300MW汽輪機氣流激振的問題及策略研究

張卓霖

摘 要：本次研究首先介紹了汽輪機組氣流震蕩的機理特征和一般解決措施，然后針對某電廠的300MW汽輪機組在調試期間出現的氣流震蕩問題的原因進行了深層分析，原因分析顯示，導致汽輪機出現氣流震蕩問題的原因，主要包括了氣封腔內壓力周相變化引起的激振力和轉子轉矩不平衡引起的激振力，并針對問題原因，提出了相應的處理措施，希望通過本次研究對同行有所助益。

關鍵詞：300MW汽輪機 氣流激振問題 應對措施

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）12-0-01

在火力發電廠運行過程中，隨著機組參數的不斷提升，汽輪機組出現氣流激振的概率也呈現上升趨勢。該種問題的出現會給整個電廠的安全運行帶來嚴重影響，因此，加大對大型汽輪機主汽流激振問題產生的原因分析，并采取針對性措施將其解決，就顯得十分重要了。本文主要結合實際案例分析了某電廠300MW汽輪機組在調試運行期間發生氣流激振的現象，然后分析了該種問題產生的原因，制定了相應的應變措施，現將具體研究內容介紹如下：

一、汽輪機主汽流激振產生的特征

當汽輪機組發生氣流激振后，由于屬于自激振動，解決這些問題，是不能采用平衡方法將其消除。一般情況下，汽輪機汽流機轉換容易發生在高壓和中壓轉子上，并且發生一次之后，會循環往復的再次出現。此外，導致汽輪機機組出現氣流激振的主要頻率相對較低，而產生各種故障有時還會與汽輪機組近期調門的開啟順序和開密度存在一定聯系。

二、機組運行現狀

某電廠的兩臺300MW的亞臨界機組，為東方汽輪機生產的優化機型，型號為CAK300/271-16.67/0.4/538/538（合缸），其中一號機組在正式投入使用，第一次啟動后，當負荷升高到209MW時，2號軸承X向軸震動幅度不斷提升，振動幅度達到了報警值。高壓缸脹差2.3mm，低壓缸脹差4.9mm，熱膨脹左右兩側分別為24.8mm和23.9mm。當負荷升高到240MW后，2號軸承x向軸振動超標，造成了兩次跳機現象。結合DCS數據采集結果，2號軸承x向軸振動頻率在27Hz，從震動出現階段性變化到保護性動作，中間間隔時間10秒。此后，在第二次啟動帶負荷運行過程中，又重復出現了上述故障。

三、汽輪機主汽流激振原因分析

通過多次機組啟動帶負荷運行出現的振動現象分析，當機組負荷升高到總負荷的70%左右后，振動過大的現象就會出現，具有發生的突發性，而最大振動現象主要發生在汽輪機的高中壓轉子上，由此可以看出，汽輪機處發生震動和負荷的提升有著直接聯系，振動頻率約為27赫茲，具有明顯的自激振動特點。結合該型機組在投入運行過程中存在的振動問題和最近幾年大型機組振動處理經驗，初步判斷為振動現象是由氣流振動引起。而氣流激振往往發生在大中型的汽輪機高壓或中壓轉子上，使得轉子突然發生震動，且往往出現在機組并網投入使用負荷逐漸增大過程中。當機組負荷不斷增大后，突發性振動通常有一個限定負荷，超過此負荷之后，立即會出現氣流激振，而當負荷降低到某一數值時，機組振動現象消失，恢復到正常。通過對本次汽輪機組運行情況進行綜合分析，通過對本次汽輪機組運行情況進行綜合分析，汽輪機主汽流激振原因主要包含以下幾個方面：

1.葉頂間隙激振力

汽輪機組在安裝或調試運行過程中，氣缸跑偏會造成轉子相對于氣缸是發生相對位移，使得葉頂間隙發生改變。葉頂間隙小的一側，在氣流作用下，橫向力變大，葉頂間隙大的一側由于氣流作用力較小，使得橫向力相對較小，造成氣流作用于轉子中心上的力不平衡，促使轉子發生自激振動。經過大量實驗研究表明，葉頂間隙激振力很容易發生在參數較高的汽輪機高中壓轉子上。

2.汽封氣流激振力

汽輪機組在設計過程中，由于設計方案存在問題，或者在運行過程中參數調整不合理，使得汽輪機組內部產生了軸系動態偏心，造成軸封和隔板汽封腔室內蒸汽周向分布不均勻，從而在轉子上產生了來自于不同方向不平衡的力矩作用，從而使得轉子發生了自激振動。

3.轉子上靜態蒸汽作用力

在汽輪機組運行過程中，內部高壓缸進氣方式是非對稱性的，由于來自各個方面的力不平衡，使得轉子受高壓蒸氣作用也存在不平衡，一方面造成高壓轉子軸頸在軸承上的荷載出現不平衡變化，另一方面會造成高壓轉子的徑向上位置發生偏移，而汽輪機流通部分的間隙出現變化，最終導致傳子上臺軸承的受力特性發生變化，傳子運行失去穩定，導致汽輪機組氣流激振產生。

4.轉子轉子不平衡導致的激振力

在汽輪機組安裝調試運行過程中，氣缸出現跑偏，轉子出現徑向位移等現象，就會導致機組出現氣流激振。當轉子相對于氣缸發生了位置偏移之后，會造成蒸汽在轉子上的功徑向力分布不均勻，轉子在運行過程中，很容易導致出現渦動。

四、300MW汽輪機氣流激振問題的解決對策

1.增加支撐系統阻尼

首先，在汽輪機組運行過程中，要調整好汽缸和轉子的位置，避免轉子和汽缸在運行過程中，中心發生位置偏移；其次，逐漸增大轉子與隔板之間的軸向間隙。通過調整實驗和多年的實踐經驗，可以得到隨著噴嘴、靜液和動葉之間的軸向間隙不斷增大，可以明顯減弱氣流渦所產生的激振力，但這種方式會顯著降低汽輪機的內在運行效率；再次，對調速汽門的開啟程序進行適當調整，這樣能夠有效避免轉子在單側蒸汽力作用下出現明顯的位置偏移，并在轉子上產生了不平衡力矩；第四，增加軸瓦阻尼，例如可以通過減少軸瓦間的間隙，增加軸瓦之間的長度，選擇使用粘性較大的潤滑劑等。同時還可以選擇質量和穩定性較好的軸瓦，增加擠壓油膜，阻尼器等，這樣都能夠很好的減少激振力產生；最后，提高轉子的臨界速度。在汽輪機組實際運行過程中，最有效的解決對策是逐漸改變調門得開啟順序，或者采用順閥運行方式，其減弱效果是十分明顯的。

2.調整潤滑油參數

在汽輪機組低負荷運行情況下，將各個閥恢復到四閥同時運行狀態，然后逐步提升潤滑油壓力至0.2MPa，及時查看汽輪機組振動變化情況之后，逐步提高潤滑油溫度，提升到44℃，進一步升高汽輪機負荷，逐漸降低，潤滑油溫度下降到37℃，進一步查看振動變化情況。

3.調節閥升降調整和閥序調整

通常情況下，汽輪機組在低負荷運行狀態下，不會出現氣流激振問題，因此在負荷180MW以下，可以將順序閥改為為單閥運行模式，然后逐步提高汽輪機組負荷到200MW左右，等到機組振動穩定10分鐘后，每升高5MW穩定10分鐘，當機組發生氣流震蕩時，投入功率實施閉環控制，穩定主汽參數和負荷，觀察汽輪機組振動變化規律。該項工作在開展之前，汽輪機組已經處于振動不穩定狀態，因此在開展每一項操作時，如果汽輪機組振動較大，在此基礎上繼續上漲20μm，則需要停止試驗，關閉開啟閥門，如果震動上漲到35μm，則需要停止試驗，并降低汽輪機組負荷直到震動停止。在操作過程中，主要包含以下幾方面內容：首先，單閥狀態調整。人工調整2號閥開度，將剩余的閥投入到自動閉環控制，逐步關小2號閥開度，直到完全關閉，然后逐步開啟2號閥法，恢復到原有開啟狀態，隨后逐步增大2號閥的開度。在對2號閥開度進行控制過程中，如果發現振動波動較大，通頻震動上漲，則需要停止操作，恢復到原有狀態；其次，單閥狀態試驗。依次試驗2號閥、3號閥、4號閥、1號閥的開啟程度對機組振動的影響，通過全面實驗分析，確定閥門的開啟順序。該項工作完畢之后，將汽輪機的負荷下降到180MW，切換全新的閥門開啟順序，以新的順序閥曲線逐漸升高負荷，在升高過程中，如果汽輪機組振動相對穩定，逐步升高至額定功率；最后，做好監控和登記工作。在整個試驗調整過程中，操作人員，運行人員應該密切監視1x、1y、2x、2y四個測試點的振動值，一旦任意一個振動值超過了120μm，應該停止調整試驗。如果實驗操作過程中，振動頻率不斷增大，則需要停止實驗操作，同時快速降低機組負荷到穩定狀態。在整個實驗過程中，相關人員要做好數據記錄，各個閥門開張順序開張程度、汽輪機負荷、進氣壓力、流量軸承瓦溫以及回油溫度的登記記錄工作。

總之，大容量汽輪機組氣流激振問題普遍存在，而導致各種問題出現的原因多種多樣十分復雜。在整個機組運行調試期間，就要求技術人員采用對機組擾動最小的高調門運行方式，通過合理調控閥門順序，開張角度，控制氣流的流速，防止氣缸加熱不均勻，提高潤滑油溫度等措施，保證機組運行參數的穩定性，避免相關參數出現大幅度變化，而對機組正常運行產生危害。

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