低壓缸零出力改造切缸工況汽機(jī)軸振處理

張黎明，王劍影，韓永卿，孫 杰，于世杰，張建設(shè)

(國電投南陽熱電有限責(zé)任公司，河南 南陽 473000)

1 概況

河南省某電廠裝備2×210 MW供熱機(jī)組，2008年投產(chǎn)。機(jī)組采用哈汽廠C160/N210-12.75/535/535型雙缸雙排汽機(jī)，哈電QFSN3-210-2型水氫氫發(fā)電機(jī)。軸系有6個橢圓瓦，其中2號瓦為推力支持聯(lián)合軸承。1，2號瓦支承汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子，3，4號支承低壓轉(zhuǎn)子。兩臺機(jī)高壓后軸封內(nèi)二漏高溫蒸汽(以下簡稱“內(nèi)二漏”)管道設(shè)計(jì)接至七抽管道，去7號低加，設(shè)計(jì)溫度279.1 ℃。額定采暖抽汽壓力0.325 MPa時中排溫度265.4 ℃，六、七抽溫度212.9 ℃，96.5 ℃。采暖壓力0.547 MPa時中排溫度327.2 ℃。

2021年6月和10月分別完成1，2號機(jī)低壓缸零出力改造，于2021-06-30和2021-11-01改造后首次啟動。2021-11-18，2021-11-19分別完成1，2號機(jī)切缸調(diào)試，2021-12-23順利完成兩臺機(jī)同時切缸試驗(yàn)。

非切缸工況運(yùn)行初期，兩臺機(jī)均出現(xiàn)軸振大問題，歷經(jīng)運(yùn)行中汽封間隙磨減、軸承座油檔更換、軸瓦測振探頭支架加固等措施，成功解決非切缸工況兩臺機(jī)軸振大問題。

兩臺機(jī)切缸調(diào)試、同時切缸試驗(yàn)期間振動等各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)良。切缸工況運(yùn)行約30 h，兩臺機(jī)于2021-12-25，2021-12-26先后出現(xiàn)軸振大問題，特別是2號機(jī)25日因振動大保護(hù)跳閘。

經(jīng)過排查分析，判定是內(nèi)二漏返入低壓缸內(nèi)加熱所致，具體為：加熱定子，引起低壓缸溫度場及其變形量變化，造成徑向動靜碰磨導(dǎo)致振動大；加熱轉(zhuǎn)子，引起低壓缸脹差(以下簡稱“低脹”)大，造成軸向動靜碰磨最終導(dǎo)致2號機(jī)振動大跳閘。關(guān)小內(nèi)二漏管路閥門開度減少返入低壓缸蒸汽量，控制低壓缸脹差高限值以下，成功解決軸振大問題，確保了兩臺機(jī)切缸安全長周期運(yùn)行。

2 機(jī)組切缸情況及振動過程

2.1 振動發(fā)生前后兩臺機(jī)切缸情況

2021-12-21T10:50，1號機(jī)投入切缸，至23日21:30因低脹達(dá)7.5 mm量程上限，退出切缸。

2號 機(jī) 于23日14:18至16:10投、退 切 缸，完成兩臺機(jī)同時切缸試驗(yàn)。23日21:43，2號機(jī)再投切缸，切缸運(yùn)行時長約30 h后，因3，4號瓦軸振大，于25日03:38退切缸，至03:45，終因3，4號瓦軸振大跳閘，于當(dāng)天19:51，2號機(jī)恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行。

25日14:43，1號機(jī)投切缸，至26日23:20，切缸連續(xù)運(yùn)行約32.5 h，因1號機(jī)3，4號瓦軸振大，1號機(jī)退切缸，恢復(fù)常規(guī)工況。

2.2 2號機(jī)切缸3，4號瓦軸振大過程

表1為2號機(jī)振動大跳閘前后參數(shù)。23日21:43，低脹4.3 mm，2號機(jī)投切缸運(yùn)行振動穩(wěn)定。24日21:49電負(fù)荷103 MW，采暖供汽量377.8 t/h，五抽溫度273.2 ℃，真空-98.5 kPa，低脹4.8 mm，3，4號 瓦X軸 振33.3，68.9μm。24日23:00低脹4.8 mm，4號瓦軸振有下降過程，至25日02:50低脹5 mm，3，4號瓦X軸振35，40.8 μm。25日03:03，負(fù)荷106 MW，低脹5 mm，3，4號瓦軸振有增大趨勢。調(diào)整旁路冷卻蒸汽流量15 t/h至30 t/h，機(jī)組減負(fù)荷至100 MW，25日03:36 3，4號瓦X軸振增大至104.4，93 μm。25日03:38退切缸，25日03:39低脹5.2 mm，3，4號瓦X軸振增大至137，142.4μm，4號瓦最先達(dá)峰值。開大中排蝶閥開度減少供熱抽汽量，并逐步減電負(fù)荷，至25日03:45低脹5.2 mm，3，4號瓦X/Y軸振254/238μm，183/102 μm，軸振大保護(hù)跳閘。機(jī)組恢復(fù)過程中，因極熱態(tài)沖轉(zhuǎn)蒸汽溫度稍微偏低，前兩次沖轉(zhuǎn)皆因振動大不成功，至25日19:48時2號機(jī)恢復(fù)并網(wǎng)運(yùn)行。

表1 2號機(jī)振動大跳閘前后參數(shù)

2.3 1號機(jī)切缸3，4號瓦軸振大過程

25日14:10，1號機(jī)常規(guī)工況，負(fù)荷125.7 MW，低脹4.9 mm，3，4號瓦X軸振76.2，61.7 μm、真空-98.3 kPa，采暖抽汽量241.8 t/h，五、六、七抽溫度216.8 ℃，130.2 ℃，39 ℃。

25日14:43，1號機(jī)投切缸，負(fù)荷106.4 MW，低脹4.8 mm，3，4號瓦X軸振79.3，60.4 μm、真空-98.5 kPa，采暖抽汽量300.9 t/h，五、六、七段抽汽溫度236 ℃，65.5 ℃，149.5 ℃。

26日21:00 3，4號 瓦 軸 振 有 增 大 趨 勢，21:32，1號機(jī)負(fù)荷99.6 MW，3，4號瓦X軸振118.1，108.4 μm。通過降真空、減負(fù)荷，至26日23:16振動相對穩(wěn)定，負(fù)荷90 MW，3，4號瓦X軸振38.0，42.1 μm，至26日23:20，為了避免軸振大，退切缸，恢復(fù)常規(guī)工況。

26日06:57，1號機(jī)負(fù)荷94.1 MW，低脹達(dá)7.5 mm，至17:22，低脹超量程指示值顯示-6 mm，經(jīng)過降真空、降負(fù)荷、退切缸等調(diào)整，至27日00:46，低脹恢復(fù)正常指示7.5 mm。

3 原因分析

3.1 排除相關(guān)因素

3.1.1 排除設(shè)計(jì)、安裝及轉(zhuǎn)子動不平衡因素

切缸工況運(yùn)行約30 h兩臺機(jī)均發(fā)生3，4號瓦軸振大問題，從非切缸、切缸工況、兩臺機(jī)切缸試驗(yàn)等過程，完全排除轉(zhuǎn)子動不平衡、切缸改造系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝缺陷等導(dǎo)致振動的可能性，也排除了防止葉片水蝕進(jìn)行的葉片噴涂不均勻或者運(yùn)行中涂層脫落導(dǎo)致質(zhì)量不平衡引起振動的可能。

3.1.2 排除旁路冷卻蒸汽量、減溫水量過大或變化因素

DN400旁路冷卻蒸汽管道按照0.325 MPa，260 ℃參數(shù)計(jì)算最大旁路冷卻蒸汽量約35 t/h，振動發(fā)生前，兩臺機(jī)旁路冷卻蒸汽量穩(wěn)定均小于25 t/h。低壓轉(zhuǎn)子各級動葉自帶圍帶，且次、末級動葉均有拉筋，完全排除因小容積蒸汽流量工況顫振引發(fā)振動的可能。

末端低負(fù)荷噴水系統(tǒng)改造增加減溫水霧化噴嘴，確保均勻噴水、減溫的同時，杜絕局部噴水過量而致的水蝕加劇等問題。運(yùn)行控制末級葉片最高溫度測點(diǎn)溫度約60 ℃，為此減溫水量調(diào)整控制在10 t/h以內(nèi)，對比調(diào)試期間噴水調(diào)節(jié)閥全開噴水量約25 t/h的情況，已排除減溫噴水導(dǎo)致振動的可能。

3.1.3 排除部分運(yùn)行參數(shù)變化等因素

采集運(yùn)行參數(shù)分析，排除了機(jī)組負(fù)荷、汽缸總脹、高壓缸脹差、軸向位移、主再熱蒸汽參數(shù)、汽封溫度、真空、排汽溫度、潤滑油溫等參數(shù)與振動的關(guān)聯(lián)性，振動原因排查陷入困境，難以定論。

3.2 確認(rèn)具體原因

3.2.1 內(nèi)二漏返入低壓缸內(nèi)引起的參數(shù)異常

深入排查發(fā)現(xiàn)，兩臺機(jī)七抽溫度異常變化，非切缸工況七抽溫度低負(fù)荷時高、高負(fù)荷時低，而切缸工況七抽溫度均大于230 ℃，如1號機(jī)最高達(dá)238 ℃；切缸振動時2號機(jī)低脹僅5 mm，1號機(jī)達(dá)低脹探頭7.5 mm量程以上，超量程而顯示值為-6 mm。

3.2.2 分析七抽溫度異常變化原因

針對兩臺機(jī)七抽溫度異常變化原因分析如下：非切缸工況，低壓缸進(jìn)汽，七抽蒸汽和內(nèi)二漏混合，因低負(fù)荷時七抽蒸汽壓力低、量小，所以二者混合后提高了七抽溫度，而高負(fù)荷時七抽蒸汽壓力高、量大，則二者混合后的蒸汽溫度相對就較低。切缸工況，低壓缸不進(jìn)汽，則僅有內(nèi)二漏經(jīng)七抽管道返入低壓缸內(nèi)，所以七抽溫度異常升高，實(shí)際指示的是內(nèi)二漏溫度。

3.2.3 分析低脹超限值等的原因

針對1號機(jī)低脹大超量程問題分析，汽封溫度已控制穩(wěn)定在約140±15 ℃較低值，旁路冷卻蒸汽量及末端噴水量調(diào)整，確?？刂颇┘壢~片最高溫度測點(diǎn)溫度約60 ℃，杜絕了低壓缸內(nèi)鼓風(fēng)損失發(fā)熱問題，判定中排溫度增高和內(nèi)二漏返入低壓缸內(nèi)加熱是低脹增大的要因。采暖壓力高限時設(shè)計(jì)中排溫度327.2 ℃較額定壓力時265.4 ℃中排溫度增高約60 ℃，而內(nèi)二漏較七抽溫度高約180 ℃，所以內(nèi)二漏返入低壓缸內(nèi)加熱對低脹影響程度更大。

針對1號機(jī)較2號機(jī)低脹大問題，經(jīng)熱工專業(yè)測量比對兩臺機(jī)低脹測量回路前置器輸出間隙電壓與低脹值線性關(guān)系，判定是2號機(jī)低脹表計(jì)測量誤差所致指示偏小約2.5 mm。

3.2.4 振動現(xiàn)象分析

排查改造后機(jī)組初始啟動過程等參數(shù)歷史曲線發(fā)現(xiàn)，一是3，4號瓦軸振幅值隨七抽溫度異常變化而變化；二是持續(xù)穩(wěn)定工況后的變工況易導(dǎo)致3，4號瓦軸振曲線出現(xiàn)持續(xù)的鋸齒狀波動現(xiàn)象，振動幅值變化約13 μm；三是1號機(jī)3，4號瓦軸振歷史曲線存在階躍性振動幅值突降的情況。以此判定軸振大是內(nèi)二漏返入低壓缸內(nèi)加熱所致，具體為：加熱定子，引起低壓缸溫度場及其變形量變化，造成徑向動靜碰磨導(dǎo)致振動大；加熱轉(zhuǎn)子，引起低脹大，進(jìn)一步造成軸向動靜碰磨最終導(dǎo)致2號機(jī)振動大跳閘。

3.2.5 徑向碰磨導(dǎo)致振動分析

根據(jù)3，4號瓦軸振曲線可知，從2021-07-08機(jī)組啟動到9日09:26負(fù)荷99 MW，七抽溫度基本一直在上漲，低脹增大，3，4號瓦振動也增大。判定是內(nèi)二漏高溫蒸汽返入低壓缸內(nèi)部，加熱定子，引起低壓缸溫度場及其變形量變化，造成徑向動靜碰磨導(dǎo)致振動大，同時高溫蒸汽加熱轉(zhuǎn)子帶來低脹增大。機(jī)組加負(fù)荷過程七段抽汽溫度有下降的拐點(diǎn)，也是缸體溫度場變化過程，帶來持續(xù)接觸碰磨突然脫開振動降低并穩(wěn)定在較低值的過程，所以9日10:57有3，4號瓦軸振同時出現(xiàn)階躍性振動幅值突降(3號X軸方向、4號X軸方向分別下降20，15 μm)的過程。對應(yīng)此區(qū)間，也是6，7號低加溫升建立的過程，說明低加進(jìn)汽加熱了，則更多的內(nèi)二漏來汽量分流到低加，所以低脹增大趨勢也趨于平緩。這也是非切缸與切缸工況切換過程中，七抽溫度變化劇烈的過程中對應(yīng)3，4號瓦軸振波動的要因。由于溫度場變化帶來缸體變形導(dǎo)致動靜接觸碰磨，只有到缸體變形消失或磨出間隙，碰磨脫開振動才消失，所以3，4號瓦軸振曲線鋸齒狀持續(xù)波動時間比較長，持續(xù)約1.5 h。

查看2010年至今兩臺機(jī)A，B級檢修低壓缸解體報告，歷次都有低壓缸正反旋3，4，5級動葉隔板葉頂封、隔板汽封磨損嚴(yán)重的記錄，低壓缸隔板掛耳壓板螺釘、隔板中分面連接螺栓斷裂(即便是材質(zhì)更換為35CrMo合金材質(zhì)依然會斷裂)等，究其原因，判定依然是內(nèi)二漏來汽返入低壓缸內(nèi)導(dǎo)致低壓缸內(nèi)溫度場及其變形量變化引起。3，4號瓦軸振鋸齒形曲線變化幅值隨運(yùn)行時長而減小也充分說明溫度場變化導(dǎo)致動靜碰磨的情況真實(shí)，2021-12-18T21:30切缸退出時3，4號瓦軸振鋸齒形曲線變化幅值波動量明顯減小。

3.2.6 振動增大、跳閘分析

如上所述，對于內(nèi)二漏返入低壓缸內(nèi)加熱，引起低壓缸溫度場及其變形量變化造成碰磨的情況，無論是葉頂封還是隔板汽封的碰磨，都是徑向碰磨，一般經(jīng)過機(jī)組啟停過程、多次切缸投退及一定運(yùn)行周期的磨減，振動會逐步降低。由此進(jìn)一步判定，內(nèi)二漏加熱低壓轉(zhuǎn)子帶來低脹大引起軸向碰磨最終導(dǎo)致25日2號機(jī)振動大跳閘，也是26日1號機(jī)軸振大的要因。

1號機(jī)3，4號瓦軸振曲線顯示，1號機(jī)3，4號瓦軸振波動期間低脹-6 mm，五抽也即中排溫度達(dá)303 ℃，低脹大超過探頭測量量程而無法正常顯示。2號機(jī)軸振曲線顯示，2號機(jī)25日03:39振動大跳閘前4號瓦最先達(dá)峰值的波動過程低脹5.2 mm達(dá)歷史新高，跳閘后降速至912 r/min時低脹達(dá)5.5 mm最大值，3，4號瓦X軸振增大至312.7 μm，191.0 μm。排查2號機(jī)軸振大原因，4號瓦軸振幅值先降低的起振過程，以及振動大跳閘前有4號瓦最先達(dá)峰值的波動過程，可較合理推定是低脹大導(dǎo)致4號瓦側(cè)軸向碰磨造成軸振大跳閘的結(jié)論。

3.2.7 3號瓦軸振幅值最大原因分析

低脹大導(dǎo)致2號機(jī)軸振大跳閘曾令人難以置信，畢竟2號機(jī)軸振大跳閘時3號軸振幅值最大，1號機(jī)軸振大也更多反映在3號瓦幅值大而非4號瓦側(cè)，而且，兩臺機(jī)均沒有明顯的軸向位移參數(shù)突變情況，況且，轉(zhuǎn)子膨脹出去導(dǎo)致軸向動靜接觸碰磨應(yīng)該難以脫開引起持續(xù)振動現(xiàn)象才對。

究其原因，一是4號瓦側(cè)連接的是質(zhì)量大的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，而3號瓦側(cè)連接的是質(zhì)量相對小的高中壓轉(zhuǎn)子，一旦有碰磨3號瓦較4號瓦更容易激發(fā)振動；二是內(nèi)二漏加熱轉(zhuǎn)子低脹增大的同時，也存在加熱隔板造成其軸向變形量大加劇軸向間隙變小情況，引起某一級軸向動靜碰磨而最終體現(xiàn)在4號瓦或3號瓦軸振大，所以并不一定低脹大引起軸向碰磨一定應(yīng)該發(fā)生在4號瓦側(cè)；三是動葉輪盤與隔板體軸向間隙設(shè)計(jì)值一般10 mm以上，而該機(jī)型隔板汽封高低齒與轉(zhuǎn)子凸肩的軸向間隙最小7.5 mm，與1號機(jī)存在的7.5 mm低脹值一致，加之隔板撓度變形量大導(dǎo)致軸向間隙更小時更易導(dǎo)致軸向碰磨，軸向碰磨部位是在某一級的隔板汽封或低壓缸末端軸封處；四是軸向碰磨時，轉(zhuǎn)子凸肩像車刀頭與汽封齒接觸碰磨，基本上是點(diǎn)接觸，汽封塊在隔板槽道內(nèi)有軸向膨脹間隙而存在一定活動量，所以即便是軸向碰磨也會因汽封塊被頂開、汽封齒歪倒或磨出間隙而快速脫開，故沒有軸向位移變化或者持續(xù)振動的現(xiàn)象；五是七抽管道與汽缸體對應(yīng)汽、勵端兩個DN500接口，4號瓦側(cè)也即勵端接口經(jīng)過彎頭、大小頭變徑后與七抽母管連接，而3號瓦側(cè)也即汽端接口是直管三通對接母管，沿程阻力小，內(nèi)二漏來汽更多的是返入汽端3號瓦側(cè)低壓缸內(nèi)，所以存在3號瓦側(cè)隔板變形量大更易軸向碰磨的可能性，這也是歷次檢修記錄低壓缸反旋4，5級隔板葉頂封、汽封磨損最嚴(yán)重的原因。

4 振動降控措施及效果

關(guān)小內(nèi)二漏至七段抽汽管路隔離門開度，減少內(nèi)二漏返入低壓缸內(nèi)的蒸汽量，減弱由此引起的溫度場變化量及轉(zhuǎn)子膨脹量。切缸運(yùn)行工況下適當(dāng)降低再熱汽溫等措施，控制1號機(jī)低脹≤7.5 mm，控制2號機(jī)低脹≤4.9 mm，成功解決軸振大問題，確保了兩臺機(jī)切缸安全長周期運(yùn)行。

5 結(jié)束語

針對切缸工況軸振大問題，排查判定是內(nèi)二漏蒸汽返入低壓缸內(nèi)加熱所致，采取振動降控措施成功解決了軸振大問題。

分析七抽溫度異常變化、軸振曲線鋸齒狀持續(xù)波動幅值變化等成因，判定內(nèi)二漏蒸汽返入低壓缸內(nèi)加熱引發(fā)振動的分析思路以及軸向碰磨的分析可供相關(guān)單位借鑒。