiàn)[7-9]闡述了低壓轉(zhuǎn)子末級(jí)葉片動(dòng)應(yīng)力超標(biāo)、葉片鼓風(fēng)超溫和水蝕等風(fēng)險(xiǎn)并提出了相應(yīng)的控制措施。證明了葉片應(yīng)力對(duì)溫度高度敏感，在切缸狀態(tài)下需要格外關(guān)注。而對(duì)于轉(zhuǎn)子彎曲的問題，文獻(xiàn)[10-12]探討了轉(zhuǎn)子漸變式彎曲故障的機(jī)理，并結(jié)合實(shí)際案例對(duì)高中壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的故障特征、原因分析和處理措施進(jìn)行了詳細(xì)論證。

考慮低壓缸切缸改造后，因低壓轉(zhuǎn)子發(fā)生漸變式彎曲而造成振動(dòng)異常的研究未見詳細(xì)論述和研究。對(duì)此，本文對(duì)某熱電聯(lián)產(chǎn)300 MW機(jī)組低壓缸切缸改造后轉(zhuǎn)子漸變式彎曲問題進(jìn)行分析，提出有效的解決方案，成功解決了低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)異常故障，保障了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，為供熱改造機(jī)組故障診斷與處理提供有益參考。

1 機(jī)組切缸改造簡介

1.1 機(jī)組簡介

某熱電廠2號(hào)汽輪機(jī)為哈汽制造的亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸、雙排汽、抽汽凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為C280/N300-16.7/538/538。2號(hào)機(jī)組軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子組成。各轉(zhuǎn)子間通過剛性聯(lián)軸器連接，高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子兩端各由兩個(gè)軸承支撐，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子由三個(gè)軸承支撐，整個(gè)軸系布置示意如圖1所示。該機(jī)組設(shè)計(jì)額定供熱負(fù)荷180 t/h，最大供熱負(fù)荷410 t/h。汽輪機(jī)抽汽供熱分為中壓蒸汽和低壓蒸汽。中壓供熱蒸汽來源有高壓缸排汽(冷再)和中壓缸進(jìn)汽(熱再)，低壓供熱蒸汽為中壓缸排汽。為了滿足某集中印染工業(yè)園區(qū)內(nèi)熱用戶不斷上漲的供熱需求，該熱電廠于2021年4～6月對(duì)機(jī)組實(shí)施低壓缸切缸改造，切缸狀態(tài)下供熱負(fù)荷增加約266 t/h。

1.2 低壓缸切缸技術(shù)簡介

低壓缸切缸技術(shù)也稱“低壓缸零出力”技術(shù)，是將中低壓聯(lián)通管上的供熱調(diào)節(jié)蝶閥更換為關(guān)閉嚴(yán)密的零泄漏閥門，同時(shí)，低壓缸增加冷卻蒸汽，并優(yōu)化低壓缸排汽減溫噴嘴等，將中壓排汽全部接入熱網(wǎng)，從而提高機(jī)組供熱能力和電調(diào)峰能力，降低機(jī)組發(fā)電煤耗率[13-14]。

該熱電廠2號(hào)汽輪機(jī)組低壓缸切缸改造采取低壓缸外缸不動(dòng)，低壓通流部分進(jìn)行整體改造，重新分配通流面積和各級(jí)焓降。低壓內(nèi)缸采用360°進(jìn)汽蝸殼結(jié)構(gòu)，第一級(jí)靜葉采用橫置布置。對(duì)低壓轉(zhuǎn)子進(jìn)行更換，新轉(zhuǎn)子共2×7級(jí)，全部采用自帶冠葉片，末級(jí)葉片高度900 mm，強(qiáng)度高，跨音速性能更佳。對(duì)中低壓聯(lián)通管進(jìn)行更換，聯(lián)通管上的供熱蝶閥改為零泄漏蝶閥，在聯(lián)通管上增開兩路三通，一路用于新增低壓抽汽，第二路用于低壓缸冷卻，保證切缸運(yùn)行工況有效對(duì)低壓通流進(jìn)行冷卻。切缸改造詳見示意圖2所示。

2 低壓缸切缸改造后振動(dòng)問題

2.1 振動(dòng)異?，F(xiàn)象

2號(hào)機(jī)組于2021年6月完成低壓缸切缸改造，6月4日首次沖轉(zhuǎn)到額定轉(zhuǎn)速，振動(dòng)均小于70 μm，振動(dòng)處于優(yōu)秀水平。

6月16日機(jī)組首次進(jìn)行低壓缸切缸運(yùn)行，中壓排汽進(jìn)入熱網(wǎng)，增加供熱量。9月10日機(jī)組調(diào)停，9月17日機(jī)組調(diào)停后連續(xù)運(yùn)行。從9月17日開始，3號(hào)和4號(hào)軸承軸振持續(xù)增大，尤其是4Y振動(dòng)上升明顯，由90 μm逐步爬升至183 μm，如圖3所示。6月4日至9月24日期間3號(hào)和4號(hào)軸振變化如表1所示。

表1 低壓缸切缸改造后3號(hào)和4號(hào)軸振變化

2.2 振動(dòng)異常原因分析

從表1可以看出，2號(hào)機(jī)組低壓缸切缸改造后，從6月份運(yùn)行至9月份，低壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)3號(hào)和4號(hào)軸振有如下特點(diǎn)：

低壓缸切缸改造后，運(yùn)行期間3號(hào)和4號(hào)軸振以一倍頻為主，屬于普通強(qiáng)迫振動(dòng)。3號(hào)和4號(hào)軸振隨時(shí)間的增長而逐漸增大，說明低壓轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡狀態(tài)逐漸加劇。

9月17日機(jī)組調(diào)停后開機(jī)，3 000轉(zhuǎn)空載下低壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)3號(hào)和4號(hào)振動(dòng)較9月10日調(diào)停前明顯增大，其中3Y一倍頻振動(dòng)從調(diào)停前的74 μm增大至100 μm，4Y一倍頻振動(dòng)從調(diào)停前的34 μm增大至87 μm，表明此次調(diào)停前后低壓轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)變化很大。

9月17日～9月24日帶負(fù)荷期間，3號(hào)和4號(hào)軸承振動(dòng)不斷爬升，一倍頻振動(dòng)幅值逐漸增大，但一倍頻相位變化較小，進(jìn)一步表明振動(dòng)爬升根源是低壓轉(zhuǎn)子不平衡量在逐漸加劇。

綜上所述，低壓缸軸振增大的原因?yàn)榍懈赘脑旌蟮蛪恨D(zhuǎn)子平衡狀態(tài)逐漸惡化。

2.3 轉(zhuǎn)子漸變式彎曲問題分析

轉(zhuǎn)子漸變式彎曲主要是轉(zhuǎn)軸材料存在殘余應(yīng)力，在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)軸內(nèi)部殘余應(yīng)力逐漸釋放，應(yīng)力釋放過程中轉(zhuǎn)軸的彎曲量逐漸增大，轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)惡化，造成振動(dòng)逐漸增大[15-16]。

對(duì)于低壓缸切缸機(jī)組，一方面采用新轉(zhuǎn)軸材質(zhì)不均勻，存在一定的殘余應(yīng)力；另一方面切缸運(yùn)行和機(jī)組啟停期間，運(yùn)行工況發(fā)生劇烈變化，轉(zhuǎn)子受熱不均勻?；谏鲜鰞煞矫嬖颍蛪焊浊懈讬C(jī)組容易發(fā)生轉(zhuǎn)子漸變式彎曲。

3 振動(dòng)處理

解決轉(zhuǎn)子漸變式彎曲問題主要有兩個(gè)方式：(1)將轉(zhuǎn)子返回制造廠抽查出具體彎曲部位，通過直軸或切削加工，但需要工作量較大；(2)通過現(xiàn)場動(dòng)平衡手段，補(bǔ)償轉(zhuǎn)子彎曲產(chǎn)生的不平衡質(zhì)量，降低運(yùn)行時(shí)振動(dòng)幅值[17-18]，該方式節(jié)省工期，且費(fèi)用少，因而優(yōu)先考慮現(xiàn)場動(dòng)平衡手段。

低壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)3號(hào)和4號(hào)軸振爬升后，主要呈反向分量，說明低壓轉(zhuǎn)子一定的存在二階不平衡分量。綜合考慮空載和帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)振動(dòng)情況，在低壓轉(zhuǎn)子兩側(cè)進(jìn)行反對(duì)稱加重。9月28日利用機(jī)組調(diào)停機(jī)會(huì)，在低壓缸兩側(cè)末級(jí)葉輪上各加重445 g。動(dòng)平衡后3號(hào)和4號(hào)軸振明顯下降，空載下振動(dòng)小于40 μm，額定工況下振動(dòng)小于50 μm，如表2所示。

表2 現(xiàn)場動(dòng)平衡后3號(hào)和4號(hào)軸振(單位：μm)

4 結(jié)論

通過開展低壓缸切缸改造可有效增加機(jī)組供熱量，進(jìn)而提高機(jī)組熱電負(fù)荷調(diào)峰靈活性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于低壓缸切缸改造機(jī)組安全運(yùn)行問題，除了關(guān)注末級(jí)葉片動(dòng)應(yīng)力超標(biāo)、鼓風(fēng)超溫和水蝕等安全問題之外，也需要關(guān)注低壓轉(zhuǎn)子漸變式彎曲問題。本文通過實(shí)際案例分析處理，得出如下結(jié)論：

(1)低壓缸切缸改造后，機(jī)組啟停、切缸運(yùn)行、工況大幅變化，導(dǎo)致低壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)出現(xiàn)爬升，分析原因是新轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力釋放，發(fā)生了漸變式彎曲。

(2)對(duì)于漸變式彎曲，采用現(xiàn)場動(dòng)平衡的方法，解決振動(dòng)異常問題，更方便快捷，能夠保障機(jī)組后續(xù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(3)低壓缸技術(shù)改造及正常運(yùn)行過程中，發(fā)生轉(zhuǎn)子漸變式彎曲的案例比較少見。本文所采用的分析處理方法，對(duì)供熱改造機(jī)組故障診斷有一定參考價(jià)值。