某350MW機(jī)組給水泵汽輪機(jī)振動分析與處理

國家能源集團(tuán)樂東發(fā)電有限公司 厲 克 鄭 超 陸明志 王得任

給水泵是火力發(fā)電廠的重要輔機(jī)，其高效安全運行直接關(guān)系到火電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。目前300MW以上容量大型火電機(jī)組普遍采用小汽輪機(jī)驅(qū)動給水泵、即汽動給水泵，該類型汽輪機(jī)具有體積小、重量輕、剛度小且運行工況多變的特點，由于不同工況下轉(zhuǎn)速和流量變化較大，常常由于受熱不均導(dǎo)致膨脹受限，從而在某一工況下引發(fā)較大的振動[1]。此外，由于給水泵汽輪機(jī)與給水泵同步運行，汽輪機(jī)也會受給水泵的影響，導(dǎo)致給其振動增加[2]。

1 運行振動的危害與故障分析

1.1 振動危害分析

機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性降低。汽輪機(jī)的汽封間隙量與機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性之間為直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，振動過大會導(dǎo)致給水泵汽輪機(jī)汽封間隙變大，造成機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性降低[1]；造成給水泵汽輪機(jī)動靜部分和支撐部件損壞。在機(jī)組異常振動情況下，給水泵汽輪機(jī)的動靜部分發(fā)生摩擦?xí)斐啥瞬枯S封的磨損。此外，振動過大會造成葉片、葉輪和密封瓦等部件出現(xiàn)疲勞，導(dǎo)致軸瓦烏金龜裂。

造成給水泵汽輪機(jī)的連接部件松動。當(dāng)給水泵汽輪機(jī)發(fā)生異常振動時，會引發(fā)軸承、主油泵和渦輪等重要部件發(fā)生共振現(xiàn)象，造成連接螺栓的松動、地腳螺栓的斷裂，最終發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生故障，嚴(yán)重時造成經(jīng)濟(jì)損失及安全危害；引起設(shè)備事故。給水泵汽輪機(jī)振動過大會引起調(diào)速系統(tǒng)的不穩(wěn)定，進(jìn)而發(fā)生調(diào)速系統(tǒng)事故，甚至可能危急遮斷器，導(dǎo)致其操作失誤，造成設(shè)備事故停機(jī)。

1.2 汽輪機(jī)振動的一般故障分析

動靜碰摩：給水泵汽輪機(jī)的動靜部分局部碰摩特征。若為輕微碰摩則汽輪機(jī)振幅不變，若嚴(yán)重碰摩則振幅減小。動靜部分的摩擦，諧波分量也出現(xiàn)增加現(xiàn)象。碰摩造成汽輪機(jī)的不平衡質(zhì)量點位置不斷變化，使得相位也發(fā)生變化；動靜整周的碰摩特征。造成轉(zhuǎn)子橫向振動頻率變高，軸頸中心向軸承內(nèi)部的間隙圓中心偏移，一倍頻最大振幅為摩擦點截面間隙圓。造成動靜部位碰摩的原因主要有三個：在設(shè)計或安裝過程中動靜間隙過??；轉(zhuǎn)子振幅過大；軸系不對中，引起轉(zhuǎn)子偏斜，發(fā)生碰摩。

質(zhì)量不平衡：轉(zhuǎn)子熱彎曲變形。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲形變后轉(zhuǎn)速降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低至臨界值時再啟動就會造成更大振幅，從而出現(xiàn)汽輪機(jī)大幅振動。通過研究轉(zhuǎn)子在不同狀態(tài)下的波特圖，能夠幫助判斷是否發(fā)生熱彎曲形變。此外，轉(zhuǎn)子材料的熱應(yīng)力、誤操作造成氣缸進(jìn)水等原因也會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生熱彎曲；轉(zhuǎn)子原始性的不平衡。此種情況是轉(zhuǎn)子在加工或檢修過程中遺留下來的、為“出生問題”，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動前就存在，其轉(zhuǎn)動特征是轉(zhuǎn)子的振幅和相位受其他運行參數(shù)影響較小，振動特征較穩(wěn)定[2]；轉(zhuǎn)子零部件的松動、脫落。給水泵汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子可能發(fā)生脫落、松動的零部件有平衡質(zhì)量塊、葉片和護(hù)環(huán)等。當(dāng)零部件發(fā)生飛脫時振幅呈突發(fā)性的變動，迅速增大到某一固定值，此外當(dāng)機(jī)組帶負(fù)荷時較易發(fā)生這類故障。

2 問題描述與解決措施

2.1 系統(tǒng)簡介

某電廠安裝有兩臺350MW超臨界機(jī)組，每臺機(jī)組配置1套100%BMCR容量的汽動給水泵組，兩臺機(jī)組共用一臺30%BMCR容量的定速電動啟動給水泵。汽動給水泵正常運行，電動給水泵作啟機(jī)、停機(jī)用。汽動給水泵設(shè)置一臺同軸的前置泵，汽泵前置泵由給水泵汽輪機(jī)（小汽機(jī)）通過減速箱驅(qū)動，變比為3.897：1。小汽機(jī)采用杭州汽輪機(jī)股份有限公司生產(chǎn)的單缸、單流、反動式、純凝汽式汽輪機(jī)，額定功率11384kW、額定轉(zhuǎn)速5580rpm，調(diào)速范圍3000～5800rpm。該汽機(jī)有兩個汽源，正常工作汽源來自主機(jī)四段抽汽，備用汽源采用輔助蒸汽。

給水泵為CHTD6/6型整體式芯包多級離心泵，采用機(jī)械密封，小汽機(jī)軸封蒸汽來自密封水、冷卻水為閉式水。小汽機(jī)疏水放至凝汽器疏水?dāng)U容器集管，小汽機(jī)排汽直接排入主機(jī)凝汽器。小汽機(jī)設(shè)有獨立供油系統(tǒng)，供小機(jī)本體軸承潤滑和給水泵軸承潤滑用油及小汽機(jī)保安用油，控制系統(tǒng)為電液控制系統(tǒng)（MEH）。

2.2 問題描述

該電廠2號機(jī)組于2015年10月投產(chǎn)，機(jī)組負(fù)荷額定350MW、額定主汽壓力24.2MPa、主汽溫度563.8℃，磨煤機(jī)A/B/C/D/E磨運行，2號機(jī)廠用電由2號高廠變帶，CCS協(xié)調(diào)控制方式，RB投入、一次調(diào)頻投入、AGC方式運行。

2019年7月19日17:51:13，2號機(jī)組負(fù)荷350MW穩(wěn)定運行，小機(jī)轉(zhuǎn)速5649轉(zhuǎn)/分鐘，前軸振動X向在38秒內(nèi)由38.8μm突升至198.8μm，小機(jī)前軸振動Y向在38秒內(nèi)由42.4μm突升至185.9μm；小機(jī)后軸振動X向在38秒內(nèi)由35.7μm突升至103.6μm，小機(jī)后軸振動Y向在38秒內(nèi)由38.9μm突升至178.9μm，觸發(fā)小機(jī)振動大保護(hù)條件，17:51:50小機(jī)跳閘，發(fā)“鍋爐給水全停”信號，鍋爐“MFT”，2號機(jī)組跳閘。事故發(fā)生前機(jī)組已帶350MW負(fù)荷穩(wěn)定運行7小時52分鐘。

2.3 振動原因分析及處理措施

從小汽機(jī)振動趨勢圖來看，在短短38秒內(nèi)各測點的振動幅值增加了3倍以上。單考慮振動因素的話，可能的主要原因有軸承油膜失穩(wěn)、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量脫落和動靜碰磨等。查閱7月19日12:00～17:53的DCS相關(guān)參數(shù)歷史數(shù)據(jù)，事生前5小時的工況：機(jī)組負(fù)荷349MW，小機(jī)進(jìn)汽壓力0.91MPa溫度360℃、小機(jī)軸封壓力10.07kPa，小機(jī)進(jìn)汽溫度和軸封溫度未發(fā)生大幅變化。發(fā)生振動時的小汽輪機(jī)潤滑油壓力、溫度、瓦溫也沒有異常變化。

從分析可知，引起本次突發(fā)振動的原因是動靜碰磨導(dǎo)致。引起動靜摩擦的因素很多，通過系統(tǒng)運行情況分析，小機(jī)振動突增前進(jìn)汽溫度均未出現(xiàn)大幅波動現(xiàn)象。小機(jī)進(jìn)汽管道上、下壁溫未發(fā)生大幅變化。檢查定期疏水均動作正常，就地疏水溫度正常，就地確認(rèn)疏水閥開啟正常。因此可排除小汽輪機(jī)進(jìn)冷氣冷水的可能。但考慮到小機(jī)進(jìn)汽門前主管路上有一個疏水袋，疏水管路上安裝有氣動疏水門，此門在運行時長期關(guān)閉，導(dǎo)致疏水管理及疏水袋積水，在系統(tǒng)參數(shù)變化時易造成進(jìn)汽中帶水或濕蒸汽。

進(jìn)而查閱機(jī)組歷史臺賬記錄，發(fā)現(xiàn)從2016年4月11日到2019年7月19日已出現(xiàn)幾次小機(jī)跳閘導(dǎo)致跳機(jī)，通過事發(fā)前各參數(shù)趨勢看，其故障情況基本相似。對比幾次小機(jī)振動大跳閘時的小機(jī)轉(zhuǎn)速變化，每次發(fā)生跳機(jī)時小汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速呈逐步升高的現(xiàn)象，符合軸封動靜間隙小引起碰磨的特征。此外，現(xiàn)場檢查時發(fā)現(xiàn)小機(jī)后軸承左側(cè)（從機(jī)頭方向看）軸封處有大量蒸汽漏出，直接在軸承箱和滑銷系統(tǒng)上加熱（或冷卻），也可能造成膨脹不均衡。

8月21日大修解體后發(fā)現(xiàn)，前軸封處、平衡活塞以及隔板汽封處有脫落及摩擦的現(xiàn)象，前端汽封處左右兩側(cè)間隙偏差較大，左側(cè)0.30mm左右、右側(cè)1.4mm左右，說明缸偏向右側(cè)約0.5mm左右。推力瓦內(nèi)油檔間隙左側(cè)已完全沒有間隙。油檔與軸頸有摩擦痕跡。轉(zhuǎn)子有嚴(yán)重銹蝕跡象，驗證了診斷結(jié)論。

針對上述情況提出以下處理措施：利用這次檢修及轉(zhuǎn)子返廠檢修的機(jī)會應(yīng)全部更換磨損汽封、在小機(jī)廠更換汽封片。重新調(diào)整汽封上、下間隙，正確調(diào)整潤滑油回油管膨脹節(jié)，并對轉(zhuǎn)子葉片在做好手工除銹。在大修期間實施該措施后，完成機(jī)組安裝工作，啟動后該設(shè)備一直正常工作。

綜上，給水泵汽輪機(jī)具有體積小、重量輕、剛度小的特點，其運行工況復(fù)雜多變，引起其振動大的原因一般比較復(fù)雜，在進(jìn)行振動分析時不能僅依靠振動圖譜就做出決定，在進(jìn)行根原因分析時，更是要結(jié)合故障前后的關(guān)鍵運行參數(shù)、且要在現(xiàn)場進(jìn)行充分檢查，有條件的話，還要參考以前的故障維修臺賬等數(shù)據(jù)后才能給出全部原因。