TRT發電機啟機故障診斷及技術分析

黃龍強，周宏

(重慶鋼鐵股份有限公司能源管控中心，重慶401258)

熱電

TRT發電機啟機故障診斷及技術分析

黃龍強，周宏

(重慶鋼鐵股份有限公司能源管控中心，重慶401258)

針對重鋼16 MW高爐TRT發電機啟機過程出現的在通過臨界轉速時發生較大振動導致聯鎖停機這一故障進行技術分析，并提出了整改方案，實施后運行狀況良好。

TRT發電機；臨界轉速；診斷；振動

1 TRT發電機工藝概況

高爐爐頂煤氣余壓回收透平發電裝置(Top Gas Pressure Recovery Turbine簡稱TRT)是目前國際上公認的有價值的二次能源回收裝置。它是利用煉鐵高爐爐頂煤氣中的壓力能及熱能經透平膨脹做功來驅動發電機組發電。TRT發電機組回收高爐鼓風機所需能量的30%左右，實際上回收了原來在減壓閥組中白白損失的能量。這種發電方式既不消耗任何燃料，也不產生環境污染，發電成本十分低廉，僅為燃氣鍋爐發電的20%左右，是一個重大節能技術措施項目，經濟效益十分顯著。

TRT發電機正常運轉時，高爐荒煤氣經過干法除塵的凈化后，經過TRT發電機膨脹降溫后將煤氣送入高爐煤氣管網供各用戶使用或進入煤氣柜存儲。它可代替減壓閥組，調節穩定高爐爐頂壓力，控制靈敏，波動幅度小，可促進高爐的穩定順行。TRT發電機不運轉時，高爐荒煤氣通過干法除塵凈化，再經過減壓閥組減壓后將煤氣送入高爐煤氣管網供各用戶使用或進入煤氣柜存儲。

重鋼長壽新區現有3座2500 m3高爐，相應配套有3臺16 MW的TRT發電機。1＃、2＃高爐TRT發電機型號及結構形式完全相同；3＃高爐TRT發電機型號及結構形式與前兩套機組有所不同，具體參數對比參見表1。

2 高爐TRT發電機啟機過程存在的故障

3＃高爐TRT發電機自安裝完畢啟機動態調試過程中存在下面三種故障：

2.1 首次啟機無法通過臨界轉速

3＃TRT發電機第一次啟機參照1＃、2＃TRT發電機啟機程序操作，但是因通過臨界轉速時透平機1＃、2＃軸承振動超過160μm的聯鎖停機值而緊急停機。后又再啟機兩次，仍無法成功通過臨界轉速。

2.2 因故停機后立即重啟無法通過臨界轉速

在機組連續運行一個月后，因運行人員點巡檢發現機組缺陷申請短暫停機處理，處理完畢后立即重新啟機。在機組通過臨界轉速時透平機1＃、2＃軸承振動均達到200μm以上，且超過延時2 s而緊急停機。隨后又立即再次啟機，故障依舊。當時因無法判斷故障所在，故決定待機組盤車冷卻后第二天再啟機。第二天啟機則順利通過臨界轉速成功并網。我們隨即將這一情況向TRT發電機生產制造廠家進行了反饋，其技術人員也未能解釋原因，只說待進一步觀察。隨后又出現幾次3＃TRT發電機因故停機立即啟機無法通過臨界轉速。

2.3 長時間停機后正常啟機無法通過臨界轉速

因高爐停爐消除缺陷隱患，故3＃TRT發電機配合高爐停機較長時間。在此期間，為了避免3＃TRT發電機長時間停機導致轉子發生永久彎曲變形，每周盤車2次，每次盤車180°。高爐檢修完畢后啟3＃TRT發電機，緩慢升轉速和通過臨界轉速和正常啟機一樣，但是在通過臨界轉速時透平機1＃、2＃軸承振動最大值為171μm而聯鎖停機(當時程序未延時2 s)。再次啟機，通過臨界轉速時透平機1＃、2＃軸承振動最大值為191μm而聯鎖停機。第三次啟機，通過臨界轉速時透平機1＃、2＃軸承振動最大值達196μm而聯鎖停機。這三次啟機從機組沖轉到通過臨界轉速的時間均未超過30 min。

表1 3臺TRT發電機參數對比表

3 啟機故障技術分析及改進方案

針對3#16 MW高爐TRT發電機啟機過程的出現的三種故障，技術人員共同努力尋找解決辦法，有針對性地采取了一系列行之有效的措施。

3.1 首次啟機故障

3＃TRT發電機組的透平機轉子較重，且為柔性轉子，參照1＃、2＃TRT發電機啟機程序升速率較慢，導致其滯留臨界轉速區域的時間較長，沒有快速通過臨界轉速，因此振動值較大。影響TRT發電機組升速率的因素有煤氣壓力、溫度和流量。煤氣壓力高、煤氣溫度高、煤氣流量大都會增加升速率。高爐在生產過程中，煤氣壓力和溫度會有小幅波動，且為高爐生產控制。增加TRT發電機的升速率必須增大煤氣流量，這樣才能確保機組快速通過臨界轉速。增大煤氣流量有兩種方式，其一為增大入口電動蝶閥開度，其二為增大透平機的靜葉開度。

根據經驗，靜葉的開度對機組的轉速影響較為敏感，其細微變化都會使轉速變化較大，不易掌握和控制。所以決定在機組通過臨界轉速時入口電動蝶閥的開度由原來10%增加到30%。再一次啟機，機組逐漸升轉速到1000 r/min時短暫停留，檢查各參數和運行狀況正常后一次性開啟入口電動蝶閥至30%準備快速通過臨界轉速，但還是因透平機1＃、2＃軸承振動大超過聯鎖停機保護值而緊急停機。為避免一次啟機的偶然性，又再重啟機兩次，故障依舊。后決定將入口電動蝶閥的開度增加到40%。再一次啟機，機組還是未能通過臨界轉速。

經過進一步分析，認為入口電動蝶閥30%的開度可以確保足夠的煤氣流量讓機組通過臨界轉速，但入口電動蝶閥通徑1800 mm，由電機經過蝸輪蝸桿減速裝置驅動，其開啟的速度并不快，這樣導致機組的升速率仍不夠。TRT發電機設計有兩個DN800mm液壓旁通快開閥。在運行過程中均為全關狀態，一個為主閥，另一個為備用副閥。其作用為TRT發電機在運行過程中緊急停機時由程序控制開啟旁通快開閥一定的開度，以減小高爐爐頂壓力的波動而不影響其生產。

經過與TRT發電機生產制造廠家技術人員溝通交流后，決定在通過臨界轉速之前的升速過程中開啟一個旁通快開閥一定開度；在通過臨界轉速時人為關閉旁通快開閥，因其為液壓控制則會在很短時間內全關閉，讓煤氣全部通過TRT發電機而提高升速率。再一次啟機，當機組轉速＞100 r/min時，逐漸人為開啟旁通快開閥一定開度，并同時調整入口電動蝶閥開度，保持機組按照2～3 r/s速率升高轉速。當機組逐漸升轉速到1000 r/min時逐漸調整入口電動蝶閥開度至30%，同時調整旁通快開閥開度至30%。短暫停留并檢查各參數和運行狀況正常后人為全關閉旁通快開閥，并手動開啟靜葉至8%，機組轉速以30 r/s的速率迅速升高，透平機1#、2#軸承振動達到170μm，但還是因透平機1#、2#軸承振動大超過聯鎖停機保護值而緊急停機。從此次轉速升速率來看已經較快，但仍未能通過臨界轉速。再次與TRT發電機生產制造廠家技術人員交流溝通后，決定在機組通過臨界轉速時，在程序中增加振動超過停機值延時2 s停機，即如果振動值≥160μm持續2 s則自動聯鎖停機；如果振動值≥160μm但在2 s內降低到＜160μm則不會自動聯鎖停機。

修改程序后再一次啟機，則順利通過臨界轉速。因之后做超速試驗而啟機多次，也曾出現過在機組通過臨界轉速時透平機軸承振動值＜160μm的情況。經過不斷優化升速程序，將人為關閉旁通快開閥改為計算機程序自動控制。當轉速達到1350 r/min時程序自動關閉旁通快開閥，這樣減少人為誤差和干擾，以便機組順利通過臨界轉速。此外，還決定在每次啟機前不增加振動超過停機值延時2 s停機，只有待第一次啟機無法通過臨界轉速時才增加，這樣最大限度確保機組的運行安全。

3.2 因故停機后立即重啟故障

進入TRT發電機組透平機的凈煤氣溫度一般在150～230℃，雖然這樣的溫度不及汽輪發電機蒸汽溫度高，但是其透平機轉子在長期運行過程中同樣會受熱，受熱后轉子會發生彎曲變形，這是常見的物理現象。轉子的彎曲變形將導致轉子平衡狀態的變化，正常的彎曲變形對轉子平衡狀態的變化影響較小；但非正常的彎曲變形對轉子平衡狀態的變化影響則較大。

轉子熱彎曲通常分為熱彈性彎曲和永久性彎曲。熱彈性彎曲是指轉子內部溫度分布不均勻，轉子受熱后膨脹而造成的轉子彎曲，當轉子內部溫度均勻后這種熱彎曲會自然消失。永久性彎曲則不相同，當轉子局部區域受到急驟加熱(或冷卻)，而該區域與其他部位產生很大的溫度偏差，受熱部位熱膨脹受到約束產生高的壓應力。當其應力值超過轉子材料的屈服極限時，轉子局部便產生壓縮塑性變形。當轉子內部溫度均勻后，該部位將有殘存的拉應力，塑性變形不消失，從而造成轉子的永久性彎曲。

影響轉子熱彎曲的主要原因有：①材質缺陷：如果轉子的材質不均勻，受熱后膨脹會不均勻，導致熱彎曲；或者在轉子制造過程中尚有殘余應力存在，受熱后應力會釋放出來，也會導致熱彎曲。②暖機時間不充分：由于透平機上下缸體存在溫差，停機后轉子上部溫度比下部高，使轉子出現熱彎曲，投運盤車后需要較長時間才能夠恢復。如果盤車的時間較短，則熱彎曲不能完全恢復，啟機后就會出現振動過高的情況。③動靜摩擦：當轉子與靜止部件的間隙逐漸縮小并消失后，就會發生動靜摩擦，使接觸處的溫度升高，導致轉子溫度分布不均勻，從而產生熱彎曲。④套裝葉輪松動：套轉在轉子上的葉輪松動使熱阻發生變化，導致轉子與葉輪接觸的部位溫度分布不均勻，從而也產生熱彎曲。

轉子熱彎曲通常分為啟機過程的熱彎曲和運行過程的熱彎曲。如果啟機過程中其振動明顯高于正常值，通常做法是降低轉速，延長暖機時間，待振動值降低并趨于穩定后再升轉速。

3#TRT發電機只是在故障停機后立即重啟過程中通過臨界轉速時透平機1#、2#軸承振動偏大，在正常的啟機過程中則能夠順利通過臨界轉速，故可排除啟機過程的熱彎曲情況。經過仔細的觀察分析，3#TRT發電機在停機降速通過臨界轉速時透平機1#、2#軸承振動為190μm左右；而其正常啟機時通過臨界轉速時透平機1#、2#軸承振動為170μm左右；而且機組停機后立即又重新啟動，在通過臨界轉速時透平機1#、2#軸承振動通常會≥200μm，且超過延時2 s而緊急停機。

從上述現象分析判斷，3#TRT發電機組的透平機轉子存在運行過程熱彎曲異常的狀況。其轉子在運行過程中發生異常熱彎曲，即使降低負荷或者解列停機，熱彎曲不會立即消失而恢復，故停機過程中通過臨界轉速時透平機1＃、2＃軸承振動會高于正常啟機時20μm；在緊接著的重新啟機過程中通過臨界轉速時透平機1＃、2＃軸承振動會高于正常啟機時30μm。在機組連續盤車十幾小時后，轉子的異常熱彎曲變形有所恢復，故3＃TRT發電機在盤車一段時間后重新啟機能夠順利通過臨界轉速。3＃TRT發電機還曾經出現過這樣一種情況，在其計劃停機前煤氣溫度約為200℃，當時環境氣溫＞38℃，在停機后第二天啟機也因透平機1＃、2＃軸承振動高而未能通過臨界轉速。后采取在煤氣管道中通入少量的氮氣來進行輔助降溫，再盤車一段時間后重新啟機才順利通過臨界轉速。這種情況是由于煤氣溫度和環境溫度偏高而導致轉子在盤車過程中散熱不好，故第二天機組氣缸內的溫度仍然偏高，其轉子的熱彎曲并未完全恢復正常。在目前這種狀況下只能停機后多盤車一段時間降低氣缸體內的溫度后再重新啟機。

3.3 長時間停機后無法正常啟機故障

TRT發電機的煤氣溫度雖然沒有汽輪發電機的蒸汽溫度那么高，但是在機組長期運行過程中，機組的靜止部件(包括氣缸、軸承箱等)受熱后將發生膨脹。透平機在設計制造過程中也和汽輪機一樣設置了滑銷系統。滑銷系統的作用是確保氣缸受熱時能夠沿著給定的方向自由膨脹，保持氣缸與轉子中心一致以及保證動靜部分的間隙；同時在機組停機時，保證氣缸能夠按照給定的方向自由收縮。

此次3＃TRT發電機停機時間較長，機組及其附屬設備完全冷卻，且夏季空氣濕度較大，易使滑銷表面發生銹蝕。機組長期停運后重新啟機時比正常啟機的膨脹量大。因為正常啟機時其不可能完全冷卻。如果滑銷系統存在卡澀，將會導致氣缸體在受熱時膨脹不出去，受到壓縮而產生壓應力；冷卻時收縮不回來而產生拉應力。因此啟機后阻力增大，導致不暢。這樣的應力會引起變形，可能導致支撐系統剛度的降低。如果機組的各部位可以自由膨脹，受熱后將不會產生任何應力。

旋轉機械的振動與軸承座剛度成反比。透平機氣缸體的體積大、剛度低，存在膨脹問題時容易發生變形，氣缸的支承面與軸承座臺板之間也會出現細小的間隙，導致支撐剛度降低，這樣將轉子的不平衡振動放大了。氣缸體的熱容量比轉子大得多，溫度的變化比轉子緩慢得多。因此膨脹不暢時振動上升過程持續的時間長，有時候甚至可以達數小時。膨脹的問題通常發生在機組長時間停機之后。

從當時3＃TRT發電機與1＃、2＃TRT發電機運行狀況比較，其機殼溫度較低，軸承溫度也較低。經過分析后認為暖機時間較短，機組為完全冷態，氣缸的膨脹還不夠或者不暢導致此種情況。只能延長暖機時間進一步觀察其運行狀況，并且在程序中恢復通過臨界轉速的振動值≥160μm延時2 s停機。

3＃TRT發電機再次啟機，第一次暖機時間較之前有所延長，但仍未能通過臨界轉速。隨后又再次啟機還是未能通過臨界轉速。這兩次通過臨界轉速的軸承溫度和機殼溫度都較低，機組的膨脹效果仍不明顯。隨后決定再次延長暖機時間，因機組無脹差檢測裝置，故只能通過定時監測機殼溫度和軸承溫度來進行輔助判斷。在機組暖機過程中，潤滑油溫度因油循環升高至某一溫度時將不再升高，觀察軸承溫度逐漸升高則說明透平機轉子開始受熱進行膨脹。當其軸承溫度不再升高時決定快速升速通過臨界轉速成功。

4 總結

綜上所述，3＃TRT發電機的運行狀況正在被我們逐漸熟悉和掌握，也為今后安全可靠運行奠定了一定的實踐基礎。今后還有可能出現不可預知的情況，我們將會不斷努力，及早解決缺陷隱患，確保發電機多發電創造更多的經濟效益。

[1]寇勝利.汽輪發電機組的振動[M].北京：中國電力出版社，2007.

Diagnosis and Technical Analysis of Startup Failure of the TRT Turbine Generator at Chongqing Steel

Huang Longqiang,Zhou Hong
(Energy Control Center of Chongqing Iron&Steel Co.,Ltd.,Chongqing 401220,China)

The startup failure of the 16 MW top gas pressure recovery turbine of Chongqing Steel due to heavy vibration causing interlinked shutdown when running through critical speed during starting was technically analyzed and modification plan was forwarded, which has operated well after implementation.

TRT turbine;critical speed;diagnosis;vibration

TM31

B

1006-6764（2015）08-0034-04

2015-05-25

黃龍強(1963-)，男，2006年畢業于重慶大學熱能動力專業，高級工程師，現從事生產設備技術管理工作。