汽輪機(jī)組振動(dòng)故障處理的決策方法及案例分析

劉東旭 張磊

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 黑龍江哈爾濱 150001）

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子在高溫蒸汽中高速旋轉(zhuǎn)不僅要承受氣流的作用力和離心力，而且還要承受著溫度差引起的熱應(yīng)力。然而在實(shí)際運(yùn)行過程中，難免會(huì)出現(xiàn)軸振增大問題，所以，軸振的穩(wěn)定性對汽輪機(jī)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著很大的影響。因此，大量學(xué)者針對汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)問題展開了研究。有研究［1-3］分析了氣流激振引起機(jī)組軸振增大問題；有研究［4-6］簡述了由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡導(dǎo)致機(jī)組軸振偏大；有研究［7-9］綜述了轉(zhuǎn)子發(fā)生動(dòng)靜碰磨造成機(jī)組振動(dòng)故障的原因；有研究［10-11］論述了軸瓦穩(wěn)定性較差從而造成機(jī)組軸振增大；有研究［12-13］簡述了進(jìn)汽方式對機(jī)組軸振的影響。綜上所述，機(jī)組異常振動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、動(dòng)靜碰磨、汽流激振、軸瓦穩(wěn)定性差、不平衡汽流力等。

然而在現(xiàn)場實(shí)際處理過程中，容易將轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡與閥序調(diào)整這兩種處理方法混淆，大多數(shù)都會(huì)采用動(dòng)平衡處理的方式解決軸振增大的問題。但是在實(shí)際實(shí)施后效果卻不明顯，機(jī)組在投運(yùn)順序閥運(yùn)行過程中還會(huì)存在振動(dòng)增大的問題。不僅問題沒有得到有效的解決，而且花費(fèi)了不必要的檢修費(fèi)用，造成額外的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本文針對上述問題，結(jié)合實(shí)際工程案例，總結(jié)出一套分析方法用于處理同類故障，為此類型故障的有效解決提供借鑒。

1 故障現(xiàn)象及分析

一般大型汽輪機(jī)的進(jìn)汽方式主要有節(jié)流調(diào)節(jié)（單閥）和噴嘴調(diào)節(jié)（順序閥）兩種。由于噴嘴調(diào)節(jié)方式節(jié)流損失較小，所以一般汽輪機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后，會(huì)投運(yùn)噴嘴調(diào)節(jié)方式。然而在實(shí)際生產(chǎn)過程中，在進(jìn)行閥序切換時(shí)，會(huì)出現(xiàn)#1 或#2 瓦會(huì)軸振突升的情況，甚至振動(dòng)超過報(bào)警值，導(dǎo)致機(jī)組不能安全投運(yùn)順序閥。

例如，某廠330MW 亞臨界六調(diào)門機(jī)組，如圖1所示，機(jī)組在節(jié)流調(diào)節(jié)方式下進(jìn)行變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，#1 瓦絕對振動(dòng)值穩(wěn)定在80μm 以下，無任何的突變現(xiàn)象。而由節(jié)流調(diào)節(jié)切換到噴嘴調(diào)節(jié)期間的切換過程中和切換完成后，#1瓦絕對振動(dòng)值由74μm突升到140μm，遠(yuǎn)超過規(guī)定的報(bào)警值。此種故障容易引發(fā)機(jī)組發(fā)生碰磨，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

圖1 機(jī)組閥序切換過程中#1至#3瓦絕對振動(dòng)變化趨勢圖

為解決軸振較大的問題，后期在機(jī)組大修期間，將轉(zhuǎn)子返廠進(jìn)行動(dòng)平衡處理。大修結(jié)束后機(jī)組啟機(jī)運(yùn)行，投運(yùn)一段時(shí)間單閥后，進(jìn)行了閥序切換試驗(yàn)。如圖2所示，順序閥運(yùn)行過程還是存在軸振增大的情況，雖然其振動(dòng)幅度由140μm 降到130μm，較之前有了較小的變化，但是依然存在一定的安全隱患。所以，為了保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，則只能繼續(xù)采用節(jié)流調(diào)節(jié)方式運(yùn)行，對機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有極大的影響。

圖2 動(dòng)平衡處理后#1至#3瓦絕對振動(dòng)變化趨勢圖

通過上述現(xiàn)象表明，由于進(jìn)汽方式不合理，不平衡汽流力導(dǎo)致軸系失穩(wěn)，軸系受力不均衡，發(fā)生軸振增大的現(xiàn)象。所以在進(jìn)行動(dòng)平衡處理后，還是存在軸振增大的問題。因此，軸振增大的問題其根源不在于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。

2 分析方法

結(jié)合上述故障現(xiàn)象，針對轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡處理和閥序調(diào)整這兩種振動(dòng)的處理方式，為避免現(xiàn)場人員進(jìn)行無效的工作，能夠及時(shí)有效地處理此類故障，本文提出一種分析方法，結(jié)合現(xiàn)場機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，具體分析過程如下。

（1）收集機(jī)組節(jié)流調(diào)節(jié)方式及噴嘴調(diào)節(jié)方式下的大范圍變負(fù)荷（額定負(fù)荷的40%～100%工況）數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)測點(diǎn)包含功率、高調(diào)門開度反饋值、#1 至#2 瓦的軸振值。

（2）利用軟件仿真分析或者借助DCS 曲線趨勢添加以上測點(diǎn)進(jìn)行分析。

（3）利用節(jié)流調(diào)節(jié)方式的大范圍變負(fù)荷（額定負(fù)荷的40%～100%工況）數(shù)據(jù)，需要根據(jù)變負(fù)荷過程中軸振的變化趨勢判定其軸系穩(wěn)定性。

（4）根據(jù)上述節(jié)流調(diào)節(jié)方式軸振的情況，分析在切換過程中或切閥后的軸振變化的趨勢。若機(jī)組節(jié)流調(diào)節(jié)閥方式進(jìn)行變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其軸振穩(wěn)定性較好，而在投運(yùn)噴嘴調(diào)節(jié)方式過程中軸振變化范圍較大或發(fā)生突變，則說明軸振增大是由于機(jī)組不平衡汽流力導(dǎo)致的，需要進(jìn)行閥序?qū)?yōu)試驗(yàn)，調(diào)整進(jìn)汽順序可以有效解決上述問題；若機(jī)組節(jié)流調(diào)節(jié)方式進(jìn)行變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其軸振有上升或突變的情況，而在投運(yùn)噴嘴調(diào)節(jié)方式過程中其軸振變化范圍也比較大，則說明轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，軸系整體穩(wěn)定性較差，需要進(jìn)行動(dòng)平衡處理。

3 應(yīng)用案例分析

以某廠330MW亞臨界六調(diào)門機(jī)組為例，其進(jìn)汽方式有單閥和順序閥兩種，單閥調(diào)節(jié)時(shí)6 個(gè)高調(diào)門按照指令同時(shí)開啟或關(guān)閉，機(jī)組順序閥調(diào)節(jié)時(shí)，按照“GV1+GV2→GV4→GV5→GV6→GV3”的次序依次開啟，即先開GV1、GV2，再開GV4，再開GV5，再開GV6，再開GV3，屬于下缸進(jìn)汽。機(jī)組噴嘴布置如下圖3所示。

圖3 噴嘴布置圖

收集機(jī)組優(yōu)化前單閥與順序閥變工況數(shù)據(jù)，利用仿真軟件畫出功率趨勢圖、調(diào)門變化趨勢圖、軸振變化趨勢圖進(jìn)行分析。如圖4（a）、圖4（b）、圖4（c）所示，機(jī)組在單閥模式下，功率由250MW 升至282MW，#1 瓦X向振動(dòng)穩(wěn)定在53μm、#1瓦Y向振動(dòng)穩(wěn)定在48μm，進(jìn)行變負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)沒有任何上升趨勢或突變情況，整體穩(wěn)定性較好。

圖4 機(jī)組優(yōu)化前仿真分析過程

功率在277.7MW 時(shí)，機(jī)組由單閥切換到順序閥，在切換過程中#1瓦X向振動(dòng)由53μm突升到80μm、#1瓦Y 向振動(dòng)由48μm 突升到72μm。在切換完成后，功率由277.7MW 升至292MW，同時(shí)高調(diào)門GV3、GV6 參與調(diào)節(jié)，#1瓦X向振動(dòng)由53μm升至104μm、#1瓦Y向振動(dòng)由48μm 升至106μm，其軸振變化范圍較大。當(dāng)前現(xiàn)象則說明軸振增大是由于機(jī)組不平衡汽流力導(dǎo)致的。

通過上述的現(xiàn)象描述可知，當(dāng)前機(jī)組軸振的上升是由機(jī)組進(jìn)汽方式不合理，不平衡汽流力使軸系失穩(wěn)，因此需要進(jìn)行閥序?qū)?yōu)試驗(yàn)，調(diào)整進(jìn)汽順序可以有效解決上述問題。

結(jié)合上述振動(dòng)故障，后續(xù)進(jìn)行閥序?qū)?yōu)試驗(yàn)，得到最優(yōu)進(jìn)汽順序。在線進(jìn)行DEH閥門管理參數(shù)，將機(jī)組順序閥進(jìn)汽順序改為：GV2+GV3→GV1→GV6→GV5→GV4。在投運(yùn)順序閥進(jìn)行變負(fù)荷時(shí)，如圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）所示，功率由254MW升至282MW，高調(diào)門GV6、GV5、GV4 參與調(diào)節(jié)，#1 瓦X 向振動(dòng)穩(wěn)定在46～55μm，#1瓦Y向振動(dòng)穩(wěn)定在40～56μm，軸振沒有大范圍的變化幅度。通過閥序調(diào)整，解決了投運(yùn)順序閥過程中軸振較大的問題。

圖5 機(jī)組優(yōu)化后仿真分析過程

4 結(jié)語

本文針對轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡與閥序調(diào)整這兩種振動(dòng)處理方法容易混淆的問題。基于現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，提出一種決策分析方法，總結(jié)出一套分析流程，輔助技術(shù)人員進(jìn)行決策，選擇合適的處理方法，避免無效工作。同時(shí)結(jié)合實(shí)際案例分析，驗(yàn)證了此方法不僅能夠及時(shí)、有效地對此類振動(dòng)故障進(jìn)行分析，而且能夠選擇合適的處理方法，避免無效工作，為企業(yè)節(jié)省不必要的檢修費(fèi)用，具有一定借鑒意義。