660 MW新建機(jī)組汽輪機(jī)碰磨振動(dòng)分析及處理

張 杰

(西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000)

現(xiàn)階段高參數(shù)大容量的電廠汽輪機(jī)已被廣泛應(yīng)用，為了進(jìn)一步提高機(jī)組效率節(jié)能降耗，新型汽輪機(jī)的動(dòng)靜間隙普遍設(shè)計(jì)得較小，尤其在葉頂汽封及軸端汽封處更甚[1-3]，這也使得新機(jī)組在啟動(dòng)初期發(fā)生碰磨的概率隨之增加，碰磨輕則導(dǎo)致機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)無法定速，嚴(yán)重時(shí)可造成轉(zhuǎn)子永久性彎曲，甚至損毀，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。汽輪機(jī)的碰磨振動(dòng)大多通過自行磨合增大間隙進(jìn)行消除[6-7]，但新建機(jī)組汽輪機(jī)除了受到本體結(jié)構(gòu)的影響，還受相關(guān)輔助系統(tǒng)的不確定性影響，必須對其振動(dòng)現(xiàn)象特征進(jìn)行準(zhǔn)確判斷和對系統(tǒng)綜合性分析后采取有效措施，才能安全可靠解決振動(dòng)問題，保證汽輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 機(jī)組簡介

內(nèi)蒙古某電廠新建機(jī)組采用東方汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的660 MW、超超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸、高中壓缸分缸、三缸兩排汽、間接空冷凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)為三缸兩排汽結(jié)構(gòu)，高、中壓缸分缸，低壓缸部分為雙分流式。汽輪機(jī)缸體軸承布置見圖1，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速見表1。汽輪機(jī)有3根轉(zhuǎn)子，每根轉(zhuǎn)子支承在各自的2個(gè)軸承上。HP轉(zhuǎn)子與IP轉(zhuǎn)子、IP轉(zhuǎn)子與LP轉(zhuǎn)子均由剛性聯(lián)軸器連接，轉(zhuǎn)子由推力軸承軸向定位于高中壓間2號軸承箱內(nèi)。高、中壓缸采用下貓爪水平中分面支撐，在變工況下汽缸膨脹和收縮時(shí)，靜子和轉(zhuǎn)子的中心相對不變。汽封系統(tǒng)采用迷宮式自密封汽封。

圖1 汽缸軸承布置

表1 各轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速 單位：r/min

2 機(jī)組啟動(dòng)過程及振動(dòng)現(xiàn)象分析

2.1 首次沖車過程及現(xiàn)象

汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)參數(shù)滿足啟動(dòng)條件后，首次沖轉(zhuǎn)至500 r/min，振動(dòng)值在正常范圍，進(jìn)行打閘。無異音后重新升速，3號、4號、5號、6號瓦振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速逐漸上升，轉(zhuǎn)速升至681 r/min時(shí)，6瓦Y向振動(dòng)升高至216.9 μm，機(jī)組打閘。汽輪機(jī)首次沖轉(zhuǎn)振動(dòng)參數(shù)見表2。

表2 汽輪機(jī)升速及打閘時(shí)振動(dòng)參數(shù) 單位：μm

2.2 振動(dòng)原因分析

由振動(dòng)數(shù)據(jù)看出，振動(dòng)首先發(fā)生在中壓缸兩側(cè)3號、4號軸承處，隨著轉(zhuǎn)速增加， 5號、6號軸承也發(fā)生了振動(dòng)。檢查汽輪機(jī)輔助系統(tǒng)，潤滑油溫基本穩(wěn)定在41 ℃左右，排除了油溫變化對油膜的影響。排汽溫度和軸封供汽溫度穩(wěn)定，高、中壓缸上下缸溫差最大9.6 ℃，現(xiàn)場缸體疏水管道通暢，判斷缸體無積水情況。汽缸膨脹在汽輪機(jī)啟動(dòng)初期因蒸汽量小暖缸效果不明顯，缸脹幾乎無變化，不存在因膨脹不暢引起碰磨振動(dòng)。查找機(jī)組安裝記錄發(fā)現(xiàn)，本機(jī)組設(shè)計(jì)中為了降低熱耗率，軸封安裝間隙值較小，中壓缸兩端設(shè)計(jì)值0.4～0.7 mm，安裝值0.45 mm，低壓缸兩端設(shè)計(jì)值0.25～0.55 mm，安裝值0.35 mm，間隙安裝值幾乎采取了下限。在機(jī)組打閘后通過聽針，在現(xiàn)場中壓缸兩側(cè)可監(jiān)聽到明顯的碰磨聲音。通過汽輪機(jī)振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)看出，振動(dòng)主要以1倍頻分量為主，振動(dòng)上升過程中也主要是1倍頻振動(dòng)增大，相位角度隨振動(dòng)增大也在逐漸變化。且振幅隨時(shí)間的延長而逐漸增大，其振動(dòng)趨勢圖上表現(xiàn)為平滑連續(xù)的曲線，而非突升、突降型。此特征為典型的動(dòng)靜碰磨振動(dòng)[8]。常用的處理方法是通過磨合增大間隙，即在保證其他參數(shù)正常的情況下，通過多次碰磨再脫離再碰磨的過程，最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜間隙達(dá)到合理的要求，從而消除碰磨振動(dòng)[9-10]。但在試運(yùn)過程中，要控制好振動(dòng)值，當(dāng)振動(dòng)出現(xiàn)報(bào)警值且繼續(xù)增大時(shí)機(jī)組應(yīng)打閘，打閘后至少盤車4 h，消除碰磨產(chǎn)生的臨時(shí)熱彎曲后才能再次啟動(dòng)[11]，中壓缸振動(dòng)趨勢及頻譜如圖2、圖3所示。

圖2 3Y、4Y振動(dòng)趨勢

圖3 4Y振動(dòng)頻譜

3 振動(dòng)處理方法

3.1 低速磨合

汽輪機(jī)連續(xù)盤車4 h后，偏心下降至42.1 μm，調(diào)整沖轉(zhuǎn)參數(shù)后再次啟動(dòng)升速至500 r/min，中壓缸兩端振動(dòng)逐漸升高，3Y振動(dòng)升至201 μm，打閘停機(jī)，汽輪機(jī)在500 r/min仍不能穩(wěn)定運(yùn)行，決定汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速由500 r/min降至300 r/min。控制再熱蒸汽溫度，控制脹差，減少主、再熱蒸汽左右側(cè)偏差，使汽缸兩側(cè)溫度分布均勻[12]。汽輪機(jī)在投入盤車后經(jīng)過4 h連續(xù)運(yùn)行，就地檢查無異常后重新掛閘沖轉(zhuǎn)。機(jī)組在300 r/min低速碰磨下運(yùn)行近5 h，最終因振動(dòng)持續(xù)增大打閘停機(jī)，趨勢如圖4所示。

圖4 低速磨合趨勢

汽輪機(jī)在300 r/min運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)仍然緩慢增加，且主要發(fā)生在中壓缸兩側(cè)，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)使用了中壓缸沖轉(zhuǎn)，高壓缸不進(jìn)汽。嘗試通過高壓缸沖轉(zhuǎn)中壓缸不進(jìn)汽的方式，減少汽流對中壓缸間隙的影響。通過高調(diào)閥正暖閥位控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升至306 r/min后，4號軸承Y向振動(dòng)快速上升，降轉(zhuǎn)速，振動(dòng)緩慢下降。多次通過高壓缸調(diào)門改變轉(zhuǎn)速，3號、4號軸承振仍不能有效控制，最后4Y振動(dòng)上升至205 μm，機(jī)組打閘。

通過3次沖轉(zhuǎn)現(xiàn)象及參數(shù)控制看出：高、中壓缸上、下缸溫差在10 ℃以內(nèi)，排除進(jìn)冷氣及疏水不暢的因素。背壓維持在16～17 kPa，軸封壓力35 kPa。再熱蒸汽壓力0.8 MPa、溫度345 ℃。機(jī)組膨脹和脹差均在正常值，檢查缸體滑銷系統(tǒng)全部在自由釋放狀態(tài)，中壓缸排汽膨脹節(jié)、凝汽器與小汽輪機(jī)膨脹節(jié)連桿均正常釋放。再熱蒸汽壓力維持0.8 MPa，且調(diào)門無晃動(dòng)排除汽流對機(jī)組振動(dòng)的影響。潤滑油壓及油溫穩(wěn)定。檢查軸封進(jìn)、回汽管道測溫均大于100 ℃，軸封管道無積水。檢查汽輪機(jī)振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，汽輪機(jī)4號軸承振動(dòng)以單倍頻率為主且相位角度持續(xù)變化，分析認(rèn)為中壓缸軸封及葉頂汽封部位首先發(fā)生了碰磨，使轉(zhuǎn)子發(fā)生局部臨時(shí)熱彎曲，進(jìn)而加劇觸發(fā)動(dòng)靜碰磨，后期連帶低壓動(dòng)靜部件也發(fā)生了碰磨現(xiàn)象，導(dǎo)致振動(dòng)加劇，打閘停機(jī)。低速碰磨引起的臨時(shí)熱彎曲可以通過連續(xù)盤車進(jìn)行恢復(fù)，控制好碰磨的程度不會(huì)造成轉(zhuǎn)子發(fā)生永久彎曲。汽輪機(jī)盤車4 h后，臨時(shí)熱彎曲消除偏心達(dá)到原始值后，再次沖轉(zhuǎn)。通過自行磨合的措施使動(dòng)靜部件脫開，碰磨會(huì)逐漸變輕。

3.2 升轉(zhuǎn)速進(jìn)行中速磨合

低速碰磨階段已經(jīng)沖轉(zhuǎn)多次，對于機(jī)組碰磨間隙改變效果不太明顯，本次沖轉(zhuǎn)決定進(jìn)行中速碰磨，目標(biāo)值1500 r/min，升速過程中若振動(dòng)超過200 μm機(jī)組打閘，在升速過程嚴(yán)密監(jiān)視各軸承振動(dòng)變化及溫度變化情況，再次升速至1500 r/min，2號、5號、6號軸承振動(dòng)上升緩慢，3號、4號軸承振動(dòng)開始明顯上升，4Y最大228 μm且持續(xù)上升，機(jī)組打閘。打閘后惰走中，3Y、4Y振動(dòng)再次出現(xiàn)上升，4Y最大到299 μm，隨后下降。汽輪機(jī)惰走至零時(shí)投入盤車。升速1500 r/min后主要軸承振動(dòng)參數(shù)見表3。

表3 汽輪機(jī)升速及打閘后振動(dòng)參數(shù) 單位：μm

通過前幾次低速碰磨、中速碰磨及參數(shù)調(diào)整，機(jī)組動(dòng)靜碰磨現(xiàn)象已有明顯改善。目前機(jī)組已升速至1500 r/min，但振動(dòng)幅值仍無法穩(wěn)定，尤其3Y、4Y振動(dòng)上升趨勢明顯，通過振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)查看，振動(dòng)仍以1倍頻為主且相位角度增大，引起振動(dòng)的原因仍是動(dòng)靜碰磨。

3.3 升轉(zhuǎn)速進(jìn)行高速磨合

汽輪機(jī)升速至1500 r/min，表明中速對本機(jī)組碰磨改善效果較好，決定沖轉(zhuǎn)目標(biāo)值2350 r/min，在沖轉(zhuǎn)過程中嚴(yán)密監(jiān)視振動(dòng)及軸承溫度，振動(dòng)超過200 μm后機(jī)組打閘。汽輪機(jī)升速至2350 r/min，振動(dòng)最大值79 μm(4Y)，振動(dòng)上升趨勢平緩。此時(shí)高壓排汽金屬溫度259 ℃，中壓排汽金屬溫度164 ℃，滿足升速條件[13]，目標(biāo)轉(zhuǎn)速3000 r/min，升速率200 r/min。汽輪機(jī)首次升速至3000 r/min，趨勢如圖5所示。

圖5 3000 r/min振動(dòng)曲線

汽輪機(jī)已升速至3000 r/min，高中壓缸1-4號軸承振動(dòng)已明顯穩(wěn)定且有緩慢下降趨勢，但5Y、6Y振動(dòng)出現(xiàn)上升趨勢，最終因6Y振動(dòng)緩慢升至251 μm，機(jī)組打閘。打閘惰走過程中，未見振動(dòng)增加。機(jī)組投入盤車運(yùn)行，偏心43.5 μm，惰走時(shí)間44 min。

5Y、6Y測點(diǎn)振動(dòng)主要以1倍頻分量為主，振動(dòng)上升過程中也主要是1倍頻振動(dòng)增大，相位角度隨振動(dòng)增大也在逐漸變化，判斷振動(dòng)類型仍為動(dòng)靜碰磨。

3.4 低壓缸噴水影響軸封金屬溫度

查到本次汽輪機(jī)升速至3000 r/min后5Y、6Y振動(dòng)與低壓缸軸封金屬溫度有明顯的關(guān)聯(lián)性，在汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)，低壓缸軸封金屬溫度在105～170 ℃間斷性變化，當(dāng)溫度低于110 ℃時(shí)，5Y、6Y振動(dòng)明顯增加后持續(xù)發(fā)散，最終使機(jī)組被迫打閘。排查現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，在汽輪機(jī)3000 r/min空負(fù)荷運(yùn)行階段，低壓缸排汽溫度較高，需要通過低壓缸噴水減溫，低壓缸噴水在自動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)排汽溫度超過90 ℃時(shí)，低壓缸噴水閥會(huì)自動(dòng)打開，溫度降至60 ℃時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，凝結(jié)水雜項(xiàng)水管道的壓力為2.8 MPa，當(dāng)?shù)蛪焊讎娝蜷_的瞬間，因噴水壓力較高，一部分減溫水繞過護(hù)板噴濺在汽缸端部汽封齒上，引起了汽封齒局部收縮變形，軸端汽封齒間隙發(fā)生變化，產(chǎn)生了碰磨振動(dòng)。

針對以上問題，采取關(guān)小低壓缸噴水手動(dòng)門使低壓缸后缸噴水母管壓力降至1.2 MPa，設(shè)定溫度70 ℃，使低壓缸噴水調(diào)門保持全開，噴水量連續(xù)穩(wěn)定，防止低壓缸噴水調(diào)門頻繁動(dòng)作，并關(guān)小低壓軸封減溫水調(diào)閥前后手動(dòng)門，穩(wěn)定低壓軸封溫度。汽輪機(jī)連續(xù)盤車4 h后，再次沖轉(zhuǎn)，升速過程中低壓缸軸封金屬溫度穩(wěn)定在150～160 ℃，汽輪機(jī)成功定速3000 r/min。振動(dòng)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 汽輪機(jī)定速3000 r/min時(shí)振動(dòng)參數(shù)

3.5 真空對振動(dòng)的影響

汽輪機(jī)在定速3000 r/min后順利并網(wǎng)帶負(fù)荷，逐步投入高、低壓加熱器，排汽壓力緩慢降至10.8 kPa，此時(shí)5Y、6Y振動(dòng)開始緩慢增加，5Y振動(dòng)緩慢升至133 μm，6Y振動(dòng)緩慢升至201 μm，檢查振動(dòng)頻譜圖仍然是1倍頻振動(dòng)且相位不斷變化，排汽溫度和軸封金屬溫度無明顯變化。分析認(rèn)為原本低壓缸軸封間隙設(shè)計(jì)較小，在排汽壓力下降后，引起了低壓缸部分形變和軸向推力變化[14-16]，使軸封動(dòng)靜間隙發(fā)生了變化，進(jìn)而出現(xiàn)了碰磨，碰磨產(chǎn)生的熱應(yīng)力使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了臨時(shí)彎曲使振動(dòng)不斷增大。現(xiàn)場采取了停止真空泵，使機(jī)組背壓升高，讓已經(jīng)處于動(dòng)靜碰磨的部位間隙發(fā)生改變并脫開，振動(dòng)逐漸下降恢復(fù)至正常值。由于間隙較小，碰磨風(fēng)險(xiǎn)仍然存在，在帶負(fù)荷階段，采取了穩(wěn)定振動(dòng)后不斷調(diào)整真空，使碰磨位置繼續(xù)磨合直至間隙合適不再發(fā)生碰磨振動(dòng)。真空對振動(dòng)的影響如圖6所示。

圖6 真空對振動(dòng)的影響

3.6 負(fù)荷變化對振動(dòng)的影響

機(jī)組運(yùn)行時(shí)負(fù)荷降至180 MW，5Y、6Y振動(dòng)再次增加，頻譜圖分析仍然是碰磨振動(dòng)。隨后調(diào)整了機(jī)組真空和軸封溫度，振動(dòng)仍然緩慢增加。振動(dòng)現(xiàn)象是在降負(fù)荷過程中發(fā)生的，排查汽輪機(jī)本體參數(shù)并無變化，考慮振動(dòng)是發(fā)電機(jī)功率變化引起。決定提升負(fù)荷觀察振動(dòng)變化情況，機(jī)組功率升高后，5Y、6Y振動(dòng)逐漸平穩(wěn)不再增加。在機(jī)組降負(fù)荷階段，因發(fā)電機(jī)勵(lì)磁作用影響發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子受力發(fā)生變化，會(huì)對整個(gè)汽輪機(jī)軸系承重產(chǎn)生影響，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中心位置發(fā)生變化，進(jìn)而帶動(dòng)低壓缸轉(zhuǎn)子使軸封間隙變化發(fā)生碰磨。表象為低負(fù)荷階段振動(dòng)緩慢上升，而隨著負(fù)荷逐漸增加時(shí)，6Y振動(dòng)開始出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。通過以上現(xiàn)象分析，可以通過升降負(fù)荷對軸封間隙較小的部位進(jìn)行磨合，觀察振動(dòng)變化情況，適時(shí)調(diào)整負(fù)荷。振動(dòng)隨負(fù)荷變化趨勢如圖7所示。

圖7 升負(fù)荷過程振動(dòng)趨勢

3.7 振動(dòng)消除并完成RB試驗(yàn)、負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)

通過前期多次磨合及參數(shù)調(diào)整，機(jī)組振動(dòng)已趨于穩(wěn)定，期間完成了RB試驗(yàn)和負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)，在多工況下進(jìn)行了測驗(yàn)，汽輪機(jī)各軸承振動(dòng)最大不超過76 μm，全部達(dá)到了優(yōu)良值。試驗(yàn)時(shí)負(fù)荷、振動(dòng)趨勢如圖8所示。

圖8 RB試驗(yàn)、負(fù)荷變動(dòng)試驗(yàn)振動(dòng)曲線

4 結(jié)語

660 MW新建機(jī)組汽輪機(jī)由于多軸承振動(dòng)爬升至超標(biāo)水平，導(dǎo)致沖轉(zhuǎn)過程進(jìn)行了十多次才定速3000 r/min穩(wěn)定運(yùn)行。振動(dòng)爬升時(shí)頻譜成分主要以1倍頻分量為主且相位逐漸發(fā)生變化，工作轉(zhuǎn)速下空載試驗(yàn)以及后來帶負(fù)荷運(yùn)行過程中還發(fā)生多次軸振動(dòng)爬升現(xiàn)象，結(jié)合控制參數(shù)如汽溫、缸脹、真空、軸封、脹差、轉(zhuǎn)速、疏水等參數(shù)比較穩(wěn)定時(shí)振動(dòng)緩慢爬升的現(xiàn)象特點(diǎn)，分析認(rèn)為振動(dòng)故障是由于中、低壓轉(zhuǎn)子動(dòng)靜碰磨現(xiàn)象引起，摩擦部位在通流間隙比較小的軸封、隔板汽封等部位。引起碰磨的原因主要有以下幾個(gè)方面：設(shè)計(jì)間隙偏小、軸系相對標(biāo)高變化，引起汽封間隙不均勻、缸內(nèi)溫度場不均勻，如低壓缸噴水對缸體末端溫度及低壓軸封溫度的影響。