一起汽輪機振動大跳機事故的運行分析

談力瑋

（景泰發電廠，甘肅 白銀730408）

0 引言

某發電廠660 MW 汽輪發電機，在冷態啟動并網運行僅僅3h后，就因為汽輪機振動大，振動保護動作，機組非停。本文就此次非停事件從機組運行角度做一些簡要的分析。

1 設備概述

某廠汽輪機為哈爾濱汽輪機廠制造的超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸、四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機，型號是CLNZK660－24.2/566/566，機組采用積木式設計，高中壓合缸、反動式葉片、整段轉子、多層汽缸。

汽輪機通流部分采用沖動式與反動式聯合設計。新蒸汽從下部進入置于該機兩側的高壓主汽調節聯合閥，由每側各2個調節閥流出，經過4根高壓導汽管進入汽輪機高壓缸。新蒸汽在高壓缸內通過1個沖動式調節級和9個反動式壓力級后，由外缸下部2個排汽口進入再熱器。再熱后的蒸汽進入機組兩側的2個再熱主汽調節聯合閥，再由每側各2個中壓調節閥流出，經過4根中壓導汽管由中部進入汽輪機中壓缸，蒸汽經過6級反動式壓力級后，從中壓缸上部排汽口排出，分別進入一號、二號低壓缸中部。2個低壓缸均為雙分流結構，蒸汽從通流部分的中部流入，經過正反向各6級反動級后，流向排汽口，排汽向下流入安裝在每一個低壓缸下部的排汽裝置經過排汽管進入空冷凝汽器。

該汽輪機高中壓缸合缸、采用雙層缸結構，高中壓外缸和內缸通過水平中分面形成了上下兩半，內缸支撐在外缸水平中分面處，并由上部和下部的定位銷導向，使汽缸保持與汽輪機軸線的正確位置，同時使汽缸可根據溫度的變化自由收縮和膨脹。低壓外缸全部由鋼板焊接而成，為了減少溫度梯度設計成3層缸結構，由外缸、1號內缸、2號內缸組成。高中壓轉子、低壓轉子均為無中心孔合金鋼整段轉子。各段轉子均通過聯軸器剛性連接。汽輪機共有7個軸承，6個支持軸承和1個推力軸承，其中支持軸承全部采用4瓦塊可傾瓦軸承結構。

2 事件經過

5月16日11 ：00，鍋爐點火，開始升溫升壓。16：50，蒸汽參數達到機組沖轉要求，汽輪機采用高壓缸進汽方式，開始沖轉。17：00，轉速至1 000r/min，進行低速暖機；17：50，汽輪機繼續升速，順利通過高壓轉子的臨界轉速區；18：00，轉速至2 000r/min，進行中速暖機；20：35，汽輪機繼續升速，至2 900r/min時進行閥門切換操作，隨后定速至3 000r/min。20：56，發電機并網帶負荷；23：45，機組負荷至330 MW，直流鍋爐轉為干態運行，投入機組協調控制方式。從機組并網至升負荷的過程中，1瓦、2瓦的瓦振情況保持穩定并且有緩慢上升的趨勢。5月17日00：18，1瓦X 方向的振動值升高到257μm，汽輪機“振動大”保護動作，機組跳閘，發電機解列，鍋爐滅火。詳細振動情況如表1所示。

表1 機組振動情況匯總表 單位：μm

3 原因分析

（1）汽機大軸存在熱彎曲，啟動過程中對主汽溫度變化率控制不當。

該汽輪機轉子自投產以來一直存在1瓦、2瓦振動大的問題。經過多次專業分析，行業內的專家給出了“轉子應力釋放不充分”的結論。特別是當主蒸汽溫度有較大幅度的變化時，大軸就會有比較大的熱應力和熱變形，導致機組振動增大。如圖1所示，此次升負荷過程中，0.5h內主汽溫度從463 ℃增長到519 ℃，引發第一波振動攀升，從193μm 升至212μm；鍋爐在轉干態運行過程中，0.5h 內主汽溫度從510 ℃增長到560 ℃，引發第二波振動攀升，從206μm 逐步升至236μm，并最終引起“振動大”保護動作，機組解列。從啟動曲線分析，該主汽溫度曲線并不是一條平滑上升的曲線，而是存在波動和起伏，局部時間段內溫度上升率達到1.86 ℃/min，超過了《運行規程》所要求的“不超過1.5 ℃/min”的要求，造成大軸產生了較大的熱變形，加劇了振動增加的趨勢。

圖1 啟動過程中主汽溫度和1X 振動趨勢圖

（2）對機組的軸封溫度控制不準確。

該汽輪機，高壓缸軸封在65 MW 達到自密封；中壓缸軸封在165 MW 達到自密封。達到自密封后，高中壓缸的排汽逐漸排擠軸封母管的供汽，造成軸封母管壓力升高。運行人員快速關小軸封母管供汽調節門，以降低軸封母管壓力。此時的軸封母管蒸汽主要是汽缸自密封的排汽。因為此時汽缸的排汽溫度低于軸封的供汽溫度，也低于軸封位置的轉子金屬溫度（表2），軸封蒸汽對大軸從原來的加熱作用逐漸轉變為冷卻作用。軸封溫度的轉變加劇了大軸上的熱應力和熱變形，造成轉子振動值增大。

表2 啟動過程中軸封母管蒸汽溫度和高壓缸端部金屬溫度對比表

（3）加負荷過程中，加負荷速度過快，暖機時間不充分。

機組啟動過程，存在著巨大的金屬熱應力和諸多的熱變形。特別是對于已經存在熱彎曲問題的汽輪機轉子，啟動的過程中要關注暖機的時間長短和汽輪機的膨脹問題。如表3 所示，機組帶負荷后有3個負荷段的暖機過程，汽缸膨脹量發生了明顯的變化。說明啟動的過程中笨重的金屬設備同時也經歷著劇烈的換熱和膨脹。《運行規程》要求低負荷暖機時間要大于20min。但是，為了達到調度部門的要求這個過程被人為縮短了。暖機時間不足，汽缸還在繼續膨脹，沒有膨脹到位，此時就要求機組中等負荷運行或者高負荷運行，巨大的扭矩疊加上膨脹不充分的熱應力，加劇了大軸的熱彎曲，造成軸振動持續升高。

表3 暖機負荷、時間以及汽缸膨脹量

（4）汽輪機進汽閥門特性不均勻，存在汽流沖擊，個別閥門開度對大軸振動情況影響顯著。

在啟動過程中，鍋爐提供的熱能和發電機消耗的機械能并不完全協調，造成主蒸汽壓力的波動和汽輪機進汽閥門的上下調整。因為閥門特性不均勻，通過個別閥門進入汽缸的汽流對汽輪機大軸會產生沖擊作用。如圖2所示，3號高調門開度從31%到100%的過程中，大軸1X 方向的振動值從123μm 跟隨爬升至165μm；3號高調門從100%全開下降到28%的開度，1X 方向的振動從175μm 跟隨下降到130μm。可見，3號高調門的開度對大軸1X 方向的振動值有顯著影響。

圖2 3號高調門開度和1X 方向振動曲線

4 應對措施

（1）嚴格控制啟動過程的升溫率。

機組啟動過程中伴隨著金屬熱應力和熱膨脹。特別是對于已存在熱彎曲的汽輪機，啟動過程中要高度重視主蒸汽溫度、壓力的變化，力求平緩，減少波動和反復，禁止出現急劇的溫度抬升或者降低。操作中要符合《運行規程》的要求，采用“不超過1.5 ℃/min”的溫升率。升溫過程中如果伴隨著振動數值的持續上漲，說明轉子熱彎曲的情況可能在加劇。此時要果斷地保持汽溫穩定，觀察振動情況，或者帶負荷暖機，切不可隨意提高主汽溫度，加劇振動擴大。

（2）調整好軸封系統的運行方式，做到軸封蒸汽參數和金屬參數相匹配。

軸封系統的蒸汽參數對軸瓦附近區域的轉子熱應力和熱變形有著重大影響，直接影響到振動數值的大小，因此要盡量使兩者匹配。軸封蒸汽溫度要符合汽輪機生產廠家提供的“軸封蒸汽溫度限制曲線”的要求，盡量減小蒸汽和金屬的溫度差。當金屬溫度持續升高接近蒸汽溫度時，運行人員要果斷地將軸封蒸汽的來源切換到溫度更高的冷再熱蒸汽，防止軸封處的轉子出現從“被加熱”到“被冷卻”的轉變，減少局部熱應力和熱變形，從而減緩振動的發展趨勢。

（3）加負荷過程中要充分暖機，不可因為“趕進度”而忽視了金屬變形膨脹的風險。

開機過程中必須留有暖機的時間，以便于金屬釋放熱應力和熱膨脹，釋放不充分或者不均勻都有可能造成機組振動加大。在《運行規程》規定的暖機負荷下一定要停留足夠的時間，待膨脹趨勢減小后再繼續增加負荷，不可以在機組沒有膨脹到位時就匆忙地增加機組負荷，造成熱應力和機械應力相互疊加，加劇大軸振動。

（4）結合機組大小修認真進行汽輪機配汽機構的調整和優化工作，修改進汽閥門的特性曲線，消除閥門進汽不均勻造成的大軸振動。

在啟動過程中出現個別閥門的開度影響大軸振動的問題，要從設備角度認真分析，查找原因，消除蒸汽沖擊造成的振動擴大。

5 結語

汽輪機的振動只是一個宏觀現象，而背后的機理卻很復雜，影響因素也很多。作為運行人員，要結合運行參數進行分析調整，嚴格依據《運行規程》進行作業，不可為了“趕進度”而野蠻操作，更不可忽略設備的特性而人為壓縮啟動時間。對于已經存在熱彎曲的汽輪機更要精心操作、按章操作，才能有效地避免事故發生。

［1］談力瑋，金作壽.大唐景泰發電廠集控主機運行規程［Z］.2015.

［2］談力瑋，梁俊龍.大唐景泰發電廠集控輔機運行規程［Z］.2015.

［3］沈士一，莊賀慶，康松，等.汽輪機原理［M］.北京：中國電力出版社，1992.

［4］孫奉仲.大型汽輪機運行［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［5］李錄平，盧緒祥.汽輪發電機組振動與處理［M］.北京：中國電力出版社，2007.