汽輪機中調(diào)門振動分析及處理

蔡越

（福建省福能晉南熱電有限公司 福建泉州 362200）

0 引言

某廠配備汽輪機是2×30 MW 杭州汽輪機EHNG 50/50/64單缸、單軸、背壓式汽輪機。汽輪機為單缸，分為第一膨脹段和第二膨脹段；第一膨脹段設(shè)有2 個進汽速關(guān)閥和1 個高壓調(diào)閥，第二膨脹段設(shè)有2 個抽汽調(diào)門。蒸汽經(jīng)速關(guān)閥、高壓調(diào)節(jié)汽閥進入汽輪機流通部分；蒸汽在第一膨脹段作功后，一部分從氣缸下部的第一級抽汽口引出供#1 高加和第二級抽汽口引出供#2 高加、中壓供熱蒸汽管網(wǎng)；另一部分的蒸汽進入第二膨脹段繼續(xù)做功，在壓力降至排汽壓力后從氣缸排出除氧器、前置加熱器、低壓供熱蒸汽管網(wǎng)。

機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)是用于帶抽汽壓力調(diào)節(jié)、驅(qū)動發(fā)電機的汽輪機。機組的DEH 控制系統(tǒng)（數(shù)字電液控制系統(tǒng)）采用中控的ECS-700 系列。DEH 控制系統(tǒng)的主要功能有轉(zhuǎn)速控制回路、功率控制回路、背壓壓力控制回路、抽汽控制回路；目的是控制汽輪發(fā)電機組的功率、轉(zhuǎn)速、抽汽壓力、背壓從而滿足電廠電負荷和熱負荷要求。

機組的DEH 控制系統(tǒng)（數(shù)字電液控制系統(tǒng)）采用中控的ECS-700 系統(tǒng)。DEH 控制系統(tǒng)的主要功能有轉(zhuǎn)速控制回路、功率控制回路、背壓壓力控制回路、抽汽控制回路；目的是控制汽輪發(fā)電機組的功率、轉(zhuǎn)速、抽汽壓力、背壓從而滿足電廠電負荷和熱負荷要求。機組運行時，DEH 采集現(xiàn)場信號經(jīng)邏輯及數(shù)字運算后輸出控制信號，通過電液轉(zhuǎn)換器輸出到伺服調(diào)節(jié)閥，從而控制機組的功率、轉(zhuǎn)速、抽汽壓力、背壓［1］。

汽輪機電負荷由汽輪機所需要的蒸汽量決定，利用調(diào)節(jié)閥來控制進汽量，以維持其排汽壓力不變；低壓機組則根據(jù)電負荷需要來調(diào)節(jié)本身的進汽量，從而改變汽輪機的排汽量。

1 汽輪機調(diào)門振動情況簡介

因機組負荷變化，汽輪機第二膨脹段與第三膨脹段的抽汽要保持到設(shè)計額定壓力，保障第二膨脹段與第三膨脹段的抽汽用戶有穩(wěn)定壓力的蒸汽，需調(diào)節(jié)汽輪機調(diào)節(jié)閥來控制進汽量，以維持其排汽壓力不變。

若熱負荷過低，汽輪機為了維持壓力不變，調(diào)節(jié)閥無法給定更小的開度時，就需要從主蒸汽母管通過供熱系統(tǒng)把主蒸汽母管額定壓力12.8 MPa、額定溫度535 ℃，通過減溫減壓閥降至用戶所需壓力中壓用戶額定壓力2.8 MPa、額定溫度341 ℃，低壓用戶1.0 MPa、額定溫度236.6 ℃（圖1）。

圖1 鍋爐主蒸汽系統(tǒng)簡圖

汽輪機中調(diào)門指令給至35%及以下時，有可能出現(xiàn)如下情況：

（1）2021-04-23 20∶48，#1 汽輪機中調(diào)門給定指令26%時，#1 機A 側(cè)中調(diào)門在指令不變情況下，閥位反饋自行向下關(guān)，閥位反饋由25.92%自動降至24.72%后又自行上升至25.92%，若保持閥位指令為26%，大概間隔10 min 發(fā)生1 次閥位反饋由25.92%自動降至24.72%后又自行上升至25.92%的情況。

（2）2021-06-01 05∶28，#2 機A 側(cè)中調(diào)門，在指令給定24.9%的情況下，反饋異常從18.5%關(guān)閉到11.89%，導致油管路振動大。

（3）2021-06-11 08∶06，#1 機中調(diào)門給定指令30.4%，反饋A 側(cè)25.5%、B 側(cè)30.4%，給定指令30.4%不變，A 側(cè)反饋突降至12.1%，B 側(cè)反饋突降至16.4%。

（4）2022-10-08 18∶50，#2 機中調(diào)門給定指令23.55%，反饋A 側(cè)22.17%、B 側(cè)28.74%，給定指令23.55%不變，A 側(cè)反饋突降至0.13%，B 側(cè)反饋突降至-4.52%，之后A 側(cè)反饋突增至20.31%，B 側(cè)反饋突增至26.72%。

（5）2022-02-19 03∶30，巡檢發(fā)現(xiàn)#1 機B 側(cè)中調(diào)閥閥位反饋在30%時就地振動較大且伴有異常聲音，開大至35%后振動消失；又因負荷變化，關(guān)小中調(diào)門，閥位反饋在33%時閥位波動大，開大至37%后閥位正常。且檢查發(fā)現(xiàn)#1 機B 側(cè)中調(diào)閥油動機呼吸閥因振動導致斷裂。

（6）2022-04-27 02∶22，DCS 中調(diào)門給定指令39.1%，A 側(cè)中調(diào)門反饋開度34%，DCS 緩慢開大中調(diào)門至36%開度后，就地檢查振動消失。

（7）2022-04-29 04∶25，監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)#2 機電負荷、中低壓供熱流量均無變化的情況下，#2 機二抽流量由15 t/h 突增至38 t/h，二抽壓力由2.63 MPa 突增至2.8 MPa，A/B 側(cè)中調(diào)門開度由36%/39%自動開大至54%/58%，二抽壓力降至2.69 MPa，流量降至12 t/h，之后調(diào)整過程中發(fā)現(xiàn)#2 機中調(diào)門開度較之前同等工況有較大偏差。

（8）2022-02-25，進行#1 機中調(diào)門關(guān)小試驗，B 側(cè)關(guān)至35%后，閥門未給指令，B 側(cè)閥位波動幅度大，且油動機及閥門關(guān)閉彈簧伴有振動，開大閥門至35%，振動消失。

2 調(diào)門振動危害

（1）因熱負荷每日夜間變低，需調(diào)節(jié)汽輪機調(diào)節(jié)閥來控制進汽量，以維持其排汽壓力不變。中調(diào)門關(guān)小至35%及以下時會發(fā)生振動，長時間振動后容易發(fā)生指令與反饋偏差的情況，中壓調(diào)閥指令與反饋偏差變大，具體情況如下：

①2021-07-30 23∶29，#1 機A、B 側(cè)中調(diào)門反饋偏差大；中調(diào)門指令59.20%，中調(diào)門B 側(cè)反饋57.90%，就地指示25 mm；A 側(cè)反饋37.60%，就地指示22 mm。

②2021-04-15 18∶56，#1 機A、B 側(cè)中調(diào)門就地開度指示偏差大（B 側(cè)中調(diào)門開度約42%時，A 側(cè)中調(diào)門開度26%）

③2021-02-26 13∶54，#2 機A、B 側(cè)中調(diào)門就地開度指示偏差大（B 側(cè)中調(diào)門開度約30%時，A 側(cè)中調(diào)門開度不到20%）。

④2020-09-11 09∶47，#2 機中調(diào)門指令與反饋偏差嚴重。（靜態(tài)時：指令30%，反饋A 側(cè)20.8%，B 側(cè)22.1%。運行時：指令29.03%，反饋A 側(cè)47.2%，B 側(cè)50.5%）。

（2）中調(diào)門關(guān)小至35%及以下時會發(fā)生振動，長時間振動會造成汽輪機調(diào)節(jié)閥部件的破壞。2022-01-09 07∶16 監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)：#2 汽輪機中調(diào)門給定指令26.7%，A 側(cè)反饋值20.3%，B 側(cè)反饋值31.9%，二抽流量由41 t/h 突漲至73 t/h?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)#2 機中調(diào)門關(guān)節(jié)軸承斷裂（圖2），導致機組運行期間調(diào)節(jié)閥有全部關(guān)閉的風險，若汽門突然關(guān)閉會導致機組瞬態(tài)甩負荷，產(chǎn)生機組發(fā)生停機事故。

圖2 關(guān)節(jié)軸承斷裂

（3）中調(diào)門關(guān)小至35%及以下時會發(fā)生振動，長時間振動后調(diào)節(jié)閥的套筒與蝶閥定位銷會出現(xiàn)磨損導致斷裂（圖3）。若套筒與蝶閥定位銷斷裂會導致調(diào)節(jié)閥的套筒與蝶閥脫開，發(fā)生機組運行期間調(diào)節(jié)閥有全部關(guān)閉的風險，若汽門突然關(guān)閉會導致機組瞬態(tài)甩負荷，產(chǎn)生機組發(fā)生停機事故。

圖3 中調(diào)門定位銷磨損

3 調(diào)門振動故障分析及處理

3.1 油質(zhì)不良導致調(diào)門波動。

汽輪機發(fā)電機在正常運行期間，機械部分會發(fā)生磨損，如油中水分過大、有雜質(zhì)、酸值過高或黏度大等問題，在正常運行期間環(huán)境溫度高，會使機械部分腐蝕，并產(chǎn)生機械雜質(zhì)，雜質(zhì)堵塞油流孔導致調(diào)速部件卡澀。尤其是油動機油缸內(nèi)的滑閥與油缸卡澀，會使得有動機活動時卡澀，導致力傳導到調(diào)閥產(chǎn)生較大的振動。在汽輪發(fā)電機組正常運行期間，根據(jù)定期油質(zhì)化驗結(jié)果對油系統(tǒng)潤滑油進行濾油，保障定期油樣檢測能合格標準內(nèi)。

3.2 油壓波動導致調(diào)門波動

EH 油出口油壓波動，會影響到調(diào)閥油動機波動，導致調(diào)閥波動，油壓波動本身故障的原因，也有可能是高壓儲能器皮囊破損造成的。排除此問題需隔離儲能器，對儲能器壓力進行測量，檢測儲能器壓力是否處于規(guī)定值，若壓力低于規(guī)定值應進行充氮使壓力達到規(guī)定值，若充氮無效則是儲能器內(nèi)部皮囊損壞，需更換新皮囊。若儲能器無故障需停機檢查油泵有無故障。

3.3 調(diào)速系統(tǒng)的遲緩率大

調(diào)速系統(tǒng)中由于各部件的摩擦、卡澀、不靈活以及連桿、絞鏈等結(jié)合處的間隙、錯油門的重疊度等因素造成的動作遲緩。需對各部件進行檢查，檢查各部件緊固程度、間隙測量、是否需更換新部件等。若遲緩率過大會使油動機反應延遲，造成調(diào)門振動。

3.4 伺服閥故障

伺服閥接受到信號后，若伺服閥故障使油動機擺動造成調(diào)閥振動。伺服閥若是熱控故障，需檢查是否由線路、端子、程序故障引起，此類故障會導致油動機誤動或拒動，如誤動也有可能造成調(diào)閥振動；伺服閥長期在高溫、振動環(huán)境中運行，伺服閥部件與滑閥剛性聯(lián)接疲勞產(chǎn)生閥門振動；油質(zhì)不良或部件卡澀也會造成振動，甚至大幅度的閥門開關(guān)。

3.5 LVDT 故障

LVDT 是調(diào)閥位移傳感器，用來接收調(diào)閥的閥位移動信號，并將移動信號變成電信號傳遞給伺服放大器，然后對調(diào)閥進行閥位調(diào)節(jié)，連桿松動或信號線松動會使LVDT 接收的閥位變化量信號出現(xiàn)偏差，將錯誤的信號傳遞給伺服放大器，從而造成調(diào)閥突然的閥位變化發(fā)生振動。需注意是在LVDT 中，外殼（有3 個線圈，1 個是初級線圈，供給交流電源；另外兩側(cè)各饒有1 個次級線圈，這2 個線圈是反向連接，故次級線圈的凈輸出是2 個次級線圈所感應的電勢之差值）是固定不動的，鐵芯通過杠桿與油動機活塞桿相連，輸出的電信號就代表油動機的位移，也就是調(diào)節(jié)閥的開度。在長期高溫與振動的環(huán)境中，LVDT 的鐵芯一旦在活動方向上不垂直，與傳感器外殼長期摩擦，會導致芯桿磨損、斷裂、松動［2］。

3.6 油動機故障

油動機通過杠桿與調(diào)閥直接連接（圖4），油動機滑閥卡澀會直接導致調(diào)閥振動。在油動機行程相同的設(shè)定下，無論是正常情況還是卡澀情況，靜反饋彈簧拉力不變，所以受力分析式中兩者相等。另外，兩者除靜彈簧拉力值相同外，動反饋壓彈簧力等狀態(tài)穩(wěn)定的數(shù)值都保持初始定值。在油動機行程相同的情況下，卡澀狀態(tài)下可以得知，在油動機行程相同的情況下，卡澀狀態(tài)下的滑閥系統(tǒng)轉(zhuǎn)速二次油壓數(shù)值低于正常情況，所以滑閥系統(tǒng)的二次油壓狀況與卡澀程度存在直接關(guān)系。如果滑閥系閥系統(tǒng)出現(xiàn)的卡澀狀況沒有得到及時解決，機組負荷必然會在原基礎(chǔ)上大幅擺動，從而引起振動。

圖4 中壓調(diào)閥結(jié)構(gòu)

檢查錯油門有無雜質(zhì)卡澀回油口等情況，并對錯油門進行清洗。油動機運行時卡澀有可能是油內(nèi)有雜質(zhì)或滑閥與油缸碰磨，需對油動機進行檢修。檢查油動機油缸密封件有無缺陷，對油缸內(nèi)密封檢查有缺陷需更換。

3.7 大幅度升降負荷導致閥門振動

汽輪機進汽參數(shù)大幅波動會導致調(diào)閥振動，主要原因：①人為運行過程中調(diào)整操作不合理導致的；②調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成與機構(gòu)異常，需在停止汽輪機的運行情況下進行拉閥試驗，具體操作如下：把調(diào)速氣門和油動機脫開，全開汽機調(diào)節(jié)汽門，確保氣門保持空轉(zhuǎn)狀態(tài)。對于負荷實驗的模擬，相關(guān)人員要將中低壓油動機全部打開，利用同步器將設(shè)備從零調(diào)節(jié)到滿負荷，再從滿負荷調(diào)到零。至于油動機工作形成的處理，可以設(shè)計分出多個不同停留點位置，逐次給出二次油壓，對應油動機形成。如果實驗最終結(jié)果顯示出實際狀況一致的負荷大幅度擺動狀態(tài)，這邊代表負荷大幅度擺動的產(chǎn)生于調(diào)速汽門、反饋等相關(guān)機構(gòu)無關(guān)，加上對轉(zhuǎn)速一次油壓的數(shù)值分析，基本可以得出轉(zhuǎn)速感應機構(gòu)和負荷擺動的關(guān)系。

3.8 調(diào)汽閥設(shè)計無法滿足實際運行工況

實際運行工況：福建省福能晉南熱電有限公司供熱分為中壓供熱及低壓供熱，中壓供熱汽源為汽輪機第二級抽汽，蒸汽在高壓缸做完功后，經(jīng)中調(diào)門排至汽輪機低壓缸繼續(xù)做功，通過控制中調(diào)門開度，可實現(xiàn)不同功率情況下保障中壓供熱蒸汽壓力穩(wěn)定；低壓供熱汽源為蒸汽在汽輪機低壓缸做完功后的排汽。因熱網(wǎng)負荷變化幅度大，當?shù)蛪汗崃拷档蜁r，發(fā)電機負荷19 MW，汽輪機中調(diào)門開度30%，可滿足2.7 MPa 的中壓供熱參數(shù)需求，當?shù)蛪汗崃坷^續(xù)降低，發(fā)電機負荷降至18 MW 時，此時汽輪機中調(diào)門30%開度時無法滿足2.7 MPa中壓供熱壓力，需將中調(diào)門繼續(xù)往下關(guān)閉，而中調(diào)門關(guān)至30%以下又劇烈振動，無法保持安全運行，運行人員只能將中壓供熱從汽輪機抽汽退出，采用從鍋爐主蒸汽通過減溫減壓器把蒸汽壓力降至2.7 MPa 到熱網(wǎng)中壓供熱，鍋爐主蒸汽母管蒸汽直接減溫減壓供熱未經(jīng)汽輪機做功，預計每日存在1.2 萬～1.5 萬kWh的電量浪費。

汽輪機中調(diào)門設(shè)計結(jié)構(gòu)：本汽輪機中調(diào)閥為壓力卸載單座閥，閥體座落于汽輪機上汽缸左右兩側(cè)，作用是按照控制單元的指令，開大關(guān)小閥門，從而改變進入汽輪機第二膨脹段、第三膨脹段的蒸汽流量，以使汽輪機功率和抽氣量符合運行要求。

汽輪機中調(diào)門振動原因：當需要開大汽輪機中調(diào)門時，閥桿拉動閥碟，使閥碟上移；當需要關(guān)小汽輪機中調(diào)門時，閥桿帶動閥碟，使閥碟下移，因套筒及閥碟之間有一定間隙（圖4），運行中蒸汽沿該間隙泄露至閥碟上部。當閥碟上部蒸汽聚集到一定值而又無法排泄時，閥碟上部蒸汽壓力增大，閥碟上部面積壓強增大，閥碟向下擠壓，而控制單元未給指令，需維持閥門在此開度，此時，閥碟下壓，油動機需克服閥門向下關(guān)小的力，引起閥門振動，甚至突然下關(guān)。

汽輪機中調(diào)門振動處理：汽輪機中調(diào)門閥蝶原設(shè)計有2×Φ12 的平衡孔（圖4），利用停機機會對中調(diào)門蝶閥平衡孔進行增加，把中調(diào)門蝶閥平衡孔加工為4×Φ12，使得關(guān)小汽輪機中調(diào)門時套筒及閥碟之間從間隙泄露至閥碟上部的蒸汽排泄量增大，閥碟上部蒸汽壓力減小，閥碟上部面積壓強減小。

改造后熱網(wǎng)負荷變化幅度大，當?shù)蛪汗崃拷档蜁r，發(fā)電機負荷13 MW，汽輪機中調(diào)門開度23%，可滿足2.7 MPa 的中壓供熱參數(shù)需求，保持該開度運行現(xiàn)場檢查無發(fā)現(xiàn)汽輪機中調(diào)門振動現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本文列舉了福建省福能晉南熱電有限公司汽輪機在運行過程中調(diào)門振動帶來的危害及情況，分別對中調(diào)門振動產(chǎn)生的原因進行分析排查，確定汽輪機中調(diào)門運行中振動原因為中調(diào)門設(shè)計無法滿足實際運行工況造成。由于氣流激振引起的閥門振動，通過對中調(diào)門蝶閥平衡孔進行擴孔，把蝶閥上部蒸汽增大排泄量，減小蝶閥上部壓力、壓強，消除了低負荷期間汽輪機中調(diào)門振動的現(xiàn)象，消除了機組運行安全隱患，增加了每日1.2 萬kWh 到1.5 萬kWh 的電量，可謂是一舉多得。