300MW汽輪機組振動不穩定的原因分析及處理措施

侯 銳

（大唐河北發電有限公司馬頭熱電分公司，河北 邯鄲 056044）

1 概述

某發電廠10號機組為 C300/220－16.7/0.35/537/537型亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽抽汽凝汽式汽輪機，汽輪發電機組軸系由4個轉子構成，即1個高中壓轉子、1個低壓轉子、1個發電機轉子、1個滑環軸轉子。機組共7個軸瓦，其中1、2號軸瓦為可傾瓦，支撐高中壓轉子；3、4號軸瓦為橢圓瓦，支撐低壓轉子；5、6號軸瓦為橢圓瓦，支撐發電機轉子；7號軸瓦為圓筒瓦，是滑環軸尾部的小瓦。各轉子之間均采用剛性聯軸器聯接。

2 機組振動情況

2010年5月1日，該機組首次啟動，汽輪機沖車過臨界時，2號軸瓦振動幅度不大，2X方向振動幅度35μm，見圖1。隨著啟停次數的增加，在機組升速和降速過臨界時，2號軸瓦振動幅度逐步增大，而且降速過臨界時振動幅度較升速過臨界時振動幅度稍大，其中以2X方向的振動最為突出。2010年11月8日機組升速過臨界（轉速1 501r/min）時，2X方向振動幅度增大至247μm，見圖2，停機降速過臨界時振動幅度257μm，比升速振動大；2011年1月12日，機組啟動過臨界（轉速1 520r/min）時，2X方向的振動幅度增大至282μm，見圖3。

圖1 2010年5月1日升速時2號軸瓦2X方向振動Bode圖

圖2 2010年11月8日升速時2號軸瓦2X方向振動Bode圖

圖3 2011年1月12日升速時2號軸瓦2X方向振動Bode圖

該機組過臨界時，2號軸瓦的振動特征為：一次比一次大，降速比升速大，熱態比冷態大。對比2011年1月機組啟動后運行情況，在機組額定轉速（3 000r/min）時，2號軸瓦振動幅度較投產時也明顯增大。

3 振動不穩定的原因分析

通過分析機組過臨界時2號軸瓦振動Bode圖，發現引起機組過臨界時振動幅度增加的主振頻率為基頻，此外，機組運行一段時間后，在額定轉速（3 000r/min）時，1、2號軸瓦振動幅度有所增大，基頻相位有一定變化，而且振動由原來的反向變成了同向。同時，從2010年5月到2011年1月，2X方向基頻振動幅度由25μm變為280μm，基頻相位由311°變為269°；1X方向基頻相位由250°變為273°。

以上振動特征說明，高中壓轉子發生了彎曲。可能引起高中壓轉子彎曲的原因有：嚴重動靜碰摩；汽缸進水；轉子存在大的殘余內應力。機組在正常運行過程中，當存在較大殘余內應力的轉子高溫軸段（尤其是熱應力系數變化強烈的400℃左右的軸段）突然遭遇大量冷卻介質等異常情況導致停機時，由于初始溫度高、溫降梯度大及機組轉速大幅降低等原因，轉子內部殘余應力的各相異性迅速顯現，此時，即使異常外力不超標，但較大的內、外應力矢量相互替加，也會在敏感軸段的某些方向形成很大的應力躍變，當應力躍變的幅度達到或超過材料在該溫度下的屈服極限時，就會形成局部塑性變形，導致轉子發生永久性彎曲［1］。

通過追憶DCS曲線，以及每次啟動時機組的膨脹、脹差、上下缸溫差等參數均在合格范圍內，而且嚴重動靜碰摩和汽缸進水，不會造成機組振動一次比一次大，因此可初步確定轉子存在較大的殘余內應力。

由轉子存在較大殘余內應力引起振動的典型特征為［1］：機組首次啟動時振動幅度不大，但隨著機組啟停次數的增加，盡管每次啟停過程中機組的蒸汽參數、上下缸溫差、膨脹及脹差等參數均正常，機組過臨界振動幅度也會逐漸增大，即一次比一次大；機組過臨界時，振動幅度增大，而且在機組額定轉速，振動幅度也有所增大，但增大幅度明顯小于過臨界時振動幅度的增大量；在任一轉速下，當轉速穩定時，振動幅值及相位基本穩定；振動主振頻率為基頻，其它頻率成分的振動分量均較小；機組降速過臨界時振動幅度較升速過臨界時振動幅度大，熱態較冷態大，但振動曲線形式基本相同。

通過前述現象可知該機組的振動特征與上述特征相符，所以可以確定引起該機組高中壓轉子振動增大的原因是高中壓轉子存在較大的殘余內應力。

4 振動不穩定的處理措施

根據轉子彎曲程度的不同，處理此類故障常用的方法有3種［1］：轉子返廠處理；對轉子進行現場直軸處理；對彎曲變形小于50μm的轉子，僅在機組檢修啟動時直接進行高速動平衡來處理振動問題。根據對轉子彎曲原因的分析可知，第1種處理方式比較完善；第2種處理方式存在彎曲回彈的隱患；采用第3種處理方式時，若轉子內應力未得到徹底釋放，則在機組非正常啟、停機過程中，應防止內應力發生突變，加重轉子的彎曲變形。

為了處理2號軸瓦過臨界時振動幅度超標的問題，于2010年9月對該機組進行了大修，揭開高中壓缸進行檢查，發現中壓第4級、第5級動葉葉頂汽封有部分脫落與動葉圍帶發生碰摩，圍帶頂部有約100μm深的溝痕，缸內沒有發現其他磨痕，由于正常運行時振動無異常，說明機組啟停過程中振動引起碰摩，但碰摩不會使振動幅度一次比一次大，因此碰摩是振動造成的結果，而不是振動的原因。通過實測發現，高中壓過橋汽封及中壓第2級隔板汽封處轉子彎曲了100μm。鑒于轉子彎曲量不大，以及去應力處理的工藝要求，轉子返廠沒有進行去應力處理，只將轉子進行高速動平衡處理，將磨損的兩級動葉圍帶車削掉磨損痕跡，并將脫落汽封的隔板返廠修復。2010年10月，該機組大修結束，啟動過臨界時2號軸瓦振動得到明顯改善，臨界振動值為101μm。

5 結束語

隨著大型超臨界機組設計、制造與運行水平日漸成熟，發生轉子彎曲的概率已很小，但近年來超臨界汽輪機的高中壓轉子在若干電廠相繼發生了熱彎曲或永久性彎曲事故，嚴重危及機組的安全，且造成了巨大的經濟損失。由于鍛件毛坯的“自然時效”時間不夠，未進行去應力熱處理，或熱處理工藝不當，可能造成轉子存在較大殘余內應力，引起高中壓轉子彎曲［2］。因此，建議汽輪機生產廠家嚴格執行熱處理工藝，確保轉子內部殘余應力得以完全釋放。對于已投產存在該類振動情況的機組，在采取有效措施處理轉子的同時，運行中應避免出現溫度、負荷等參數的大幅度波動，另外，在停機時不應投入快速冷卻裝置，避免冷介質進入高中壓缸內。

［1］ 田國成，陳會平，柳洪濤.超臨界汽輪機高中壓轉子彎曲及異常振動的分析與處理［J］.動力工程，2009，29（10）：909－913.

［2］ 張學延，楊壽敏，張衛軍，等.汽輪發電機組轉子材質缺陷引起的振動問題［J］.中國電力，2010，43（5）：38－42.