某300 MW 機組啟動過程偏心異常增大原因分析及處理

崔彥亭， 胥佳瑞， 賀善舉， 吳韜， 鄧愛祥

（1. 大唐華北電力試驗研究院， 北京， 100040； 2.河北大唐國際張家口熱電有限責任公司， 河北張家口， 075000））

1 機組概況

某機組為315 MW 亞臨界、 一次中間再熱、單軸、 兩缸兩排汽、 單抽供熱凝汽式機組。 軸系由高中壓轉子、 低壓轉子、 發電機轉子3 根轉子組成， 轉子間通過剛性聯軸器連接， 各轉子均為雙支撐結構， 其中1～4 號軸承為可傾瓦軸承， 5～6號軸承為橢圓軸承， 如圖1 所示。

圖1 軸系示意圖

2020 年5 月機組B 修中高中壓轉子返廠更換調節級， 并進行高速動平衡。 熱控專業對汽輪機偏心測量系統做了小軸振動改造， 將偏心傳感器輸入信號并聯接入相鄰振動卡件備用通道組態成為軸振信號， 使偏心信號根據汽輪機轉速實現分階段顯示， 在600 r/min 以下時顯示為子轉子偏心信號， 在600 r/min 以上時顯示為小軸振動信號[1]。

2 振動過程

2021 年6 月11 日19 時49 分， 該機組進行檢修后首次啟動， 600 r/min 摩檢10 min 后升速， 升至1 200 r/min 時1# 瓦軸振開始爬升（1 200～1 950 r/min 為臨界區域， 高中壓轉子臨界轉速1 688 r/min， 升速率500 r/min/min）， 1 723 r/min 時1Y軸振快速增至256 μm， 振動保護動作， 機組跳閘， 投盤車時偏心79 μm（啟動前68 μm）。

表1 首次啟動過程1#～2#瓦軸振（峰峰值/基頻）μm/μm

2021 年6 月12 日1 時34 分， 機組再次啟動。1 點44 分轉速升至1 100 r/min 保持運行觀察振動， 偏心數值82 μm， 1#～2# 瓦Y 向軸振分別為46 μm、 24 μm， 見表2。 隨后振動幅值開始逐漸升高， 同時伴隨有相位（上部線條）減小， 9 min 后偏心開始升高， 1Y 軸振64 μm； 21 min 后偏心快速增加至376 μm， 1Y 軸振185 μm， 考慮到偏心（即小軸振動） 增長快且數值較大， 運行打閘并破壞真空； 25 min 后偏心達500 μm， 1Y 軸振251 μm， 2X 軸振65 μm， 以基頻為主， 見圖2； 40 min 后轉速到 “0”， 投盤車， 偏心500 μm， 現場用聽針偶爾可聽到前箱內有摩擦聲； 3 點18 分偏心開始回落， 7 點01 分偏心降至54 μm。

表2 再次啟動時偏心及1#～2#瓦軸振（峰峰值）μm

圖2 偏心與1 瓦軸振趨勢圖

3 故障原因分析

根據2 次啟動過程的振動情況， 可以總結出該機組振動存在以下特征：

（1）振動幅值的成分以1 倍頻為主；

（2）轉速超過一階臨界轉速后軸振仍在爬升；

（3）2 次啟動過程中1#瓦軸振均遠大于2# 瓦軸振；

（4）第1 次打閘后投盤車時偏心較啟動前略有增長；

（5）第2 次啟動過程中偏心和1# 瓦振動幅值變化與轉速無關， 且1# 瓦振動幅值變化伴隨著相位變化；

（6）1#瓦軸振與偏心爬升趨勢未完全重疊。

通過以上特征分析：

第1 次啟動過程中， 1# 瓦軸振從1 200 r/min開始爬升， 1 723 r/min 達到跳機值。 振動頻譜成分以1 倍頻分量為主， 高中壓轉子一階臨界轉速為1 688 r/min（由波德圖得知）， 當轉速高于1 688 r/min 時軸振仍在爬升， 正常情況下質量不平衡引起的振動表現為臨界轉速時振動峰值明顯升高，轉速超出臨界轉速以上后， 振動會快速下降[2]； 1號瓦軸振遠大于2 號瓦軸振， 而動平衡報告顯示1～2 號瓦振動分別為1.5 mm/s 和1.52 mm/s， 平衡效果良好且數值接近， 如圖3 所示。 結合投盤車時偏心79 μm， 較機組啟動前68 μm 略有增長，可以確定高中壓轉子發生了碰摩， 碰摩點位于轉子高壓側。

圖3 高中壓轉子高速動平衡波德圖

第2 次啟動過程中， 1# 瓦振動頻譜成分以1倍頻為主， 基頻振動幅值爬升的同時， 基頻振動相位也相應變化， 原因為高中壓轉子高壓側發生動靜碰摩， 使得高中壓轉子產生熱彎曲導致質量不平衡發生變化引起振動爬升[3]； 打閘停機后， 轉速下降過程中振動繼續爬升， 這表明轉子因碰摩產生的熱彎曲大于轉速下降對振動的影響， 轉子仍存在動靜碰摩； 1 號瓦軸振遠大于2 號瓦軸振，由此推斷引起質量不平衡位置靠近1 號瓦側， 即碰摩點位于轉子高壓側， 重點懷疑高壓內外軸封及平衡持環等采用小間隙汽封位置。

本次檢修中熱控專業對汽輪機偏心測量系統進行了小軸振動改造， 汽輪機轉速高于600 r/min時顯示小軸振動信號， 由于TDM 系統未做相應修改， 無振動特征數據。 偏心即小軸振動爬升發生在1 000 r/min 暖機過程中， 轉速未變而振動升高，說明轉子不平衡量發生了變化[4]， 而打閘后小軸振動繼續升高至500 μm（滿量程）， 則是碰摩振動故障的典型特征[5]，投盤車時偏心值仍為500 μm， 可斷定小軸發生了嚴重熱彎曲； 且1 號瓦軸振與偏心爬升趨勢未完全重疊， 說明兩者發生的原因相互獨立而又有一定疊加影響， 結合前箱內結構判斷小軸振動爬升的原因為主油泵處有碰摩發生。

碰摩故障的機理比較直觀， 即高速旋轉的轉子與靜子部件（汽封、 油擋等）由于動靜間隙低于設計值發生了局部接觸， 接觸部位在劇烈的摩擦作用下釋放出大量熱量， 進而轉子局部過熱產生膨脹使轉子出現熱彎曲， 引起不平衡量的增大，從而出現振動爬升現象[2]。

轉軸動靜碰摩產生的熱彎曲所引起的振動現象， 對振動的影響與轉速相關， 轉速不同影響程度不同， 當轉速低于一階臨界轉速時滯后角φ＜90°， 動靜碰摩引起的轉軸熱彎曲產生的不平衡量OB， 與原始不平衡量OA 疊加后的不平衡量OC大于原始不平衡量OA， 從而導致動靜摩擦加劇，轉軸熱變形量也將進一步變大， 相互影響產生惡性循環。 這種摩擦嚴重威脅機組的運行安全， 嚴重時會導致軸系破壞事故的發生。 如圖4 所示[4]。

圖4 一階臨界轉速以下轉軸摩擦對振動的影響

對于碰摩振動故障， 最直接的解決方案就是揭缸檢修， 重新調整動靜間隙， 從根本上避免動靜接觸。 但是這種手段費時費力， 需要對碰摩部位有準確的把握。 實際上最常用也是最有效的手段是采取 “磨合” 的方法， 即讓動靜部件充分磨合， 摩擦掉相互接觸的部分， 以消除振動[6]。 根據以上分析決定對1 號瓦軸振采用磨合的方式來解決振動故障， 而前箱檢查由于工期較短， 決定揭箱檢查主油泵密封環、 浮動油擋間隙、 高中壓缸調端外軸封間隙以及碰摩情況。

4 振動處理及效果

12 日下午解體檢查， 發現主油泵調端擋油環間隙為 “0”， 如圖5 所示， 擋油環止動銷處于油泵結合面位置， 止動銷加工槽尺寸較小導致止動銷在回裝后被壓緊， 同時結合面的密封膠被擠入止動銷槽中， 進一步導致擋油環被卡死無法自由浮動， 使得油泵油擋及密封環與轉子發生碰摩，引起機組小軸振動異常。 高中壓缸調端外軸封間隙合格， 軸徑上微碰摩跡象不明顯， 懷疑引起1號瓦振動大的碰摩點位于內軸封或平衡持環處，決定繼續采用“磨合“方式消除振動。

圖5 主油泵結構圖

圖6 主油泵油擋及密封環處碰摩跡象

6 月13 日， 機組第3 次啟動， 機組順利定速3 000 r/min， 整個過程偏心最大73 μm， 一階臨界1 號瓦軸振最大85 μm， 各瓦軸振均在優秀值范圍內， 見表3。

表3 機組定速3 000 r/min 時1～6 瓦振動情況（峰峰值）μm

5 結論

通過以上分析可以得到：

（1）機組1# 瓦振動以工頻分量為主， 屬于不穩定的普通強迫振動。 其特點是低速暖機過程中汽輪機高中壓轉子振動快速爬升和過臨界振動數值較高， 并伴隨有相位變化。 機組振動產生的原因為高壓側發生了動靜碰摩,主要是檢修中汽封局部間隙調整偏小引起的， 后續啟停機中仍應加強監視。

（2）小軸振動振動特點現為打閘后偏心值繼續升高、 投盤車時滿量程， 54 min 后偏心開始回落，屬于典型的由碰摩引起的熱彎曲現象， 為擋油環止動銷安裝不當引起。

（3）由主油泵擋油環原因引起機組小軸振動故障在行業內極少發生,大多數機組對于小軸振動監視未做要求， 且偏心在600 r/min 以上時不做顯示， 即使運行中出現異常也未必能發現， 本案例的發生應當引起各發電企業的高度重視， 以免產生嚴重后果造成不必要的損失。