某200 MW汽輪機軸封積碳振動故障診斷及改進措施

王智雷

（國能吉林龍華熱電股份有限公司白城熱電廠，吉林 白城 137000）

0 引言

汽輪機動靜間隙通常指隔板汽封、軸端汽封與大軸或動葉柵與汽缸之間的間隙，正常運行情況下，其受進汽量、進汽壓力等因素影響在設計范圍內(nèi)不斷變化。而當故障發(fā)生時，動靜間隙將低于設計下限發(fā)生動靜碰磨，嚴重時引起軸彎曲、軸承振動，甚至軸系斷裂事故［1-2］。其中，軸承箱油檔或汽封處積碳是一種典型因動靜間隙消失引起的振動故障［3］，其發(fā)生位置較為隱蔽而不易被巡視人員及時發(fā)現(xiàn)，常因處理不當造成機組跳閘或無法按時啟動。

某機組1號軸振首次發(fā)生振動波動后，振動幅度逐漸增大，同時2號軸振也隨之有所波動，波動時間在15 min左右。通過參數(shù)分析及檢查發(fā)現(xiàn)振動故障原因為1號軸瓦油檔碳化摩擦［4］。某廠1號機組自投產(chǎn)以來，1號及2號軸瓦振動出現(xiàn)無規(guī)律增大現(xiàn)象，最高達180μm以上。利用停機機會檢查后發(fā)現(xiàn)軸承座油檔存在積碳現(xiàn)象［5］?？梢妼τ诮^大多數(shù)機組，由于軸承箱油檔與汽封間隔距離較小，在汽封壓力過大或間隙不合理時均能夠?qū)е掠蜋n積碳問題［6-9］。

1 設備概況

某電廠1號機組汽輪機為高溫高壓、單缸單軸濕冷凝汽式汽輪機，其軸系由高壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機轉(zhuǎn)子和勵磁機轉(zhuǎn)子組成，各轉(zhuǎn)子間采用剛性聯(lián)軸器連接，每根轉(zhuǎn)子均由2個支撐軸承支撐，其結(jié)構(gòu)見圖1。軸封為自密封汽封系統(tǒng)，由高、中壓缸軸端汽封的漏汽，經(jīng)汽封母管向低壓缸端部汽封供汽。在機組開機或高壓汽封量不足時，汽封由外部其他蒸汽供汽。設計采用梳齒迷宮式汽封，高中壓缸、低壓缸及高中壓平衡汽封間隙均按設計標準下限控制安裝。

圖1 1號機組軸系結(jié)構(gòu)示意

2 故障現(xiàn)象及現(xiàn)場檢查

該機組自投產(chǎn)后，軸系各項振動指標整體運行情況良好。2019年2月，該汽輪機1號軸振幅值在30～42μm波動，隨運行時間呈緩慢上漲趨勢，且歷次重新開機后1瓦軸振振幅均有較大增幅，2瓦軸振振幅受1瓦影響亦隨之增大。直至2020年1月，機組啟動時汽輪機因1瓦軸振大無法定速。

在振動發(fā)生后，通過現(xiàn)場查閱機組負荷、轉(zhuǎn)速、主蒸汽壓力、主蒸汽溫度、潤滑油壓力、支撐瓦溫及推力瓦溫、脹差、各段抽汽管壁溫度等參數(shù)歷史曲線與各瓦軸振歷史曲線進行對比，未發(fā)現(xiàn)其中存在必然關聯(lián)，由此可排除進冷汽情況。由于該機組并網(wǎng)運行期間軸振呈緩慢上漲趨勢，不符合動平衡產(chǎn)生的振動特點。

調(diào)取振動監(jiān)測系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)，頻譜顯示1瓦及2瓦軸振頻譜分量均以1倍頻為主，振幅波動過程中其相位亦呈不穩(wěn)定間歇性變化，并伴有少量0.5倍頻和2倍頻頻譜分量，且Y向通頻增量大于X向振動增量，符合局部隨機碰磨振動特征，常見原因有油檔、汽封等密封部件發(fā)生動靜摩擦。為進一步明確故障原因，現(xiàn)場查閱2瓦及軸承箱設計圖紙，同時進行解體檢查。

解體檢查后，發(fā)現(xiàn)該汽輪機高壓軸封體表面存在大量碳沫，缸內(nèi)高壓通流部分多級隔板、葉片全周表面等明顯附著一層細碳沫。各段汽封環(huán)間隔內(nèi)均塞滿硬質(zhì)碳化物，部分軸封阻汽片存在變形和斷裂掉落情況。為探究碳化物來源，經(jīng)進一步解體檢查，發(fā)現(xiàn)汽封體兩側(cè)高壓汽封供汽及回汽管道內(nèi)堆積大量油泥及碳化物。

3 原因分析及處理

3.1 從積碳形成機理分析

依據(jù)解體檢查結(jié)果，汽輪機無法定速原因為1瓦軸封處存在大量積碳。為了探究碳化物形成機理原因，查閱機組設計圖紙，發(fā)現(xiàn)4瓦與低壓軸封為整體布置結(jié)構(gòu)，軸瓦油檔間隙偏大且與低壓汽封距離較小。機組運行期間部分潤滑油濺入軸封供汽管路，潤滑油在高溫蒸汽加熱下，產(chǎn)生的油煙沿低壓軸封管路竄入高壓軸封。機組在啟動及正常運行期間軸封供汽溫度維持在220～240℃，在高溫蒸汽輻射下沉積油泥形成碳化物［1-2］，附著在軸封體、隔板等部件表面。

3.2 從動靜碰磨機理分析

隨著機組啟停次數(shù)和運行時間增加，逐漸形成質(zhì)地堅硬的碳化物［3-4］沉積在汽封環(huán)間隔，造成油檔的高度增加、油檔與汽輪機轉(zhuǎn)子間隙減小，最終發(fā)生局部動靜碰磨。從機組出現(xiàn)振動現(xiàn)象以來總體呈上漲趨勢，該碳化物形成及堆積時間至少在10個月以上。隨機碰磨可使碳化物短期內(nèi)沉積厚度減薄，振動幅值出現(xiàn)間歇性下降，但隨著碳化物沉積量逐漸增多，長期隨機碰磨將造成轉(zhuǎn)子局部過熱形成熱彎曲，加劇汽輪機振動，動靜部件碰磨劇烈程度隨之增加，造成部分汽封阻汽片脫落。

3.3 處理措施

現(xiàn)場人員對油檔等處碳化油垢徹底進行清理，同時在低壓汽封與油檔間設置隔板，防止?jié)櫥驮俅螢R入軸封系統(tǒng)。經(jīng)處理后，機組啟動時1號及2號軸振恢復至原始水平。停機檢修時，未再發(fā)現(xiàn)高壓汽封處存在碳化物沉積情況。

4 結(jié)論及建議

通過對某電廠1號機組1號及2號軸振間歇性振動原因分析及處理，可見汽封積碳碰磨引起的振動呈不穩(wěn)定持續(xù)變化特點，積碳大量聚集后振動快速爬升，具體結(jié)論及建議如下。

1）該機組軸系振動的根本原因是軸瓦潤滑油濺入低壓軸封供汽管路，由軸封蒸汽帶入高壓軸封段，使碳化后的高壓軸封與轉(zhuǎn)子碰磨。

2）從積碳形成機理看，碳化物從形成到沉積硬化，最終導致動靜間隙減小碰磨，整個過程持續(xù)10個月以上，需引起足夠重視。

3）對于同類型機組，應建立完善振動臺賬。發(fā)生振動異常時，應及時排查軸封積碳情況，避免因振動值持續(xù)增大，引發(fā)汽封齒等其他部件變形或損壞而造成嚴重事故。

4）鑒于軸瓦油檔與汽封間隔距離較小的特點，徹底解決該問題的方法是采取軸瓦與低壓軸封分開布置改造方式，使油檔與軸封之間保持必要的空隙，一方面減弱高溫輻射強度，另一方面避免灰塵雜物進入軸管道，保持軸封在清潔環(huán)境下運行。