汽輪機低壓轉(zhuǎn)子熱彎曲振動特性分析及診斷

吳 韜

（中國大唐集團科學技術(shù)研究總院有限公司華北電力試驗研究院，北京 100043）

0 引言

汽輪機是火力發(fā)電廠中的重要設備，其安全、穩(wěn)定運行是電廠安全生產(chǎn)的重要保障。轉(zhuǎn)子熱彎曲故障屬于嚴重安全隱患，對此類問題的準確分析、及時診斷并采取有效措施可防止隱患的進一步發(fā)展，避免重大安全事故，應引起設備管理專家足夠的重視。

1 設備概況

某發(fā)電廠8 號機組為東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的N300-16.7/537/537 型、亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽凝汽式（合缸）機組，軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機轉(zhuǎn)子組成，分別由1～6 號軸承支撐，其中1 號、2 號軸承為可傾瓦，3號、4 號、5 號、6 號軸承為橢圓瓦。該機組于2001 年8 月20 日投產(chǎn)。汽輪機軸系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 汽輪機軸系結(jié)構(gòu)

2005 年10 月1 日機組第一次大修，在大修中進行了高中壓缸布萊登汽封改造，高壓后、中壓后軸封最外4 道更換鐵素體汽封，高壓調(diào)節(jié)級葉頂及葉根3 道汽封及中壓一級隔板汽封更換原型號汽封外，其他軸封及隔板汽封39 道全部更換為布萊登汽封，總計改造汽封51 道。通過加厚16 mm 低壓轉(zhuǎn)子盤車齒輪環(huán)，解決發(fā)電機磁力中心偏差問題。在軸系調(diào)整中通過調(diào)整發(fā)電機軸瓦底部墊鐵墊片厚度，實現(xiàn)調(diào)整中心工作，沒有動過發(fā)電機基礎，發(fā)電機調(diào)整墊片沒有動過。

2011 年8 月10 日機組第二次大修，在大修中進行了汽輪機通流改造。改造范圍：高中壓轉(zhuǎn)子及動葉片更新；低壓轉(zhuǎn)子采用3 號機組帶有中心孔的舊轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子返廠更新動葉片；高壓內(nèi)缸及低壓內(nèi)缸更新；高、中、低壓隔板全部更新；汽輪機軸承全部更新。在軸系調(diào)整中也沒有動過發(fā)電機基礎，發(fā)電機調(diào)整墊片沒有動過。

2015 年3 月3 日機組第三次大修，在大修中發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子彎曲0.05 mm，中壓聯(lián)軸器晃度0.09 mm，轉(zhuǎn)子彎曲超標。采取高中壓轉(zhuǎn)子返廠進行加工，消除軸彎曲，并進行了全速動平衡試驗。低壓轉(zhuǎn)子正、反向4 級、5 級動葉鎖口葉片有甩出現(xiàn)象，鎖口葉片頂部與徑向汽封發(fā)生摩擦。按照廠家建議采用鉗工打磨方式，消除鎖葉葉頂高出部分，盡量低于標準葉片0.2 mm 左右。同期連通管進行打孔抽汽供熱改造。在軸系調(diào)整中沒有動過發(fā)電機基礎，發(fā)電機調(diào)整墊片沒有動過。

2 振動情況及數(shù)據(jù)

2011 年8 月大修（通流改造）后，低壓缸的3 號、4 號軸承軸振偏大。2011 年大修后振動情況見表1。

表1 2011 年大修后振動情況 μm

2015 年1 月大修后，3 號、4 號軸承軸振較2011 年修后有進一步增大趨勢。2015 年大修后振動情況見表2。

表2 2015 年大修后振動情況 μm

隨著機組運行周期延長，2019 年機組在供熱期，4 號軸振軸振最大在120 μm 左右，3 號、4 號瓦振動趨勢變化如圖2 所示。

圖2 2019 年供熱期3 號、4 號瓦振動趨勢變化

2019 年—2022 年機組啟停機3 號、4 號瓦振動情況見表3～表7。

表3 2019 年3 月機組啟動振動情況（通頻/1 倍頻/1 倍頻相位）

表4 2019 年8 月機組停機振動情況（通頻/1 倍頻/1 倍頻相位）

表5 2020 年4 月機組啟動振動情況（通頻/1 倍頻/1 倍頻相位）

表6 2021 年6 月機組啟動振動情況（通頻/1 倍頻/1 倍頻相位）

表7 2022 年10 月機組啟動振動情況（通頻/1 倍頻/1 倍頻相位）

3 振動特征及影響因素

3 號、4 號瓦振動以基頻為主，空負荷時3 號、4 號瓦號軸振最大45 μm，說明冷態(tài)下低壓轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)良好[1]。3 號、4 號瓦振動頻譜如圖3 所示。

圖3 3 號、4 號瓦振動頻譜

（1）機組負荷對振動的影響。負荷高時振動值大，低負荷時振動值降低，3 號、4 號瓦振動隨負荷變化情況如圖4 所示。

圖4 3 號、4 號瓦振動隨負荷變化情況

（2）供熱抽汽對振動的影響。在相同174 MW 工況時，機組供熱時3X 降低21 μm，3Y 降低21 μm，4 X 降低37 μm，4 Y 降低21 μm，3 號、4 號軸承振動隨供熱抽汽量的增大而降低，相同負荷下供熱抽汽對3 號、4 號瓦振動影響情況如圖5 所示。

圖5 相同負荷下供熱抽汽對3 號、4 號瓦振動影響情況

（3）主蒸汽、再熱蒸汽溫度對振動的影響。在滑參數(shù)停機過程中，負荷均在200 MW，主蒸汽及再熱蒸汽溫度降至430 ℃左右時，3X 降至89 μm，3Y 降至82 μm，4 X 降至93 μm，4 Y 降至73 μm，主蒸汽、再熱蒸汽溫度對3、4 瓦振動影響情況如圖6 所示。

圖6 主蒸汽、再熱蒸汽溫度對3 號、4 號瓦振動影響情況

4 熱彎曲診斷

機組歷次冷態(tài)啟機后，3000 r/min 時振動良好，帶負荷后，3 號、4 號瓦振動都出現(xiàn)明顯上升。帶負荷初振動快速上升，負荷升高后，振動達到最大數(shù)值，之后振動隨負荷波動。振動主要是工頻成分，重復性較好；由滑停時振動情況可知，隨著進汽溫度降低振動逐步呈下降趨勢，振動受溫度變化影響較大[2-3]。

從這種現(xiàn)象分析，冷態(tài)啟機到帶負荷是對轉(zhuǎn)子進行加熱的過程，轉(zhuǎn)子受熱后溫度上升，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了熱彎曲，引起振動上升。帶負荷過程隨負荷變化，轉(zhuǎn)子加熱冷卻，轉(zhuǎn)子溫度高低發(fā)生變化，引起彎曲大小變化，導致振動波動[4-5]。

5 結(jié)束語

通過對某發(fā)電廠低壓轉(zhuǎn)子近年的啟停振動數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，3000 r/min 時振動良好，帶負荷后振動快速爬升，且振動表現(xiàn)出與負荷較強的相關性，是典型的轉(zhuǎn)子熱彎曲特征。

由于轉(zhuǎn)子熱彎曲故障常見于高、中壓轉(zhuǎn)子，在低壓轉(zhuǎn)子上發(fā)生的案例較少，且轉(zhuǎn)子兩側(cè)相位同向，給熱彎曲的診斷帶來了一定困難。此類問題的診斷需結(jié)合機組長期啟停機及帶負荷振動數(shù)據(jù)共同分析，綜合判斷得出結(jié)論。