某電廠汽輪機高壓轉子永久彎曲的原因和對策

蔡維中

[中科（廣東）煉化有限公司，廣東 湛江 524076]

0 引言

某電廠新建兩臺135MW亞臨界超高溫汽輪發電機組，首臺三號機組經過冷態啟動、熱態調試及168 h滿負荷連續試運已投產，四號機組在汽輪機首次并網解列降速過程中，發生了劇烈振動，導致汽輪機高壓轉子發生永久彎曲，無法正常啟動定速。針對四號汽輪機高壓轉子永久彎曲的原因進行分析，提出預防措施，并在汽輪機返修完成后續啟動過程中得以實施并取得一定效果，機組通過試運得以順利投產。

1 設備概況

新建的兩臺三、四號135 MW亞臨界超高溫汽輪發電機組，高壓和中低壓采用分缸結構，高壓為反動式設計，雙層缸結構，汽輪機啟動方式為中壓缸啟動，配有高壓缸預暖系統，在機組冷態啟動前對高壓缸進行倒暖[1]。

高壓通流部分設計為反向流動，高壓主汽閥立式布置在高壓調節閥上，高壓調節閥臥式布置在汽缸兩側，通過螺栓與高壓缸剛性連接。來自鍋爐過熱器的新蒸汽通過高壓主汽閥和高壓調節汽閥進入高壓通流部分，經過28個壓力級做功后，由高壓缸前端下部的高壓排汽口排出，經冷端再熱蒸汽管道去往鍋爐再熱器。

中低壓部分為單向流動，中壓聯合汽閥布置在汽缸兩側，通過螺栓與中壓缸前部剛性連接。再熱蒸汽通過2根熱段再熱汽管道進入中壓聯合汽閥后直接進入中低壓通流部分，在汽缸中經過17個壓力級做功后，由汽缸后部的排汽室向下排入凝汽器。汽輪機主要設計參數見表1。

表1 汽輪機主要設計參數

2 異常經過及原因分析

2.1 異常經過

四號汽輪機組首次沖轉，順利定速3000 r/min，但由于主油箱內潤滑油注油器進口管道法蘭泄漏，潤滑油壓力偏低，打閘停機處理，打閘后機組惰走時間和振動參數正常，盤車順利投入。

四號汽輪機組第二次啟動沖轉后定速3000 r/min，機組參數正常，進行首次并網前電氣試驗，試驗結束后順利并網，帶40 MW負荷暖機運行，機組汽封已切換至自密封，各項參數正常。汽輪機帶負荷運行高壓缸缸溫升至420℃，計劃進行汽輪機閥門嚴密性試驗及超速試驗[2]，汽輪機解列開始進行主汽門嚴密性試驗，汽輪機降速至1858 r/min時，2W振動開始快速上升，轉速下降至1366 r/min后振動上升至254 μm后聯鎖跳閘汽輪機，之后振動繼續上升，最大值達到412 μm，惰走結束后盤車堵轉，采用人工手動盤車20 min后投入連續盤車，機組惰走時間僅10 min，大軸偏心最大值278 μm，盤車2 h候回落至22 μm后緩慢上升至50 μm維持穩定。

降速過程中2WX方向的振動與轉速關系如圖1所示。

圖1 2W X方向振動

異常發生后，現場開缸對高壓缸內部進行檢查，發現高壓內缸汽封片及高壓轉子內缸進汽端汽封齒磨損嚴重，高壓轉子最大彎曲點位于轉子內缸汽封位置，彎曲最大值為0.18 mm，高壓轉子發生永久彎曲變形。高壓轉子磨損情況如圖2所示。

2.2 原因分析

（1）機組首次冷態啟動沖轉、定速及降速過程中各項參數正常，惰走時間正常，說明轉子動平衡符合要求。

（2）汽輪機轉子存在鑄造應力未釋放，在并網運行轉子充分受熱膨脹后，發生臨時熱彎曲，機組并網運行時，由于機組轉速高于轉子一階臨界轉速，大軸熱彎曲方向和轉子不平衡離心力方向相反，兩者相互抵消，因此動靜碰磨較為輕微。

（3）在并網帶負荷運行解列后，降速過程中出現振動異常，經查高壓轉子軸心軌跡圖，機組解列前軸心軌跡已出現不規則現象，說明轉子充分受熱膨脹后出現了臨時熱彎曲[3]。轉子軸心軌跡圖如圖3。高壓轉子內缸汽封齒及高壓內缸汽封片磨損嚴重，可以確定該位置發生了劇烈的動靜碰磨，機組降速階段振動快速上升剛好發生在臨界轉速區，由于共振影響振動發散，加劇了動靜碰磨的強度，造成了轉子局部溫度過熱。

圖3 2X轉子軸心軌跡

（4）停機過程中，當機組轉速降低至臨界轉速區后，由于轉速低于一階臨界轉速，大軸的彎曲方向和轉子不平衡離心力方向基本一致，兩者疊加出現越磨越彎、越彎越磨的情況，產生惡性循環，同時由于軸封供汽溫度偏低，導致轉子局部受冷，加劇了轉子熱彎曲，致使動靜碰磨越發強烈。

（5）停機冷卻過程中，轉子動靜碰磨局部受熱摩擦部位受周圍低溫金屬影響溫度下降較快[4]，溫度較為均勻后，周圍金屬的壓縮應力轉變為殘余的拉伸應力，造成大軸永久彎曲變形，因此出現大軸偏心值先下降至原始值而后反彈的情況。經查，在機組解列后，軸封外供汽源溫度偏低，與缸溫存在100℃偏差，不符合廠家要求，汽輪機轉速下降過程中對汽輪機轉子造成冷卻。

3 主要預防措施及后續啟機運行情況

3.1 預防措施

（1）增加缸溫對軸封汽源的邏輯判斷，機組運行缸溫超過360℃后，軸封汽源自動切換至主蒸汽供汽汽源，保證汽源溫度能夠滿足缸溫要求，并加強運行監視。

（2）新機組首次并網后需解列進行汽輪機汽門嚴密性及超速試驗，因此機組并網暖機過程中，控制主蒸汽及再熱蒸汽溫度不宜過高，并適當增加暖機時間，充分釋放轉子在該運行工況下的殘余應力。

（3）機組再次并網帶負荷后，緩慢提高蒸汽溫度和機組負荷，直至達到額定蒸汽溫度，以求緩慢充分釋放轉子的殘余應力。

（4）升溫升負荷過程中嚴密監視汽輪機振動變化，發現振動出現異常情況，維持當前機組負荷及溫度穩定，待振動異常消除，參數穩定后方可繼續提升。

3.2 后續啟機運行情況

4號機組返修復裝完成后再次啟動，順利定速并網帶負荷暖機，控制暖機溫度350℃維持穩定，暖機時間12 h后解列完成了汽門嚴密性和超速試驗，試驗過程中機組降速至轉速臨界區后振動最高上升至186 μm后回落，升速過程中機組振動偏大，但能夠維持在正常范圍內，快速并網帶負荷后通過長時間暖機，振動逐步恢復正常，之后按預防措施升負荷，順利通過了熱態調試和168 h時滿負荷連續試運行，轉子的殘余應力在試運過程中得以充分釋放并消除。

4 結語

（1）新建機組，在機組冷態啟動沖轉過程中，若轉子存在殘余應力不能明確體現，因此要特別關注首次并網帶負荷運行過程中的機組參數變化，通過振動分析等手段，提前預判機組轉子、汽缸膨脹情況是否正常。

（2）新建機組首次并網后需解列進行汽門嚴密性及超速試驗，因此建議暖機溫度不宜過高，并適當延長暖機時間，這樣既可以降低機組缸溫對軸封溫度的要求，也可以充分暖機，釋放殘余鑄造應力。

（3）機組啟動、停機和甩負荷過程中，要特別關注軸封系統的供汽溫度，建議在控制邏輯里設置供汽汽源的合理切換，防止因軸封供汽溫度偏差過大造成大軸抱死或設備損傷。

（4）機組升速、運行和轉速下降過程中若出現振動、大軸偏心等異常增大，需停機全面檢查，分析原因，充分盤車至參數恢復正常，嚴禁盲目強行啟動造成設備二次損傷。