660 MW新建機組汽輪機碰磨振動分析及處理

張 杰

(西安益通熱工技術服務有限責任公司，陜西 西安 710000)

現(xiàn)階段高參數(shù)大容量的電廠汽輪機已被廣泛應用，為了進一步提高機組效率節(jié)能降耗，新型汽輪機的動靜間隙普遍設計得較小，尤其在葉頂汽封及軸端汽封處更甚[1-3]，這也使得新機組在啟動初期發(fā)生碰磨的概率隨之增加，碰磨輕則導致機組強烈振動無法定速，嚴重時可造成轉(zhuǎn)子永久性彎曲，甚至損毀，造成巨大的經(jīng)濟損失[4-5]。汽輪機的碰磨振動大多通過自行磨合增大間隙進行消除[6-7]，但新建機組汽輪機除了受到本體結構的影響，還受相關輔助系統(tǒng)的不確定性影響，必須對其振動現(xiàn)象特征進行準確判斷和對系統(tǒng)綜合性分析后采取有效措施，才能安全可靠解決振動問題，保證汽輪機安全穩(wěn)定運行。

1 機組簡介

內(nèi)蒙古某電廠新建機組采用東方汽輪機廠有限責任公司生產(chǎn)的660 MW、超超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單軸、高中壓缸分缸、三缸兩排汽、間接空冷凝汽式汽輪機。汽輪機為三缸兩排汽結構，高、中壓缸分缸，低壓缸部分為雙分流式。汽輪機缸體軸承布置見圖1，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速見表1。汽輪機有3根轉(zhuǎn)子，每根轉(zhuǎn)子支承在各自的2個軸承上。HP轉(zhuǎn)子與IP轉(zhuǎn)子、IP轉(zhuǎn)子與LP轉(zhuǎn)子均由剛性聯(lián)軸器連接，轉(zhuǎn)子由推力軸承軸向定位于高中壓間2號軸承箱內(nèi)。高、中壓缸采用下貓爪水平中分面支撐，在變工況下汽缸膨脹和收縮時，靜子和轉(zhuǎn)子的中心相對不變。汽封系統(tǒng)采用迷宮式自密封汽封。

圖1 汽缸軸承布置

表1 各轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速 單位：r/min

2 機組啟動過程及振動現(xiàn)象分析

2.1 首次沖車過程及現(xiàn)象

汽輪機沖轉(zhuǎn)參數(shù)滿足啟動條件后，首次沖轉(zhuǎn)至500 r/min，振動值在正常范圍，進行打閘。無異音后重新升速，3號、4號、5號、6號瓦振動隨轉(zhuǎn)速逐漸上升，轉(zhuǎn)速升至681 r/min時，6瓦Y向振動升高至216.9 μm，機組打閘。汽輪機首次沖轉(zhuǎn)振動參數(shù)見表2。

表2 汽輪機升速及打閘時振動參數(shù) 單位：μm

2.2 振動原因分析

由振動數(shù)據(jù)看出，振動首先發(fā)生在中壓缸兩側3號、4號軸承處，隨著轉(zhuǎn)速增加， 5號、6號軸承也發(fā)生了振動。檢查汽輪機輔助系統(tǒng)，潤滑油溫基本穩(wěn)定在41 ℃左右，排除了油溫變化對油膜的影響。排汽溫度和軸封供汽溫度穩(wěn)定，高、中壓缸上下缸溫差最大9.6 ℃，現(xiàn)場缸體疏水管道通暢，判斷缸體無積水情況。汽缸膨脹在汽輪機啟動初期因蒸汽量小暖缸效果不明顯，缸脹幾乎無變化，不存在因膨脹不暢引起碰磨振動。查找機組安裝記錄發(fā)現(xiàn)，本機組設計中為了降低熱耗率，軸封安裝間隙值較小，中壓缸兩端設計值0.4～0.7 mm，安裝值0.45 mm，低壓缸兩端設計值0.25～0.55 mm，安裝值0.35 mm，間隙安裝值幾乎采取了下限。在機組打閘后通過聽針，在現(xiàn)場中壓缸兩側可監(jiān)聽到明顯的碰磨聲音。通過汽輪機振動監(jiān)測數(shù)據(jù)看出，振動主要以1倍頻分量為主，振動上升過程中也主要是1倍頻振動增大，相位角度隨振動增大也在逐漸變化。且振幅隨時間的延長而逐漸增大，其振動趨勢圖上表現(xiàn)為平滑連續(xù)的曲線，而非突升、突降型。此特征為典型的動靜碰磨振動[8]。常用的處理方法是通過磨合增大間隙，即在保證其他參數(shù)正常的情況下，通過多次碰磨再脫離再碰磨的過程，最終實現(xiàn)動靜間隙達到合理的要求，從而消除碰磨振動[9-10]。但在試運過程中，要控制好振動值，當振動出現(xiàn)報警值且繼續(xù)增大時機組應打閘，打閘后至少盤車4 h，消除碰磨產(chǎn)生的臨時熱彎曲后才能再次啟動[11]，中壓缸振動趨勢及頻譜如圖2、圖3所示。

圖2 3Y、4Y振動趨勢

圖3 4Y振動頻譜

3 振動處理方法

3.1 低速磨合

汽輪機連續(xù)盤車4 h后，偏心下降至42.1 μm，調(diào)整沖轉(zhuǎn)參數(shù)后再次啟動升速至500 r/min，中壓缸兩端振動逐漸升高，3Y振動升至201 μm，打閘停機，汽輪機在500 r/min仍不能穩(wěn)定運行，決定汽輪機轉(zhuǎn)速由500 r/min降至300 r/min。控制再熱蒸汽溫度，控制脹差，減少主、再熱蒸汽左右側偏差，使汽缸兩側溫度分布均勻[12]。汽輪機在投入盤車后經(jīng)過4 h連續(xù)運行，就地檢查無異常后重新掛閘沖轉(zhuǎn)。機組在300 r/min低速碰磨下運行近5 h，最終因振動持續(xù)增大打閘停機，趨勢如圖4所示。

圖4 低速磨合趨勢

汽輪機在300 r/min運行時，振動仍然緩慢增加，且主要發(fā)生在中壓缸兩側，機組啟動時使用了中壓缸沖轉(zhuǎn)，高壓缸不進汽。嘗試通過高壓缸沖轉(zhuǎn)中壓缸不進汽的方式，減少汽流對中壓缸間隙的影響。通過高調(diào)閥正暖閥位控制汽輪機轉(zhuǎn)速，汽輪機轉(zhuǎn)速上升至306 r/min后，4號軸承Y向振動快速上升，降轉(zhuǎn)速，振動緩慢下降。多次通過高壓缸調(diào)門改變轉(zhuǎn)速，3號、4號軸承振仍不能有效控制，最后4Y振動上升至205 μm，機組打閘。

通過3次沖轉(zhuǎn)現(xiàn)象及參數(shù)控制看出：高、中壓缸上、下缸溫差在10 ℃以內(nèi)，排除進冷氣及疏水不暢的因素。背壓維持在16～17 kPa，軸封壓力35 kPa。再熱蒸汽壓力0.8 MPa、溫度345 ℃。機組膨脹和脹差均在正常值，檢查缸體滑銷系統(tǒng)全部在自由釋放狀態(tài)，中壓缸排汽膨脹節(jié)、凝汽器與小汽輪機膨脹節(jié)連桿均正常釋放。再熱蒸汽壓力維持0.8 MPa，且調(diào)門無晃動排除汽流對機組振動的影響。潤滑油壓及油溫穩(wěn)定。檢查軸封進、回汽管道測溫均大于100 ℃，軸封管道無積水。檢查汽輪機振動監(jiān)測系統(tǒng)，汽輪機4號軸承振動以單倍頻率為主且相位角度持續(xù)變化，分析認為中壓缸軸封及葉頂汽封部位首先發(fā)生了碰磨，使轉(zhuǎn)子發(fā)生局部臨時熱彎曲，進而加劇觸發(fā)動靜碰磨，后期連帶低壓動靜部件也發(fā)生了碰磨現(xiàn)象，導致振動加劇，打閘停機。低速碰磨引起的臨時熱彎曲可以通過連續(xù)盤車進行恢復，控制好碰磨的程度不會造成轉(zhuǎn)子發(fā)生永久彎曲。汽輪機盤車4 h后，臨時熱彎曲消除偏心達到原始值后，再次沖轉(zhuǎn)。通過自行磨合的措施使動靜部件脫開，碰磨會逐漸變輕。

3.2 升轉(zhuǎn)速進行中速磨合

低速碰磨階段已經(jīng)沖轉(zhuǎn)多次，對于機組碰磨間隙改變效果不太明顯，本次沖轉(zhuǎn)決定進行中速碰磨，目標值1500 r/min，升速過程中若振動超過200 μm機組打閘，在升速過程嚴密監(jiān)視各軸承振動變化及溫度變化情況，再次升速至1500 r/min，2號、5號、6號軸承振動上升緩慢，3號、4號軸承振動開始明顯上升，4Y最大228 μm且持續(xù)上升，機組打閘。打閘后惰走中，3Y、4Y振動再次出現(xiàn)上升，4Y最大到299 μm，隨后下降。汽輪機惰走至零時投入盤車。升速1500 r/min后主要軸承振動參數(shù)見表3。

表3 汽輪機升速及打閘后振動參數(shù) 單位：μm

通過前幾次低速碰磨、中速碰磨及參數(shù)調(diào)整，機組動靜碰磨現(xiàn)象已有明顯改善。目前機組已升速至1500 r/min，但振動幅值仍無法穩(wěn)定，尤其3Y、4Y振動上升趨勢明顯，通過振動監(jiān)測系統(tǒng)查看，振動仍以1倍頻為主且相位角度增大，引起振動的原因仍是動靜碰磨。

3.3 升轉(zhuǎn)速進行高速磨合

汽輪機升速至1500 r/min，表明中速對本機組碰磨改善效果較好，決定沖轉(zhuǎn)目標值2350 r/min，在沖轉(zhuǎn)過程中嚴密監(jiān)視振動及軸承溫度，振動超過200 μm后機組打閘。汽輪機升速至2350 r/min，振動最大值79 μm(4Y)，振動上升趨勢平緩。此時高壓排汽金屬溫度259 ℃，中壓排汽金屬溫度164 ℃，滿足升速條件[13]，目標轉(zhuǎn)速3000 r/min，升速率200 r/min。汽輪機首次升速至3000 r/min，趨勢如圖5所示。

圖5 3000 r/min振動曲線

汽輪機已升速至3000 r/min，高中壓缸1-4號軸承振動已明顯穩(wěn)定且有緩慢下降趨勢，但5Y、6Y振動出現(xiàn)上升趨勢，最終因6Y振動緩慢升至251 μm，機組打閘。打閘惰走過程中，未見振動增加。機組投入盤車運行，偏心43.5 μm，惰走時間44 min。

5Y、6Y測點振動主要以1倍頻分量為主，振動上升過程中也主要是1倍頻振動增大，相位角度隨振動增大也在逐漸變化，判斷振動類型仍為動靜碰磨。

3.4 低壓缸噴水影響軸封金屬溫度

查到本次汽輪機升速至3000 r/min后5Y、6Y振動與低壓缸軸封金屬溫度有明顯的關聯(lián)性，在汽輪機運行時，低壓缸軸封金屬溫度在105～170 ℃間斷性變化，當溫度低于110 ℃時，5Y、6Y振動明顯增加后持續(xù)發(fā)散，最終使機組被迫打閘。排查現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，在汽輪機3000 r/min空負荷運行階段，低壓缸排汽溫度較高，需要通過低壓缸噴水減溫，低壓缸噴水在自動狀態(tài)，當排汽溫度超過90 ℃時，低壓缸噴水閥會自動打開，溫度降至60 ℃時自動關閉，凝結水雜項水管道的壓力為2.8 MPa，當?shù)蛪焊讎娝蜷_的瞬間，因噴水壓力較高，一部分減溫水繞過護板噴濺在汽缸端部汽封齒上，引起了汽封齒局部收縮變形，軸端汽封齒間隙發(fā)生變化，產(chǎn)生了碰磨振動。

針對以上問題，采取關小低壓缸噴水手動門使低壓缸后缸噴水母管壓力降至1.2 MPa，設定溫度70 ℃，使低壓缸噴水調(diào)門保持全開，噴水量連續(xù)穩(wěn)定，防止低壓缸噴水調(diào)門頻繁動作，并關小低壓軸封減溫水調(diào)閥前后手動門，穩(wěn)定低壓軸封溫度。汽輪機連續(xù)盤車4 h后，再次沖轉(zhuǎn)，升速過程中低壓缸軸封金屬溫度穩(wěn)定在150～160 ℃，汽輪機成功定速3000 r/min。振動數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 汽輪機定速3000 r/min時振動參數(shù)

3.5 真空對振動的影響

汽輪機在定速3000 r/min后順利并網(wǎng)帶負荷，逐步投入高、低壓加熱器，排汽壓力緩慢降至10.8 kPa，此時5Y、6Y振動開始緩慢增加，5Y振動緩慢升至133 μm，6Y振動緩慢升至201 μm，檢查振動頻譜圖仍然是1倍頻振動且相位不斷變化，排汽溫度和軸封金屬溫度無明顯變化。分析認為原本低壓缸軸封間隙設計較小，在排汽壓力下降后，引起了低壓缸部分形變和軸向推力變化[14-16]，使軸封動靜間隙發(fā)生了變化，進而出現(xiàn)了碰磨，碰磨產(chǎn)生的熱應力使轉(zhuǎn)子出現(xiàn)了臨時彎曲使振動不斷增大。現(xiàn)場采取了停止真空泵，使機組背壓升高，讓已經(jīng)處于動靜碰磨的部位間隙發(fā)生改變并脫開，振動逐漸下降恢復至正常值。由于間隙較小，碰磨風險仍然存在，在帶負荷階段，采取了穩(wěn)定振動后不斷調(diào)整真空，使碰磨位置繼續(xù)磨合直至間隙合適不再發(fā)生碰磨振動。真空對振動的影響如圖6所示。

圖6 真空對振動的影響

3.6 負荷變化對振動的影響

機組運行時負荷降至180 MW，5Y、6Y振動再次增加，頻譜圖分析仍然是碰磨振動。隨后調(diào)整了機組真空和軸封溫度，振動仍然緩慢增加。振動現(xiàn)象是在降負荷過程中發(fā)生的，排查汽輪機本體參數(shù)并無變化，考慮振動是發(fā)電機功率變化引起。決定提升負荷觀察振動變化情況，機組功率升高后，5Y、6Y振動逐漸平穩(wěn)不再增加。在機組降負荷階段，因發(fā)電機勵磁作用影響發(fā)電機轉(zhuǎn)子受力發(fā)生變化，會對整個汽輪機軸系承重產(chǎn)生影響，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子中心位置發(fā)生變化，進而帶動低壓缸轉(zhuǎn)子使軸封間隙變化發(fā)生碰磨。表象為低負荷階段振動緩慢上升，而隨著負荷逐漸增加時，6Y振動開始出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢。通過以上現(xiàn)象分析，可以通過升降負荷對軸封間隙較小的部位進行磨合，觀察振動變化情況，適時調(diào)整負荷。振動隨負荷變化趨勢如圖7所示。

圖7 升負荷過程振動趨勢

3.7 振動消除并完成RB試驗、負荷變動試驗

通過前期多次磨合及參數(shù)調(diào)整，機組振動已趨于穩(wěn)定，期間完成了RB試驗和負荷變動試驗，在多工況下進行了測驗，汽輪機各軸承振動最大不超過76 μm，全部達到了優(yōu)良值。試驗時負荷、振動趨勢如圖8所示。

圖8 RB試驗、負荷變動試驗振動曲線

4 結語

660 MW新建機組汽輪機由于多軸承振動爬升至超標水平，導致沖轉(zhuǎn)過程進行了十多次才定速3000 r/min穩(wěn)定運行。振動爬升時頻譜成分主要以1倍頻分量為主且相位逐漸發(fā)生變化，工作轉(zhuǎn)速下空載試驗以及后來帶負荷運行過程中還發(fā)生多次軸振動爬升現(xiàn)象，結合控制參數(shù)如汽溫、缸脹、真空、軸封、脹差、轉(zhuǎn)速、疏水等參數(shù)比較穩(wěn)定時振動緩慢爬升的現(xiàn)象特點，分析認為振動故障是由于中、低壓轉(zhuǎn)子動靜碰磨現(xiàn)象引起，摩擦部位在通流間隙比較小的軸封、隔板汽封等部位。引起碰磨的原因主要有以下幾個方面：設計間隙偏小、軸系相對標高變化，引起汽封間隙不均勻、缸內(nèi)溫度場不均勻，如低壓缸噴水對缸體末端溫度及低壓軸封溫度的影響。