600MW火電廠汽輪機振動大原因及對策分析

國電華北公司霍州發電廠 葛紅健

汽輪發電機組在運行過程中經常會出現轉子不平衡現象并引發故障。據統計，在汽輪機組已經發生振動故障中有80%左右是因轉子不平衡而導致的，其中屬轉子本身質量問題的約占90%。當前汽輪機整體工藝水平有顯著提升，加之火電廠自身不斷總結經驗、不斷提升安裝和檢修質量，由轉子本身導致的振動故障率在逐漸降低，但當前汽輪機發電機組振動的主要振源仍來自于轉子本身的質量不平衡力。

1 國電霍州發電廠#1機組汽輪機振動大原因分析

1.1 汽輪機概述

國電霍州發電廠#1機組600MW 汽輪機為東方電氣集團東方汽輪機有限公司引進日立技術生產制造。型號NZK600-24.2/566/566，型式為超臨界壓力、一次中間再熱、單軸、三缸四排汽、直接空冷凝汽式汽輪機。設計額定出力600MW，最大出力（VWO 工況）664.827MW，最大連續出力638.746MW，壽命不少于30年。汽輪機為沖動式，設計結構級38級，其中高壓缸8級、中壓缸6級、低壓缸2×2×6級。機組采用復合變壓運行方式，滑壓范圍30%～88%。汽輪機具有七級非調整回熱抽汽，額定轉速為3000rpm，旋轉方向為逆時針（從機頭向發電機看）。2011年5月投入運營，其振動主要表現在6X 振動大，歷次啟機接近報警值，經過大修2017年3月啟動，5、6瓦軸振較大，5X 振動109μm，6X 振動103μm，6X 啟機過臨界振動和大修前變化不大，5X 振動明顯變大。

1.2 原始質量不平衡

這是一種汽輪機原本就存在的故障，并不是汽機運行后才引發的，而是原來自身的條件就包含著。首先轉子存在設計缺陷導致加工存在偏差，此時也易造成安裝偏差，最終導致機組中轉子質量偏心的存在。在運行中因動平衡精度不高，只進行低速動平衡時離心力較小，但轉子不平衡質量離心力會隨著轉子轉速的提高以轉速的平方關系增加[1]。隨著轉子轉速的不斷上升直到達到工作轉速時，轉子的這一離心力要迫使機組振動，從而造成汽輪機振動過大。原始質量不平衡故障特征可總結為：轉子振動是與轉速同頻的強迫振動，在一定轉速下振動是比較穩的。定振動幅值隨轉速及振動理論中的共振曲線規律變換，在臨界區達到最大值。

原始質量不平衡發生時間在新機啟動和機組大修后，汽輪機組轉子原始質量不平衡大多發生在轉子部位，當然也存在低壓轉子不平衡狀況，這兩種情況下的轉子不平衡部位均是靠發電機一側，一般高中壓轉子很少發生原始質量不平衡的情況。由原始質量不平衡造成的機組振動是轉子本身問題，因此這種振動在一定轉速下受機組參數影響不大，與升速時或帶負荷的時間延續性沒有直接關聯，且不受啟動方式影響[2]。結構不合理、設備部件制造存誤差過大、材料本身不均勻等是原始質量不平衡的幾個主要因素。

表1 檢修前后具體數據對比

表2 #1機組加平衡塊后振動值（2017年4月26日）

1.3 部件摩擦、受熱變形等因素

由于各種原因，像摩擦碰撞，在汽輪機內部工作時常會發生振動摩擦現象。在此過程中如有部件脫落，工作狀態就會很危險，所以在汽輪機內部轉動部件松動脫落故障就會發生。此外轉子在工作過程中本身會產生大量的熱，如不能將熱量及時散發出去很容易因熱積累導致轉子發生應力變形[3]。一旦出現變形彎曲汽輪機組就會發生異常振動的現象。氣流激振現象也是發電機組常見振動之一，這種振動往往會伴隨兩個明顯的信號，一是運行參數對機器振動的增強有較強的影響，二是會有大量值的低頻分量出現。如今處理這種問題的方法是采用動平衡技術。國電霍州發電廠#1機組大修后啟動，#5，#6軸承振動增大，均達到報警值125μm（表1）。

2 汽輪機振動大對策分析

由表1數據看出，振動的分量主要以轉速分量為主，相位穩定，增加的分量是一倍頻量，為改善3000rpm 振動狀況，根據過臨界和帶負荷的振動相位計算，太原電科院時工、明工分析造成#1機組振動大的原因為轉子質量不平衡，建議加裝平衡塊。

如圖1所示，#2號低壓兩端加重5瓦側：408克∠100°；6瓦側：417克∠280°。其中加重角度以汽機前箱的鍵相槽為0°，逆轉動方向度量；圖1中所示是指從機頭向發電機看，機組為逆時針轉動。加裝平衡塊后，2017年3月16日#1機組重新啟動，并做啟動分析（表1），由表2數據橫向對比可看出，加裝平衡塊后#1機組啟機時的振動值有明顯改善，充分說明此次對策的正確性。

圖1 霍州電廠#1號機組#2號低壓轉子平衡示意圖

3 汽輪機組運行優化建議

汽輪機沖轉過程中，必須就地嚴密監視汽輪機轉速的變化及機組聲音、振動、各軸承溫度等變化情況。應確認高壓缸通風閥在打開位置，并嚴密監視高壓缸排汽口金屬溫度變化。沖轉升速過程，禁止利用“調節器設定”進行手動方式增減轉速。及時調整高低壓旁路系統，按啟動曲線控制汽溫、汽壓。及時調整排汽裝置熱井、除氧器水位，注意軸封壓力的變化。

沖轉過程中禁止在臨界轉速附近停留，振動超限保護拒動時應立即打閘停機，投入連續盤車，檢查大軸彎曲值，待大軸彎曲值回到原始值并檢查機組無異常、連續盤車時間足夠（應不少于4小時）后方可重新啟動[4]。嚴禁降低轉速暖機或強迫升速。在中速暖機前軸承振動不得超過30μm，過臨界轉速時，軸承振動不得超過80μm，軸振不得超過150μm，當軸承振動達100μm 或軸振達250μm時，應緊急打閘停機。

火電廠里有很多重要的輸配電設備，汽輪機發電組就是其中之一，對其進行有效地預防并控制故障，才能使汽輪發電組穩定而高效地運行[5]。如何有效解決汽輪機組振動大的現象，需技術人員進一步研究分析數據，提出對應的優化運行策略，從而提高汽輪機組的運行可靠性能。