汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子熱彎曲振動(dòng)特性分析及診斷

吳 韜

（中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司華北電力試驗(yàn)研究院，北京 100043）

0 引言

汽輪機(jī)是火力發(fā)電廠中的重要設(shè)備，其安全、穩(wěn)定運(yùn)行是電廠安全生產(chǎn)的重要保障。轉(zhuǎn)子熱彎曲故障屬于嚴(yán)重安全隱患，對(duì)此類問題的準(zhǔn)確分析、及時(shí)診斷并采取有效措施可防止隱患的進(jìn)一步發(fā)展，避免重大安全事故，應(yīng)引起設(shè)備管理專家足夠的重視。

1 設(shè)備概況

某發(fā)電廠8 號(hào)機(jī)組為東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的N300-16.7/537/537 型、亞臨界、一次中間再熱、單軸、兩缸兩排汽凝汽式（合缸）機(jī)組，軸系由高中壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成，分別由1～6 號(hào)軸承支撐，其中1 號(hào)、2 號(hào)軸承為可傾瓦，3號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)軸承為橢圓瓦。該機(jī)組于2001 年8 月20 日投產(chǎn)。汽輪機(jī)軸系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 汽輪機(jī)軸系結(jié)構(gòu)

2005 年10 月1 日機(jī)組第一次大修，在大修中進(jìn)行了高中壓缸布萊登汽封改造，高壓后、中壓后軸封最外4 道更換鐵素體汽封，高壓調(diào)節(jié)級(jí)葉頂及葉根3 道汽封及中壓一級(jí)隔板汽封更換原型號(hào)汽封外，其他軸封及隔板汽封39 道全部更換為布萊登汽封，總計(jì)改造汽封51 道。通過加厚16 mm 低壓轉(zhuǎn)子盤車齒輪環(huán)，解決發(fā)電機(jī)磁力中心偏差問題。在軸系調(diào)整中通過調(diào)整發(fā)電機(jī)軸瓦底部墊鐵墊片厚度，實(shí)現(xiàn)調(diào)整中心工作，沒有動(dòng)過發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)，發(fā)電機(jī)調(diào)整墊片沒有動(dòng)過。

2011 年8 月10 日機(jī)組第二次大修，在大修中進(jìn)行了汽輪機(jī)通流改造。改造范圍：高中壓轉(zhuǎn)子及動(dòng)葉片更新；低壓轉(zhuǎn)子采用3 號(hào)機(jī)組帶有中心孔的舊轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子返廠更新動(dòng)葉片；高壓內(nèi)缸及低壓內(nèi)缸更新；高、中、低壓隔板全部更新；汽輪機(jī)軸承全部更新。在軸系調(diào)整中也沒有動(dòng)過發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)，發(fā)電機(jī)調(diào)整墊片沒有動(dòng)過。

2015 年3 月3 日機(jī)組第三次大修，在大修中發(fā)現(xiàn)高中壓轉(zhuǎn)子彎曲0.05 mm，中壓聯(lián)軸器晃度0.09 mm，轉(zhuǎn)子彎曲超標(biāo)。采取高中壓轉(zhuǎn)子返廠進(jìn)行加工，消除軸彎曲，并進(jìn)行了全速動(dòng)平衡試驗(yàn)。低壓轉(zhuǎn)子正、反向4 級(jí)、5 級(jí)動(dòng)葉鎖口葉片有甩出現(xiàn)象，鎖口葉片頂部與徑向汽封發(fā)生摩擦。按照廠家建議采用鉗工打磨方式，消除鎖葉葉頂高出部分，盡量低于標(biāo)準(zhǔn)葉片0.2 mm 左右。同期連通管進(jìn)行打孔抽汽供熱改造。在軸系調(diào)整中沒有動(dòng)過發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)，發(fā)電機(jī)調(diào)整墊片沒有動(dòng)過。

2 振動(dòng)情況及數(shù)據(jù)

2011 年8 月大修（通流改造）后，低壓缸的3 號(hào)、4 號(hào)軸承軸振偏大。2011 年大修后振動(dòng)情況見表1。

表1 2011 年大修后振動(dòng)情況 μm

2015 年1 月大修后，3 號(hào)、4 號(hào)軸承軸振較2011 年修后有進(jìn)一步增大趨勢(shì)。2015 年大修后振動(dòng)情況見表2。

表2 2015 年大修后振動(dòng)情況 μm

隨著機(jī)組運(yùn)行周期延長，2019 年機(jī)組在供熱期，4 號(hào)軸振軸振最大在120 μm 左右，3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)趨勢(shì)變化如圖2 所示。

圖2 2019 年供熱期3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)趨勢(shì)變化

2019 年—2022 年機(jī)組啟停機(jī)3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)情況見表3～表7。

表3 2019 年3 月機(jī)組啟動(dòng)振動(dòng)情況（通頻/1 倍頻/1 倍頻相位）

表4 2019 年8 月機(jī)組停機(jī)振動(dòng)情況（通頻/1 倍頻/1 倍頻相位）

表5 2020 年4 月機(jī)組啟動(dòng)振動(dòng)情況（通頻/1 倍頻/1 倍頻相位）

表6 2021 年6 月機(jī)組啟動(dòng)振動(dòng)情況（通頻/1 倍頻/1 倍頻相位）

表7 2022 年10 月機(jī)組啟動(dòng)振動(dòng)情況（通頻/1 倍頻/1 倍頻相位）

3 振動(dòng)特征及影響因素

3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)以基頻為主，空負(fù)荷時(shí)3 號(hào)、4 號(hào)瓦號(hào)軸振最大45 μm，說明冷態(tài)下低壓轉(zhuǎn)子平衡狀態(tài)良好[1]。3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)頻譜如圖3 所示。

圖3 3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)頻譜

（1）機(jī)組負(fù)荷對(duì)振動(dòng)的影響。負(fù)荷高時(shí)振動(dòng)值大，低負(fù)荷時(shí)振動(dòng)值降低，3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)隨負(fù)荷變化情況如圖4 所示。

圖4 3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)隨負(fù)荷變化情況

（2）供熱抽汽對(duì)振動(dòng)的影響。在相同174 MW 工況時(shí)，機(jī)組供熱時(shí)3X 降低21 μm，3Y 降低21 μm，4 X 降低37 μm，4 Y 降低21 μm，3 號(hào)、4 號(hào)軸承振動(dòng)隨供熱抽汽量的增大而降低，相同負(fù)荷下供熱抽汽對(duì)3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)影響情況如圖5 所示。

圖5 相同負(fù)荷下供熱抽汽對(duì)3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)影響情況

（3）主蒸汽、再熱蒸汽溫度對(duì)振動(dòng)的影響。在滑參數(shù)停機(jī)過程中，負(fù)荷均在200 MW，主蒸汽及再熱蒸汽溫度降至430 ℃左右時(shí)，3X 降至89 μm，3Y 降至82 μm，4 X 降至93 μm，4 Y 降至73 μm，主蒸汽、再熱蒸汽溫度對(duì)3、4 瓦振動(dòng)影響情況如圖6 所示。

圖6 主蒸汽、再熱蒸汽溫度對(duì)3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)影響情況

4 熱彎曲診斷

機(jī)組歷次冷態(tài)啟機(jī)后，3000 r/min 時(shí)振動(dòng)良好，帶負(fù)荷后，3 號(hào)、4 號(hào)瓦振動(dòng)都出現(xiàn)明顯上升。帶負(fù)荷初振動(dòng)快速上升，負(fù)荷升高后，振動(dòng)達(dá)到最大數(shù)值，之后振動(dòng)隨負(fù)荷波動(dòng)。振動(dòng)主要是工頻成分，重復(fù)性較好；由滑停時(shí)振動(dòng)情況可知，隨著進(jìn)汽溫度降低振動(dòng)逐步呈下降趨勢(shì)，振動(dòng)受溫度變化影響較大[2-3]。

從這種現(xiàn)象分析，冷態(tài)啟機(jī)到帶負(fù)荷是對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行加熱的過程，轉(zhuǎn)子受熱后溫度上升，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了熱彎曲，引起振動(dòng)上升。帶負(fù)荷過程隨負(fù)荷變化，轉(zhuǎn)子加熱冷卻，轉(zhuǎn)子溫度高低發(fā)生變化，引起彎曲大小變化，導(dǎo)致振動(dòng)波動(dòng)[4-5]。

5 結(jié)束語

通過對(duì)某發(fā)電廠低壓轉(zhuǎn)子近年的啟停振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3000 r/min 時(shí)振動(dòng)良好，帶負(fù)荷后振動(dòng)快速爬升，且振動(dòng)表現(xiàn)出與負(fù)荷較強(qiáng)的相關(guān)性，是典型的轉(zhuǎn)子熱彎曲特征。

由于轉(zhuǎn)子熱彎曲故障常見于高、中壓轉(zhuǎn)子，在低壓轉(zhuǎn)子上發(fā)生的案例較少，且轉(zhuǎn)子兩側(cè)相位同向，給熱彎曲的診斷帶來了一定困難。此類問題的診斷需結(jié)合機(jī)組長期啟停機(jī)及帶負(fù)荷振動(dòng)數(shù)據(jù)共同分析，綜合判斷得出結(jié)論。