超超臨界1 030 MW汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)異常處理

陳 杰，童小忠

(浙江省火力發(fā)電高效節(jié)能與污染物控制技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 311121)

0 引言

高參數(shù)汽輪機(jī)組是火電技術(shù)未來主要發(fā)展方向[1]，1 000 MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組由于其卓越的經(jīng)濟(jì)性在火力發(fā)電裝機(jī)容量中占據(jù)了可觀的份額[2]。相較于其它類型機(jī)組，該類型機(jī)組具有典型的軸系結(jié)構(gòu)為四缸、雙支撐布置，轉(zhuǎn)子總長(zhǎng)度達(dá)37 m，加上發(fā)電機(jī)長(zhǎng)度，汽輪發(fā)電機(jī)組總長(zhǎng)度達(dá)54 m。如此長(zhǎng)度的軸系布置更易于出現(xiàn)軸系振動(dòng)的問題，這就對(duì)軸瓦穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提出了較高的要求[3-4]。

機(jī)組在大范圍變負(fù)荷運(yùn)行過程中，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在非設(shè)計(jì)工況往往會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子的振動(dòng);同時(shí),引起振動(dòng)的各因素之間還具有一定的耦合性。在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中，有學(xué)者提出基于調(diào)節(jié)閥組開啟順序改造的解決方案[5]，嘗試?yán)迷摲桨笇?shí)現(xiàn)振動(dòng)問題的解耦；另一方面，由于軸承失穩(wěn)引起的軸系振動(dòng)也是該問題的典型特征之一[6]，最有效且最常用的解決方案是通過計(jì)算振幅與配重之間的耦合關(guān)系，以對(duì)軸瓦配重進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]，進(jìn)而改善機(jī)組的振動(dòng)問題。

然而，對(duì)于某些超超臨界機(jī)組來說，在設(shè)計(jì)上會(huì)出現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子#1瓦側(cè)平衡孔被汽封邊遮擋一部分無法加重、#8，#9瓦軸振相位反相無法通過低發(fā)對(duì)輪加重降低#10瓦軸振等問題。對(duì)此，本文針對(duì)該機(jī)型特點(diǎn)，對(duì)#10、#2瓦進(jìn)行了加重處理；在此基礎(chǔ)上，通過分析振動(dòng)數(shù)據(jù)的規(guī)律，判斷出了導(dǎo)致振幅超限的原因，并給出相應(yīng)處理建議。

1 機(jī)組概況

某電廠采用N1030-25.0/600/600超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)。該機(jī)型首次采用節(jié)流配汽、1 200 mm低壓末級(jí)葉片。如圖1所示，機(jī)組的軸系結(jié)構(gòu)主要由高、中、低壓轉(zhuǎn)子以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其中低壓轉(zhuǎn)子分為低壓轉(zhuǎn)子A和低壓轉(zhuǎn)子B。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向從汽輪機(jī)往發(fā)電機(jī)看為逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。其中高壓、中壓轉(zhuǎn)子使用可傾瓦軸承支承，低壓轉(zhuǎn)子使用橢圓軸承支承，各轉(zhuǎn)子間由剛性聯(lián)軸器連接，共11道撐持軸承。

圖1 轉(zhuǎn)子軸系布置示意

該機(jī)組投產(chǎn)后，變工況運(yùn)行時(shí)機(jī)組在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了#10瓦軸振幅值大，#1瓦軸振爬升；滑參數(shù)停機(jī)時(shí)#5，#6瓦軸振大等異常現(xiàn)象。

綜上所述，亟需設(shè)計(jì)一套振動(dòng)解決方案。

2 軸振幅值大的處理措施

2.1 #10瓦處理措施

自該機(jī)組在2014年9月投入運(yùn)行以來，汽輪發(fā)電機(jī)組軸系穩(wěn)定，各軸瓦溫度正常，機(jī)組各主要參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求。2016年3月機(jī)組第1次A修，未對(duì)軸系、軸瓦進(jìn)行處理。A修結(jié)束后，機(jī)組啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)，達(dá)到轉(zhuǎn)速3 000 r/min后，#7～#10瓦振動(dòng)幅值見表1。低壓B缸前后瓦、發(fā)電機(jī)前瓦的軸振幅值均在優(yōu)秀水平，#10瓦X、Y向軸振通頻幅值分別為20 μm、80 μm，10Y振動(dòng)超過優(yōu)秀值76 μm。

表1 動(dòng)平衡前、后#7～#10瓦振動(dòng)幅值

由此可見，10Y振幅值變化不大，同時(shí)相位一直處在穩(wěn)定狀態(tài)。為確定10Y振動(dòng)幅值大的原因，進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，保持其他參數(shù)不變，分別進(jìn)行變有功、變無功、變密封油溫、變氫溫試驗(yàn)，10Y振動(dòng)幅值無明顯變化。根據(jù)傳熱和材料本構(gòu)行為的數(shù)學(xué)模型[8]，判斷該振動(dòng)為普通強(qiáng)迫振動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)子可能存在一定程度上的不平衡問題。考慮到#8，#9瓦振動(dòng)反相，在低發(fā)對(duì)輪上加重將不利于#8瓦振動(dòng)，嘗試在#10，#11瓦之間加重。加重方案為：在勵(lì)磁機(jī)風(fēng)扇環(huán)上加重0.18 kg。

加重后機(jī)組重新啟動(dòng)，10Y振動(dòng)幅值較動(dòng)平衡前降低，負(fù)荷876 MW下，10Y振動(dòng)通頻幅值為67 μm，達(dá)到優(yōu)秀水平。

計(jì)算勵(lì)磁機(jī)風(fēng)扇環(huán)上加重對(duì)10Y振動(dòng)的影響系數(shù)幅值為50 μm/kg，為取得更好的動(dòng)平衡效果需增加平衡塊重量。但風(fēng)扇環(huán)上加重位置少，平衡塊質(zhì)量小，使得加重效果有限，有必要時(shí)可使用高密度平衡塊或加工質(zhì)量更大的平衡塊。

2.2 #1處理措施

機(jī)組投產(chǎn)后1X，1Y軸振幅值緩慢爬升，至2016年A修前，1X，1Y軸振通頻幅值分別達(dá)72 μm，85 μm。因高壓轉(zhuǎn)子靠#1瓦側(cè)平衡孔被汽封邊擋住一部分，無法安裝平衡塊，未做動(dòng)平衡。A修完畢，機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但1X，1Y軸振幅值繼續(xù)緩慢增大，通頻幅值最終分別穩(wěn)定在95 μm，120 μm。

機(jī)組運(yùn)行中，#1軸承3個(gè)金屬溫度測(cè)點(diǎn)測(cè)量值為61 ℃，76 ℃，51 ℃(最大偏差達(dá)25 ℃)，與該電廠另一臺(tái)同型號(hào)機(jī)組#1軸承金屬溫度72 ℃，87 ℃，67 ℃相比偏低10 ℃，說明#1軸承承載偏輕。2017年調(diào)停期間，#1軸承進(jìn)行抬瓦處理，上抬0.13 mm。機(jī)組啟動(dòng)后，#1軸承瓦溫未見明顯變化，1X，1Y軸振幅值未減小。

2017年C修期間，為降低#1瓦軸振幅值進(jìn)行了以下處理：

(1)為縮小金屬溫度測(cè)量值偏差，將#1軸承向鍋爐側(cè)移動(dòng)50 μm。

(2)機(jī)組多次啟停1X，1Y軸振均維持在同一水平，運(yùn)行中相位穩(wěn)定，以1倍頻分量為主，與機(jī)組調(diào)試階段1X，1Y振動(dòng)與負(fù)荷關(guān)聯(lián)程度大，機(jī)組高負(fù)荷下1X，1Y軸振幅值突增，且振動(dòng)增量以低頻分量為主的現(xiàn)象不一致，可排除汽流激振與動(dòng)靜部件碰磨耦合的因素[9]，由此判斷可能由于高壓轉(zhuǎn)子在質(zhì)量上存在一定程度的不平衡問題[10-11]。由于高壓轉(zhuǎn)子#1瓦側(cè)平衡孔被汽封邊遮擋，無法安裝平衡塊，加重位置只能選#2瓦側(cè)平衡孔。

加重前#1，#2瓦X，Y向軸振同相分量分別為：47.4 μm∠80.4°，61.0 μm∠311.2°。考慮到#1，#2瓦軸振存在較大的同相分量，為避免動(dòng)平衡后#2瓦軸振幅值增大過多，適當(dāng)減小加重質(zhì)量。由于缺少同類機(jī)型轉(zhuǎn)子的影響系數(shù)，影響系數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值150 μm/kg，機(jī)械滯后角取20°。加重方案為：在高壓轉(zhuǎn)子#2瓦側(cè)平衡孔處加重0.35 kg。

動(dòng)平衡后機(jī)組沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)，1X，1Y軸振通頻幅值曲線如圖2所示。滿負(fù)荷工況下1X，1Y軸振幅值均較動(dòng)平衡前減小，1Y軸振通頻及1倍頻幅值均減小30 μm以上，但2X，2Y軸振幅值有所上升，見表2。因機(jī)組帶負(fù)荷，未進(jìn)行加重調(diào)整。

表2 滿負(fù)荷工況下動(dòng)平衡前、后#1，#2瓦振動(dòng)幅值

圖2 動(dòng)平衡后1X，1Y通頻振動(dòng)幅值

由于#1，#2瓦振動(dòng)同相分量大，動(dòng)平衡降低#1瓦軸振幅值會(huì)提高#2瓦軸振幅值，后續(xù)處理時(shí)，為防止2Y軸振超過優(yōu)秀值范圍，在#2瓦側(cè)平衡孔的加重質(zhì)量以不超過0.15 kg為宜。

3 滑參數(shù)停機(jī)#5、#6瓦軸振大的原因分析

3.1 停機(jī)過程中振動(dòng)情況

2017年1月機(jī)組調(diào)停，停機(jī)前低壓轉(zhuǎn)子A、低壓轉(zhuǎn)子B振動(dòng)幅值均在75 μm以內(nèi)。機(jī)組負(fù)荷降至350 MW時(shí)，5Y，6Y軸振幅值分別為75 μm，46 μm，5Y，6Y軸振幅值出現(xiàn)爬升-回落-爬升的現(xiàn)象，如圖3所示。負(fù)荷降至150 MW時(shí)，5Y軸振幅值已達(dá)到152 μm，機(jī)組打閘停機(jī)。轉(zhuǎn)子惰走過程中，低壓轉(zhuǎn)子部分在過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)出現(xiàn)了振動(dòng)幅度較大的問題，5Y，6Y振動(dòng)幅值分別達(dá)192 μm，256 μm。

圖3 機(jī)組滑停5Y，6Y振動(dòng)異常曲線

3.2 原因分析

機(jī)組負(fù)荷350 MW以上時(shí)，#5，#6瓦軸振平穩(wěn)。負(fù)荷降至350 MW以后，5Y，6Y軸振開始爬升，同時(shí)低壓轉(zhuǎn)子B的前后軸承振動(dòng)幅值也隨之變化，說明整個(gè)過程中5Y，6Y振動(dòng)信號(hào)為真實(shí)信號(hào)。整個(gè)停機(jī)過程中，各瓦的振動(dòng)幅值無階躍，可排除軸系部件飛脫的可能，振動(dòng)為強(qiáng)迫振動(dòng)。5Y，6Y振動(dòng)幅值在打閘前已達(dá)到正常運(yùn)行值的2倍以上，即疊加了新的臨時(shí)不平衡量，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子惰走過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)振動(dòng)幅值大的現(xiàn)象。以往的滑參數(shù)停機(jī)過程中，低壓轉(zhuǎn)子B曾發(fā)生過相似的問題，在后續(xù)的啟動(dòng)及帶負(fù)荷過程中振動(dòng)均恢復(fù)正常水平，說明這種臨時(shí)不平衡量不需要進(jìn)行特殊處理。轉(zhuǎn)子在低負(fù)荷下產(chǎn)生熱彎曲的可能性較大，而低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子晃度大佐證了這一判斷。

引發(fā)低壓轉(zhuǎn)子熱彎曲的可能原因有碰磨和轉(zhuǎn)子遇冷。由于缸體剛度低，形變量大，使軸封水平方向的間隙變小，進(jìn)而導(dǎo)致碰磨，產(chǎn)生熱彎曲；另一方面，打閘前及惰走過程中，軸封母管壓力異常波動(dòng)(如圖4所示)，可能使軸封參數(shù)與轉(zhuǎn)子溫度不匹配，導(dǎo)致振動(dòng)進(jìn)一步爬升。

圖4 停機(jī)過程振動(dòng)與軸封母管壓力曲線

隨后的2次機(jī)組啟動(dòng)中，低壓缸各瓦振動(dòng)均恢復(fù)正常，表明機(jī)組通流部件無本質(zhì)性變化。

建議機(jī)組滑參數(shù)停機(jī)時(shí)按運(yùn)行規(guī)程控制好參數(shù)和滑停速率，減小降負(fù)荷變化速率，直至3 MW/min左右。加強(qiáng)對(duì)主蒸汽參數(shù)、軸封蒸汽參數(shù)的監(jiān)視，避免溫度、壓力出現(xiàn)大的波動(dòng)，加強(qiáng)汽輪機(jī)本體及軸封疏水，防止啟停過程中出現(xiàn)汽輪機(jī)接觸冷汽或疏水不暢現(xiàn)象。停機(jī)過程20%負(fù)荷以下，適當(dāng)降低機(jī)組真空運(yùn)行(88～92 kPa)，防止低壓缸變形，影響機(jī)組振動(dòng)。

4 結(jié)論

針對(duì)某1 030 MW機(jī)組投產(chǎn)后呈現(xiàn)出的振動(dòng)情況，本文結(jié)合數(shù)據(jù)分析方法與優(yōu)化調(diào)整操作對(duì)機(jī)組進(jìn)行處理，得到如下結(jié)論：

(1)通過振動(dòng)試驗(yàn)及頻譜分析，判斷出#10瓦振動(dòng)的問題是由于轉(zhuǎn)子不平衡引起的。隨后，本文在勵(lì)磁機(jī)風(fēng)扇環(huán)處進(jìn)行了該機(jī)組自出廠以來的首次加重0.18 kg后，10Y振動(dòng)改善。

(2)由于振動(dòng)頻譜中無低頻分量，判斷#1瓦振動(dòng)與機(jī)組負(fù)荷無關(guān)，原因?yàn)楦邏恨D(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡所致。本文在#2瓦側(cè)平衡孔加重0.35 kg后，#1瓦振動(dòng)下降。

(3)此外，機(jī)組滑參數(shù)停機(jī)#5、#6瓦軸振大為摩擦振動(dòng)和轉(zhuǎn)子過臨界二者疊加造成，無需特殊處理。