聯合循環機組高中壓缸汽封磨損故障診斷

胡松如，應光耀

（1.浙江浙能鎮海發電有限責任公司，浙江 寧波 315208；2.浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

鎮海電廠11號蒸汽－燃氣聯合循環發電機組選用美國GE公司PG9315FA型燃氣輪機、D10型帶再熱系統的雙缸雙流式汽輪機、390H型氫冷發電機。燃氣輪機、蒸汽輪機和發電機轉子剛性地串聯在一根長軸上，燃氣輪機進氣端輸出功率，軸配置為燃機-汽機-發電機，工作轉速3000 r/min。燃氣機組主軸分為4段：燃機壓氣機轉子、高中壓轉子、低壓轉子、發電機轉子，均為整鍛實心轉子，每段轉子均由兩個徑向軸瓦支撐，軸系布置如圖1所示。1，3，4，5為可傾瓦軸承；2，6，7，8為橢圓瓦軸承，推力瓦在1號軸承處。

機組在調試期間曾多次出現碰摩事件，高中缸效率明顯低于同類型機組，盡管11號機組平時能正常開機運行，但根據鎮海12號機組的開缸經驗[1]及11號機組的高壓缸試驗效率狀況，判斷早期的碰摩已使高壓缸汽封出現磨損，并由機組檢修情況得到證實。

圖1 軸系布置示意圖

1 燃機初期碰摩現象

11號燃機于2006年12月 30日 0∶05∶30首次冷拖至699 r/min，此時3Y，3X，4Y，4X振動分別為 16，25，21，25 μm。 之后在定轉速情況下，3Y，3X，4Y，4X振動隨著時間持續上升，0∶20∶30拍機時，3Y，3X，4Y，4X 分別達到 95，112，71，74 μm。3號和4號瓦軸振的振幅隨時間逐步增大，相位也逐步增大，而且振幅增幅越來越大，增大的振動以1X倍頻分量為主，見圖2。圖3的升、降速曲線Bode圖也顯示降速過程的振動明顯大于升速過程，且振動回落比較慢。在700 r/min就產生這么大的振動，表現為較明顯的碰摩振動特征[2]，高中壓轉子局部受熱不均勻而使轉子彎曲，振動逐步惡化。對汽機檢查后發現，高中壓汽缸下半部并沒有加保溫層。9F汽機在冷拖期間僅靠軸封輔汽來加熱汽缸和保持汽缸溫度均勻，如果汽缸下半部未保溫，則會導致下缸冷卻太快而無法脹出、上下缸溫差偏大，容易導致動靜碰摩的產生。

圖2 首次冷拖3Y趨勢圖

圖3 首次冷拖3Y Bode圖

基于以上分析，采取以下措施：高中壓汽缸加保溫層；嚴格控制輔助蒸汽溫度和輔助蒸汽投用的時間。之后，于12月30日12∶00開始冷拖、點火、沖轉，13∶33順利到3000 r/min，整個軸系振動除4Y超出優良范圍外，其他瓦軸振都在優良范圍。高中壓轉子臨界轉速在1930～1950 r/min，低壓轉子臨界轉速為1250 r/min，發電機轉子臨界轉速在1120～1140 r/min。

11號燃機于2007年1月 4日9∶00開始重新啟動，到700 r/min后3號和4號瓦軸振動振幅又隨著時間持續上升，基本以工頻分量為主，相位也持續增加，振動現象跟首次冷拖基本相同，判斷為碰摩，遂嘗試沖轉，因870 r/min時3X超過220 μm而停機。現場高中壓轉子軸封有刺耳異聲，檢查判斷高中壓軸封已有冷空氣進入。查看軸封汽壓力和溫度數據，發現軸封汽溫度偏低，可能導致軸封失效。調整軸封汽壓力和溫度，待軸封能向外冒汽后，于4日14∶00再次開機，冷拖至700 r/min后3號和4號瓦軸振仍然持續上升，見圖4，試沖至1300 r/min時因3X振動大而跳機。冷拖定轉速清吹時，3號和4號軸振仍然爬升，相位也劇烈變化，振動與前幾次振動爬升情況類似。有可能引起汽機高中壓轉子碰摩的有軸封汽和保溫層兩個因素，之前已對軸封汽進行仔細調整，但未檢查保溫層，因此對高中壓缸保溫層進行詳細檢查，發現高中壓缸下半部保溫層有空隙，保溫效果欠佳。對高中壓缸保溫層加厚補漏后，于1月5日再次開機，機組順利沖轉至3000 r/min。從1月5日開始，在沖管期間多次開機，機組都能順利沖至3000 r/min，并網帶負荷時的機組振動也都在合格范圍之內。

圖4 1月4日14∶00沖轉3X Bode圖

通過試運行發現，3號瓦振動對軸封汽溫度的變化較為敏感，曾經因汽封溫度高（210℃）導致3號瓦振動大而跳機。在某次啟動中，發現啟動前上下缸溫差偏大，約為40℃，降低汽封溫度至170℃，盤車4 h后機組啟動，振動正常。因此在機組啟動前應根據缸溫對軸封汽溫度進行調整，避免蒸汽溫度與金屬溫度相差過大，并保持高中壓缸的上下缸溫差不超過28℃。

2 汽輪機效率試驗

為了判別汽輪機高、中壓缸的實際通流效率狀況，于2007年7-8月進行了汽輪機焓降效率試驗，試驗得出11號機組的汽輪機高壓缸實際效率僅為79.7%，該數值與美國GE公司的高壓缸效率設計值（86.1%）以及其他電廠同類型機組的汽輪機實際測試效率（85%～86%）相比差距較大（見表2），結合機組在早期曾發生多次啟動過程中的碰摩事件，機組在運行中對軸封汽溫度、上下缸溫差參數非常敏感，因碰摩而重新啟動的次數多于同類型機組，因此懷疑汽輪機高壓缸通流內部汽封已損壞。盡管11號機組能正常開機運行，但根據12號機組的開缸經驗以及11號機組的高壓缸試驗效率狀況，決定對11號機組汽輪機作開缸檢查，結果發現汽輪機高壓缸也發生了嚴重碰摩。

表2 幾臺9F機組D10型高壓缸效率試驗結果

3 機組檢修情況

2007年11月打開11號機高中缸，發現高壓外軸封齒斷裂，高壓隔板汽封齒破損嚴重，高中壓轉子往燃機方向移動，高壓部分轉子與汽封齒發生軸向碰摩，1-6級汽封齒的高齒都已經被磨平，7-12級汽封齒未見異常。對高壓轉子的中心、推拉桿間隙、高壓外缸外引、高壓轉子圍帶與隔板汽封軸向間隙進行了全面測量，數據表明高壓轉子的中心、推拉桿間隙都在合格范圍內，而高壓轉子軸向定位尺寸（高中壓轉子的K值，即高中壓第2級隔板汽封軸向間隙）安裝數據比設計數據往燃機方向偏離0.8 mm，高中壓轉子往燃機方向竄動1 mm，即高中壓轉子往燃機方向偏離設計值共1.8 mm。

在早期的碰摩故障中，由于汽缸下缸未加保溫和保溫里層有間隙，保溫效果很差，使汽機轉子在軸封汽作用下受熱膨脹速度較快，而由于保溫效果欠佳，汽缸未充分脹出，轉子與缸體受熱和冷卻不均而產生差脹，在高中壓轉子隔板間隙較正常值小1.8 mm的情況下，機組非常容易發生碰摩事故，高中壓轉子在軸向位置始終處于不安全和不穩定的狀態。這就需要機組在啟動過程中要控制最佳的軸封汽溫度、高壓缸上下缸溫差更小，才能使缸脹和軸脹充分，不在軸向位置發生碰摩。

4 結語

根據高壓缸效率和早期啟動軸系振動數據，認為機組的高壓缸通流部分隔板汽封已經損壞，檢修結果也證實了這一判斷。

鎮海電廠兩臺9F燃氣聯合循環機組動靜碰摩的原因之一是高中壓轉子軸向定位尺寸K值跟設計值有較大的偏差。聯合循環機組的高中壓缸為合缸整體組裝后送至電廠，現場安裝階段無法直接測量K值，這給正確判斷高中壓轉子軸向位置帶來一定困難。因此在現場安裝過程中應進一步加強質量管理，必須測試軸竄、高中壓軸向外引、低壓軸向外引，與設計值、出廠值作比較，保證各間隙尺寸在制造廠家設計值范圍內。

GE公司的9F聯合循環機組在啟動過程中應避免發生動靜碰摩，對已經在啟動過程中多次發生碰摩的機組應引起重視，必要時安排性能考核試驗，結合高壓缸效率來判斷碰摩是否已損壞隔板汽封。

[1] 應光耀，童小忠，吳文健.9F聯合循環機組嚴重碰摩診斷分析及處理[J].汽輪機技術，2010，52（1）∶74-76.

[2] 陸頌元，童小忠.汽輪機組現場動靜碰磨故障的振動特征及分析診斷方法[J].動力工程 2002，22（6）∶2020－2024.