大型汽輪發(fā)電機(jī)組在不同工況下的碰摩研究

王鳳良

（黑龍江省電力科學(xué)研究院，哈爾濱150030）

隨著我國電力工業(yè)不斷深化和發(fā)展，電力企業(yè)逐步由生產(chǎn)型向經(jīng)營型轉(zhuǎn)變，由高耗能企業(yè)向節(jié)約型企業(yè)發(fā)展。為增加經(jīng)濟(jì)效益并節(jié)能減排，火電廠更是趨向于單機(jī)容量大、機(jī)組數(shù)量多的發(fā)展趨勢。大型汽輪發(fā)電機(jī)組振動故障的誘因有很多，碰摩故障是一個重要的原因，嚴(yán)重時可能造成整個軸系的破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。因此，為了防止大型汽輪發(fā)電機(jī)組碰摩故障的發(fā)生，筆者對不同工況下發(fā)生碰摩故障所表現(xiàn)的特征進(jìn)行了分析，提出了應(yīng)對措施，對于發(fā)電企業(yè)的安全生產(chǎn)具有非常現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

1 碰摩故障案例統(tǒng)計

目前，大型汽輪發(fā)電機(jī)組的碰摩故障發(fā)生率已經(jīng)成為除了質(zhì)量不平衡以外的第二大故障，統(tǒng)計分析大約10年內(nèi)國內(nèi)大型汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生的碰摩故障案例［2-8］，結(jié)果表明：大型汽輪發(fā)電機(jī)組碰摩故障可能發(fā)生在從機(jī)組調(diào)試完成首次整套啟動至汽輪發(fā)電機(jī)組壽命周期內(nèi)的各個運行工況。經(jīng)過統(tǒng)計分析，可以粗略劃分為以下幾個工況：（1）新機(jī)組調(diào)試完成后首次整套啟動過程；（2）移交生產(chǎn)后各次大修后首次啟動過程；（3）生產(chǎn)過程帶穩(wěn)定負(fù)荷；（4）生產(chǎn)過程升負(fù)荷過程；（5）生產(chǎn)過程降負(fù)荷過程。大型汽輪發(fā)電機(jī)組在這5種工況下發(fā)生碰摩故障的比率相差不大，統(tǒng)計分析見圖1。

圖1 碰摩發(fā)生所處工況統(tǒng)計分析

碰摩故障發(fā)生的原因可以從結(jié)構(gòu)、檢修和運行3個方面進(jìn)行分析，有的碰摩故障是由2種以上的原因共同作用的結(jié)果。隨著檢修工藝的不斷完善，檢修工具與手段的不斷更新，由于檢修原因所引起的碰摩故障正逐年減少，而機(jī)組運行時發(fā)生碰摩故障的幾率正逐年增加，其主要原因有：（1）動靜間隙過小；（2）汽封問題；（3）汽缸跑偏或膨脹受阻；（4）轉(zhuǎn)軸振動過大；（5）滑銷系統(tǒng)卡澀；（6）蒸汽溫度或流量變化較快；（7）其他原因。故障原因統(tǒng)計分析見圖2。

圖2 碰摩故障原因統(tǒng)計分析

國產(chǎn)300MW汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生碰摩故障的比率最大，尤其是高中壓轉(zhuǎn)子在啟動暖機(jī)過程中；國產(chǎn)600MW和1 000MW汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生的碰摩故障也在逐年增加，而國產(chǎn)200MW機(jī)組發(fā)生碰摩故障的案例逐年減少。

2 不同工況下發(fā)生的碰摩故障分析

2.1 新機(jī)組調(diào)試完成后首次整套啟動

目前，大型汽輪發(fā)電機(jī)組調(diào)試完成后在首次整套啟動時都應(yīng)該對整個軸系進(jìn)行振動監(jiān)測，在此過程中可以利用測取的振動數(shù)據(jù)來指導(dǎo)新機(jī)組啟動，評價機(jī)組的制造和安裝質(zhì)量，并為機(jī)組以后的啟停、運行和診斷振動故障提供依據(jù)。新機(jī)組在安裝的過程中，火電廠出于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的考慮，往往要求安裝單位將汽封間隙等按照標(biāo)準(zhǔn)要求的下限安裝，因此，新機(jī)組在首次啟動過程中發(fā)生碰摩故障的概率占到了1／5，一般具有如下特征：

（1）安裝單位出于對機(jī)組安全的考慮，在安裝過程中會自行調(diào)整間隙，而不是嚴(yán)格按照業(yè)主的要求間隙下限處理，這使得機(jī)組在首次啟動過程中即使發(fā)生碰摩故障，也只是輕微的碰摩。

（2）新機(jī)啟動過程的碰摩故障一般發(fā)生在中速暖機(jī)過程，機(jī)組轉(zhuǎn)速較低時幾乎不會發(fā)生碰摩故障。

（3）碰摩故障發(fā)生在中速暖機(jī)時，表現(xiàn)為碰摩部位的軸振動與軸承座振動出現(xiàn)緩慢爬升，一般在整個暖機(jī)過程中振動爬升值不大，機(jī)組可以升至額定轉(zhuǎn)速，但振動故障是否消除視機(jī)組安裝質(zhì)量、轉(zhuǎn)軸振動和碰摩的輕重程度而定。

（4）碰摩故障發(fā)生后，振動爬升以基頻振動為主，會出現(xiàn)少量的2、3倍頻成分，但是振動幅值不大。

圖3為某電廠新建機(jī)組1號汽輪發(fā)電機(jī)組高中壓轉(zhuǎn)子在調(diào)試完成后首次整套啟動中的幅頻特性曲線。從圖3可見：高、中壓轉(zhuǎn)子在2 100r／min下暖機(jī)時發(fā)生了碰摩，1號軸承處X、Y方向的軸振動出現(xiàn)緩慢爬升現(xiàn)象，機(jī)組升至額定轉(zhuǎn)速后仍然存在碰摩。

圖3 1號機(jī)組1瓦處轉(zhuǎn)子的幅頻特性曲線

2.2 移交生產(chǎn)后各次大修后首次啟動

機(jī)組調(diào)試完成后，168h試運結(jié)束機(jī)組隨即投入生產(chǎn)，至機(jī)組第一次大修至少需要4年，在這段時間里，機(jī)組經(jīng)歷數(shù)次啟、停機(jī)，各種負(fù)荷工況后會達(dá)到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，各種間隙的磨合也會日益增大，致使機(jī)組經(jīng)濟(jì)性逐漸下滑。為此，業(yè)主為了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性與安全性綜合考慮對機(jī)組進(jìn)行A級檢修，對機(jī)組的通流部分進(jìn)行改造，更換各種新型汽封，如布萊登、蜂窩、刷式汽封等，有的業(yè)主為追求經(jīng)濟(jì)性往往將汽封大量更換為刷式汽封，并且零間隙安裝。

大修后的機(jī)組發(fā)生碰摩的概率要比調(diào)試完成后的首次啟動高一些，這是由于對機(jī)組更換接觸式汽封的緣故。機(jī)組各次大修后首次啟動碰摩故障有如下特點：

（1）機(jī)組出現(xiàn)碰摩故障一般較為嚴(yán)重，即使在很低的轉(zhuǎn)速下機(jī)組都會出現(xiàn)碰摩，有的機(jī)組甚至在500r／min聽音檢查的過程中振動就會快速爬升。

（2）機(jī)組碰摩過程較為漫長，轉(zhuǎn)速增長困難，機(jī)組升至額定轉(zhuǎn)速往往需要數(shù)次甚至十幾次的反復(fù)啟動，且振動非常不穩(wěn)定。

（3）機(jī)組發(fā)生碰摩故障后，振動會快速增長，且增長的振動幅值成分一般為基頻成分，振動相位基本無變化或變化很小。

（4）機(jī)組發(fā)生的碰摩故障較為頑固，一般定速后甚至帶負(fù)荷的過程中仍會發(fā)生，機(jī)組安全隱患大。

圖4為某電廠2號機(jī)組大修后首次啟動過程高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生故障的幅頻特性曲線。從圖4可以看出：機(jī)組在啟動過程中高中壓轉(zhuǎn)子碰摩嚴(yán)重，振動幅值爬升較快，高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生了嚴(yán)重的彈性變形。經(jīng)過連續(xù)盤車4h后機(jī)組繼續(xù)沖轉(zhuǎn)，直至第13次啟動才將機(jī)組升至額定轉(zhuǎn)速，且高中壓轉(zhuǎn)子振動很不穩(wěn)定。

圖4 2號機(jī)組1瓦處轉(zhuǎn)子的幅頻特性曲線

2.3 生產(chǎn)過程定速／帶穩(wěn)定負(fù)荷

大型汽輪發(fā)電機(jī)組升至額定轉(zhuǎn)速后，一般會做相關(guān)的電氣試驗，在電氣試驗的過程中，機(jī)組維持額定轉(zhuǎn)速帶空負(fù)荷，此時發(fā)生的碰摩故障一般是機(jī)組啟動過程中機(jī)組額定轉(zhuǎn)速下空負(fù)荷下的碰摩故障的延續(xù)，此種碰摩故障與機(jī)組的啟動過程相關(guān)，與機(jī)組的暖機(jī)時間、汽缸的膨脹、排汽缸溫度等參數(shù)有關(guān)，有的機(jī)組會在額定轉(zhuǎn)速下出現(xiàn)振動爬升現(xiàn)象直至機(jī)組跳機(jī)。而帶負(fù)荷下的診斷要比機(jī)組啟動過程困難，因為帶負(fù)荷下的振動特征較為復(fù)雜，現(xiàn)場診斷時首先應(yīng)排除與其振動特征相類似的一些振動故障，如大軸熱彎曲、聯(lián)軸器松動、轉(zhuǎn)軸與水接觸等。機(jī)組定速／帶穩(wěn)定負(fù)荷過程中發(fā)生碰摩故障有如下特征：

（1）振動幅值的波動幅度可能比啟動中小，但波動持續(xù)時間長。帶負(fù)荷時的碰摩由于接觸部分的金屬不會很快磨損和融化，使得不同形式的機(jī)組或同一臺機(jī)組，都會出現(xiàn)不同的不穩(wěn)定形式。

（2）帶負(fù)荷下的輕微碰摩故障會導(dǎo)致機(jī)組相關(guān)振動測點的幅值出現(xiàn)波動，且波動的振動分量一般不是基頻振動，波動的周期性、規(guī)律性不強(qiáng)。

（3）一些機(jī)組帶負(fù)荷下的碰摩故障發(fā)生時往往沒有征兆，這是因為機(jī)組某些運行參數(shù)調(diào)整后會改變軸系各支撐軸承的油膜剛度，軸系振動會有所改變，如果振動增大就可能與間隙較小的部位接觸導(dǎo)致碰摩故障的發(fā)生。

圖5為某電廠1號機(jī)組在帶穩(wěn)定負(fù)荷時發(fā)生通頻振動趨勢。從圖5可見：振動波動值最大達(dá)到50μm。經(jīng)診斷為轉(zhuǎn)子發(fā)生了輕微的碰摩故障，現(xiàn)場處理發(fā)現(xiàn)其浮動油擋浮起受阻，導(dǎo)致與轉(zhuǎn)子之間發(fā)生摩擦，處理后振動波動消失。

圖5 3號軸承X方向軸振動發(fā)生碰摩故障的趨勢

2.4 生產(chǎn)過程升／降負(fù)荷

大型汽輪發(fā)電機(jī)組在升／降負(fù)荷的過程中發(fā)生碰摩故障的比率也很高，尤其是機(jī)組在降負(fù)荷過程。碰摩故障的根本原因是機(jī)組在升／降負(fù)荷時對轉(zhuǎn)子及汽缸的相對加熱和降溫，而在此過程中，轉(zhuǎn)子的升溫與降溫相對較快，汽缸由于質(zhì)量、體積都比較大導(dǎo)致對溫度的變化較轉(zhuǎn)子反應(yīng)遲緩，如果機(jī)組通流部分存在間隙過小，就會導(dǎo)致碰摩故障的發(fā)生。機(jī)組在升／降負(fù)荷過程發(fā)生碰摩故障有如下特征：

（1）機(jī)組在降負(fù)荷的過程較升負(fù)荷更容易發(fā)生碰摩故障，碰摩故障所引起的振動變化與負(fù)荷變化有一定的時滯。

（2）一些機(jī)組在啟動過程中就存在碰摩故障且并網(wǎng)時間不長，在負(fù)荷的變化過程中容易發(fā)生碰摩故障。

（3）碰摩故障發(fā)生后，通過調(diào)整負(fù)荷參數(shù)可以遏制碰摩振動的惡化，沒能及時調(diào)整負(fù)荷參數(shù)跳機(jī)的機(jī)組且可以確定是碰摩原因引發(fā)的，往往能夠順利升至額定轉(zhuǎn)速并帶負(fù)荷。

圖6為某電廠600MW機(jī)組6號軸承在降負(fù)荷過程中發(fā)生碰摩故障的趨勢。

圖6 6號軸承X方向軸振動發(fā)生碰摩故障的趨勢

3 碰摩故障的現(xiàn)場處理

大型汽輪發(fā)電機(jī)組的碰摩故障的處理原則是在振動可控、保證機(jī)組安全的前提下進(jìn)行磨合。如果啟動過程中發(fā)現(xiàn)振動增加過快，且振動數(shù)值較大時，要嚴(yán)格控制機(jī)組的振動，不要強(qiáng)行沖過臨界轉(zhuǎn)速；如果轉(zhuǎn)速在一階臨界轉(zhuǎn)速以下振動達(dá)到規(guī)定的數(shù)值，應(yīng)該立即打閘停機(jī)、連續(xù)盤車4h以上且大軸撓度在合格范圍內(nèi)可以再次對機(jī)組進(jìn)行沖轉(zhuǎn)；如果碰摩故障發(fā)生在一階臨界轉(zhuǎn)速以上，則在振動可以控制的轉(zhuǎn)速上多停留一段時間，振動穩(wěn)定后再升速。

現(xiàn)場處理碰摩故障時可以采取以下措施：

（1）選擇合適的啟動方式。大型汽輪發(fā)電機(jī)組盡量采用滑參數(shù)啟動，升速率控制在150r／min，升負(fù)荷率控制在1 000kW／min，并盡量延長低負(fù)荷及中負(fù)荷的暖機(jī)時間，減少汽缸與轉(zhuǎn)子的溫差來控制汽輪機(jī)膨脹差值在允許范圍內(nèi)，盡量減少上、下缸溫差在50K以下，以減小徑向間隙的變化量［9］。

（2）在振動可控下磨合。碰摩故障最好的處理方法是在振動可控的前提下進(jìn)行磨合，出現(xiàn)振動持續(xù)爬升過快時應(yīng)迅速打閘停機(jī)，并及時投入盤車，待機(jī)組具備啟動條件時再啟動，不能盲目沖轉(zhuǎn)。

（3）振動監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)機(jī)組運行。機(jī)組碰摩故障應(yīng)該以實際測試的振動數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來指導(dǎo)現(xiàn)場運行，嚴(yán)格監(jiān)測轉(zhuǎn)子的晃度，不得在超限下對機(jī)組強(qiáng)行啟動。

（4）加強(qiáng)機(jī)組膨脹參數(shù)的監(jiān)測。盡早消除汽缸膨脹不暢或跑偏，運行操作時避免上、下缸溫差超標(biāo)，防止轉(zhuǎn)子彎曲造成惡性循環(huán)。

（5）適當(dāng)延長暖機(jī)時間。通過對機(jī)組暖機(jī)時間的適當(dāng)延長，可以消除如轉(zhuǎn)子晃度超標(biāo)、汽缸膨脹受阻等多種引起碰摩故障的因素。

4 結(jié)語

根據(jù)以上分析，可得如下結(jié)論：

（1）大型汽輪發(fā)電機(jī)組各次大修后首次啟動發(fā)生碰摩故障的概率有逐年增加的趨勢。

（2）大型汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生碰摩故障的誘因主要來自結(jié)構(gòu)、檢修和運行三個方面，而由于運行方面所引起的碰摩故障的比率較大。

（3）結(jié)合實例闡述了大型汽輪發(fā)電機(jī)組在不同工況發(fā)生碰摩故障所表現(xiàn)的振動特征，對各種工況下的碰摩故障做到早發(fā)現(xiàn)、早處理。

（4）在對大型汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生的碰摩故障現(xiàn)場處理時，應(yīng)以保證機(jī)組的安全為首要，以振動可控為前提，對機(jī)組發(fā)生碰摩故障的部位進(jìn)行磨合，現(xiàn)場處理時還應(yīng)該對機(jī)組的各項運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并以實時的動態(tài)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)運行。

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