汽流激振機理分析及某330 MW 汽輪機故障處理

姜廣政，傅行軍

(東南大學火電機組振動國家工程研究中心，江蘇南京 210096)

汽流激振是由蒸汽激振力激發的在汽輪機高中壓轉子上產生的一種自激振動現象。隨著汽輪發電機組向大容量、高參數方向發展，汽流激振問題越來越突出，20 世紀七八十年代，美國、俄羅斯等國在發展超臨界機組過程中都遇到了不同程度的汽流激振問題，近二十多年來，我國的汽流激振問題也較突出[1]。

1 汽流激振機理

目前關于汽流激振方面的研究還不是很成熟，初步分析表明，由于蒸汽對轉子系統形成了一個作用在轉子偏心垂直方向上并與轉子線速度方向同向的切向力，在一個振動周期內，若該力所做的功大于系統阻尼消耗的能量，就會導致系統失穩，形成汽流激振。汽流激振力主要來源有3個方面：（1）葉頂間隙不均勻產生的激振力；（2）密封間隙不均產生的激振力；（3）部分進汽和轉子偏心等因素產生的靜態汽流力[2]。

2 汽流激振故障的一般特征

（1）對負荷較敏感，具有突發性。汽流激振一般出現在負荷逐漸增加的過程中，且一般發生在較高負荷區。存在一個門檻負荷，當負荷超過這一閾值后，汽流激振立即被激發；負荷降至該值以下，汽流激振消失，振動恢復正常[3]。

（2）汽流激振嚴重時，低頻振動的頻率通常等于轉子固有頻率，但大多數情況下，振動頻率以工頻的一半為主。

（3）汽流激振引起的低頻振動有時與調節閥的開啟順序和開度有關。通過調整閥門開啟順序，能夠避免或減小低頻振動幅值[4]。

3 某330 MW 機組汽流激振實例分析

3.1 機組概況

某電廠1 號機組為東方汽輪機廠生產的330 MW 機組，機組型號為C330/262-16.7/0.3/538/538。軸系由高中壓轉子、低壓轉子以及發電機轉子組成，共有7個瓦支撐。機組軸系如圖1 所示，閥門布置如圖2 所示。機組順序閥調門次序為3，4—1—2。

圖1 軸系圖

圖2 閥門布置

3.2 振動情況

機組在單閥帶大負荷過程中，1 號瓦和2 號瓦的軸振會出現比較大的低頻振動。根據機組的振動情況，現場決定進行調門次序試驗。

（1）15:40 開始，機組從320 MW 順序閥降負荷。如表1 所示。

表1 順序閥降負荷時各瓦振動數據 μm/μm∠°

根據振動數據可知，在順序閥降負荷過程中，機組振動正常，并未出現低頻振動現象。

（2）18:10時，負荷降至210 MW，此時，切換機組運行方式為單閥，然后進行升負荷試驗，監測軸系振動情況，數據及頻譜圖如表2、圖3、圖4、圖5 所示。

（3）22:50時，負荷為250 MW，切換機組運行方式為順序閥（3，4—1—2），進行升負荷試驗，此時并未出現低頻振動現象，振動數據如表3 所示。試驗過程中各瓦瓦溫情況如表4 所示。

表2 單閥升負荷時各瓦振動數據 μm/μm∠°

圖3 18:52時300 MW 負荷1Y 頻譜圖

圖4 19:40時300 MW 負荷1Y 頻譜圖

圖5 22:00時320 MW 負荷1Y 頻譜圖

表3 順序閥升負荷時各瓦振動數據 μm/μm∠°

表4 試驗過程中各瓦瓦溫情況

3.3 振動特征及原因分析

單閥運行時，當負荷低于300 MW時，沒有出現低頻振動，且各瓦振動幅值均不大，負荷剛帶到300 MW時，1 瓦出現了少量的低頻振動，但振動仍以工頻為主，如圖3 所示。保持機組在300 MW 負荷運行一段時間后，振動發散，1 瓦的低頻振動幅值超過工頻成為主要振動，且低頻成分為25 Hz，如圖4 所示。隨著負荷增加，振動逐漸增大，到320 MW時，1Y，2Y，3X 均已超過75 μm，見表2。且低頻振動現象越來越明顯，如圖5 所示。由于振動對機組所帶負荷變化較敏感，當負荷大于300 MW 之后，振動迅速增加，與轉速無關，且低頻振動頻率以半頻為主，故判斷故障為汽流激振。造成汽流激振失穩的原因可以分為2個部分：（1）汽流作用在轉子上的失穩力較大。（2）軸系穩定性差。

機組在單閥運行時出現失穩，而在順序閥沒有失穩現象，其原因可能為在順序閥下剩余汽流力作用在轉子上產生一個向下的力，增加軸承載荷，提高了軸系穩定性，而在單閥情況，因噴嘴配汽產生的剩余汽流力為0，而軸系自身穩定性不好，則引發失穩。另結合試驗過程瓦溫分析，見表4。在單閥320 MW 負荷時，1瓦、2 瓦瓦溫較順序閥明顯降低，表明1 瓦、2 瓦載荷減小，穩定性變差，且1 瓦、2 瓦之間溫度相差過大。故判斷是軸系載荷分配不合理，導致軸系穩定性較差。

3.4 處理方案

結合試驗過程振動數據、瓦溫及大修有關解體情況，需進行改善軸系負荷分配等措施，提高軸系穩定性。決定調整2 瓦標高至比3 瓦低0.45 mm。同時盡量減小軸系對中偏差，調整中低對輪和低發對輪的張口值，控制通流部分動靜間隙，特別是高中壓部分，注意保持冷態到熱態動靜間隙均勻。有條件盡量減小1 號、2 號瓦頂部間隙。方案實施后，機組在單閥和順序閥滿負荷運行時，振動達到優秀水平，且不再出現低頻振動。

4 結束語

本文對汽流激振的機理、特征進行了簡單地闡述，指出了產生汽流激振的主要原因可以歸結為2 點：（1）汽流作用在轉子上的失穩力較大。（2）軸系自身穩定性較差。故可以從這2 點著手解決汽流激振問題。針對本文提到的某330MW 機組發生的汽流激振故障，通過調整2 瓦的標高來增加軸系的穩定性，從而很好地抑制了失穩現象。

[1]楊建剛.旋轉機械振動分析與工程應用[M].北京：中國電力出版社，2007：131-132.

[2]楊建剛，朱天云，高 偉.汽流激振對軸系穩定性的影響分析[J].中國電機工程學報，1998，18（1）.

[3]張學延，王延博，張衛軍.大型汽輪機汽流激振問題的分析和處理[J].熱力發電，2004（2）：47-55.

[4]崔亞輝，張俊杰，徐福海，等.某臺300 MW 汽流激振故障的分析和處理[J].汽輪機技術，2012，54（2）：158-160.